Тема 8. Инженерно-геологические изыскания

Техническое задание на инженерно-геологические изыскания выдает инженер-строитель, занимающийся проектированием объекта. В связи с этим инженер-строитель должен владеть определенными знаниями по инженерной геологии. Далее изыскания выполняет специализированная изыскательская организация. Каждая организация, в том числе и по инженерно-геологическим изысканиям, специализируется, как правило, по определенному виду строительства: промышленно-гражданскому, дорожному, гидротехническому и др. Результаты изысканий в виде инженерно-геологического отсчета передаются строительной проектной организации, где ведется проектирование объекта. В этой работе, как и при строительстве объекта, обязательно принимает участие инженер-геолог. Период эксплуатации объекта в ряде случаев также требует участия инженера-геолога, чаще всего это бывает в связи с нарушением нормальной эксплуатации объекта.

Цель инженерно-геологических исследований - получить необходимые для проектирования объекта инженерно- геологические материалы, так как ни один объект нельзя построить без этих данных.

Задача исследований - изучение геологического строения, геоморфологии, гидрогеологических условии, природных геологических и инженерно-геологических процессов, свойств горных пород и прогноз их изменений при строительстве и эксплуатации различных сооружений.

Состав исследований определяется программой, согласованной с проектной организацией. В состав работ входят: сбор, изучение и анализ имеющихся геологических материалов по району строительства; инженерно-геологическая и гидрогеологическая съемка; буровые и горнопроходческие разведочные работы; геофизические исследования; опытные полевые работы; стационарные наблюдения; лабораторные исследования грунтов и подземных вод; камеральная обработка и составление отсчета.

Во всех случаях исследования должны начинаться со сбора имеющихся материалов о природных условиях района. Эту работу выполняют в подготовительный период до начала полевых работ; изучают материалы, хранящиеся в геологических фондах и других организациях, опубликованные работы собирают данные об опыте строительства и эксплуатации аналогичных сооружений в местных природных условиях. Тщательный сбор и анализ имеющихся материалов, дополненный в ряде случаев рекогносцировочным обследованием района, позволяет целенаправленно составить программу исследований и значительно сократить их объем.

После проведения необходимых организационно- хозяйственных мероприятий изыскательский отряд или партия выезжает на место будущего строительства и приступает к полевым работам.

Окончательная обработка полевых материалов и результатов лабораторных анализов производится в стационарных условиях в течение камерального периода. Камеральная обработка материалов завершается составлением инженерно-геологического и гидрогеологического отчетов.

Объем выполняемых инженерно-геологических исследований бывает различен. Это связано со стадией проектирования, геологической изученностью района, сложностью геологического строения, особенностями свойств грунтов, конструктивными особенностями сооружений и их капитальностью.

Основной объем инженерно-геологических работ приходится на исследования, проводимые в период до проектирования. На этом этапе инженерно-геологические исследования обеспечивают получение необходимых данных, связанных; с геологией местности, со свойствами грунтов и получением инженерных выводов. Изучение геологии местности позволяет установить лучший участок для строительства, влияние геологических процессов на сооружение и влияние самого сооружения на природную обстановку. Изучение грунтов позволяет определить их свойства, решить вопрос о необходимости улучшения их свойств и составить представление о наличии в данном районе тех или иных строительных материалов. Важное место занимают инженерные выводы. При этом устанавливается глубина заложения фундаментов и величина допускаемых давлений на грунт, прогнозируются устойчивость сооружения, величины ожидаемых осадков и т.д.

В период строительства при проходке котлованов производят сверку наблюдаемых геологических данных с геологическими материалами, полученными в период инженерно-геологических исследований до проектирования. При наличии расхождении назначают дополнительные инженерно-геологические работы для подтверждения правильности выполненного проекта или внесения в него необходимых исправлений.

При эксплуатации зданий и сооружений во многом случаях целесообразны работы, связанные с подтверждением прогноза устойчивости объектов. Так проводят наблюдения за характером и величиной осадок, режимом грунтовых вод и рек, размывом берегов, устойчивостью склонов. К этому периоду относят работы, получившие название инженерно-геологической экспертизы. Задачей таких исследований является установление причин возникновения деформаций зданий и сооружений.

Инженерно-геологические работы обычно выполняют в три этапа:

1) подготовительный;

2) полевой;

3) камеральный.

Подготовительные работы включают изучение района по архивным, фондовым и литературным материалам. Осуществляется подготовка к полевым работам.

В полевой период производят все инженерно-геологические работы, предусмотренные проектом для данного участка:

• инженерно-геологическая съемка;

• разведочные работы и геофизические исследования;

• опытные полевые исследования грунтов;

• изучение подземных вод;

• анализ опыта местного строительства и т.д.

В течение камерального периода производят обработку полевых материалов и результатов лабораторных анализов, составляют инженерно-геологический отчет с соответствующими графическими приложениями в виде карт, разрезов и т.д.

Инженерно-геологический отчет является итогом инженерно-геологический изысканий. Отчет передается проектной организации, и на его основе выполняется необходимая проектная документация для строительства. В общем виде отчет состоит из введения, общей и специальной частей, заключения и приложений. В введении указывают место проведения изыскательских работ и время года, исполнители и цель работ. В общей части, в ее отдельных главах дается описание:

• рельефа, климата, населения, растительности;

• геологии с приложением геологических карт и разрезов;

• карты строительных материалов, которые необходимы для выполнения

строительных работ.

В специальных главах большое внимание уделяется грунтам и подземным водам. Грунты являются основным объектом исследований. Поэтому указываются, какие грунты, их свойства, выраженные в цифрах, что необходимо для определения расчетных характеристик, пригодность грунтов для строительства объекта.

Подземные воды оцениваются в двух направлениях: как источники водоснабжения при строительстве и эксплуатации объекта и как они могут помешать строительству. В этих случаях даются рекомендации по строительному водопонижению и устройству дренажей на период эксплуатации объекта.

В заключительной части отчета дается общая инженерно-геологическая оценка участка по пригодности для данного строительства, указываются наиболее приемлемее пути освоения территории, заостряется внимание на вопросах охраны окружающей среды.

Отчет обязательно должен иметь приложение, в котором дается различный графический материал, а также таблицы свойств грунтов, химических анализов воды, каталог геологических выработок и др.

Инженерно-геологические заключения. В практике инженерно-геологических исследований очень часто вместо больших отчетов приходится составлять инженерно-геологические заключения. Выделяется три вида заключений:

1) по условиям строительства объекта;

2) о причинах деформации зданий и сооружений;

3) экспертиза.

В первом случае заключение носит характер сокращенного инженерно-геологического отчета. Такое заключение может быть выполнено для строительства отдельного здания.

Заключение о причинах деформации зданий и сооружений могут иметь различное содержание и объем. В их основу кладутся материалы ранее проведенных исследований, осмотр местности, сооружения. При необходимости дополнительно выполняется небольшой объем инженерно-геологических исследований. Заключение должно вскрыть причины деформации и наметить пути их устранения.

Инженерно-геологическая экспертиза проводится, главным образом, по проектам крупных сооружений. Основой для экспертизы является наличие спорных и разноречивых оценок природных условий или аварий сооружений.

Экспертиза силами крупных специалистов устанавливает:

• правильность приемов исследований;

• достаточность объемов работ;

• правомерность выводов и рекомендаций;

• причины аварий и т.д.

По объему работы экспертиза бывает кратковременная и длительная. В первом случае вопрос решается практически сразу. Выводы излагаются в виде заключения. Во втором случае экспертиза кроме изучения имеющихся материалов требует выполнения специальных работ по определенной программе с указанием сроков. По окончании работ выводы могут быть изложены в виде заключения или даже небольшого инженерно-геологического отсчета.

Экспертиза должна давать ответ на поставленные вопросы, содержать необходимые конкретные рекомендации, обоснования и доказательства целесообразности предлагаемых инженерно-технических мероприятий.

Инженерно-геологическая съемка представляет собой комплексное изучение геологии, гидрогеологии, геоморфологии и других естественноисторических условий района строительства. Эта работа дает возможность оценить территорию со строительной точки зрения.

Масштаб инженерно-геологической съемки определяется детальностью инженерно-геологических исследований и колеблется от 1:200 000 до 1:10 000 и крупнее. Основой для проведения съемки служит геологическая карта данной территории.

Геоморфологические исследования уточняют характер рельефа, его возраст и происхождение. При геологических работах определяют условия залегания пород, их мощность, возраст, тектонические особенности, степень выветренности и т.д. Для этой цели изучают естественные обнажения, представляющие собой выходы на поверхность слоев горных пород на склонах гор, оврагов, речных долин. Для каждого слоя записывают наименование породы, окраску, состав, примеси, измеряют видимую мощность и элементы залегания. На карте указывается местонахождение обнажения. Наиболее характерные для данного района обнажения зарисовывают, фотографируют.

Шурфы - колодцеобразные вертикальные выработки прямоугольного сечения. Шурф круглого сечения называют «дудкой». Шурфы помогают детально изучать геологическое строение участка, производить отбор любых но размеру образцов с сохранением их структуры и природной влажности.

По мере проходки шурфа непрерывно ведут геологическую документацию - записывают данные о вскрываемых породах, условиях их залегания, появлении грунтовых вод; производят отбор образцов. По всем четырем стенкам и дну делают зарисовку и составляют развертку шурфа. Это позволяет более точно определить толщину слоев и элементы их залегания в пространстве.

По окончании разведочных работ шурфы тщательно засыпают, грунт утрамбовывают, а поверхность земли выравнивают.

Буровые скважины представляют собой круглые вертикальные или наклонные выработки малого диаметра, выполняемые специальным буровым инструментом. В буровых скважинах различают устье, стенки и забой.

При инженерно-геологических исследованиях применяют такие виды бурения, которые позволяют получать образцы пород.

Проходка скважин в слабых и водонасыщенных породах бывает затруднена вследствие обваливания и оплывания стенок. Для их крепления применяют стальные обсадные трубы, которые опускают в скважины и продолжают бурение.

По мере проходки буровой скважины оформляется ее геологическая документация в виде геолого-литологической колонки, на которой видно, как залегают слои, их толщина, литологический тип, глубина залегания уровня грунтовых вод, места отбора образцов пород в виде керна, возраст пород в индексах. Буровые колонки составляют в масштабе 1:100- 1:500. После завершения бурения скважина засыпается.

Отбор образцов пород и проб воды. Отбор образцов производят из обнажений, буровых скважин, шурфов и других выработок. Пробы отбирают послойно, на всю глубину выработки, но не реже чем через каждые 0,5- 1,0м. Наиболее детально опробуется слой, которой будет несущим основанием сооружений. Из всех образцов, полученных при инженерно-геологических исследованиях, 5-10 % отбирают для последующих лабораторных анализов.

Для инженерно-геологических работ обязателен отбор монолитов, т.е. образцов с сохранением их слоев связных дисперсных пород (глина, суглинки), в которых кроме структуры необходимо сохранить природную влажность. Монолиты немедленно парафинируют для сохранения их естественной влажности, т. е. обматывают слоем марли, пропитанной парафиногудронной смесью, подогретой до 60-65°С. Монолиты предохраняют от сотрясения и промерзания и хранят не более 1,5 месяцев.

Помимо монолитов, отбирают образцы нарушенной структуры и образцы рыхлых пород. Вес каждой такой пробы составляет до 0,5кг.

Пробы подземной воды берут из каждого водоносного горизонта в количестве от 0,5 до 2л. количество отбираемой пробы зависит от вида химического анализа и степени минерализации воды. Вода набирается в емкость и тщательно закупоривается.

Районы, где наблюдается большое количество обнажений, называют открытыми, при отсутствии их - закрытыми. В закрытых районах геологическое строение изучают с помощью разведочных выработок. Выработки документируются. Одновременно из них отбирают пробы образцов пород для лабораторных исследований.

При инженерно-геологической съемке изучают гидрогеологические условия для выяснения обводненности пород, глубины залегания подземных вод, их режима и химического состава; выявляют геологические явления и процессы, которые могут вредно отразиться на устойчивости и нормальной эксплуатации зданий и сооружений, изучают опыт строительства на данной территории, определяют физико-механические свойства пород полевыми методами, а также в специальных полевых лабораториях.

В процессе инженерно-геологической съемки производят поиски месторождений естественных строительных материалов.

На основе полученных данных составляют инженерно-геологическую карту района строительства. Это дает возможность произвести инженерно-геологическое районирование территории и выделить участки, наиболее пригодные под строительство крупных объектов.

Буровые и горнопроходческие разведочные работы являются существенной частью инженерно-геологических и гидрогеологических полевых исследований. С помощью буровых скважин и горных выработок выясняют геологическое строение и гидрогеологические условия строительной площадки на необходимую глубину, отбирают пробы грунтов и подземных вод, проводят опытные работы и стационарные наблюдения.

К главнейшим разведочным выработкам относят расчистки, канавы, штольни, шурфы и боровые скважины. При инженерно-геологических работах наиболее часто используют шурфы и буровые скважины.

Расчистки, канавы и штольни относят к горизонтальным выработкам. Их целесообразно применять на участках, сложенных крутопадающими слоями. При слабонаклонном и горизонтальном залегании слоев следует проходить шурфы и буровые скважины.

Расчистки-выработки, применяемые для снятия слоя рыхлого делювия или элювия с наклонных поверхностей естественных обнажений горных пород.

Канавы (траншеи) - узкие (до 0,8м) и неглубокие (до 2м) выработки, выполняемые вручную или с помощью техники с целью обнажения коренных пород, лежащих под наносами.

Штольни - подземные горизонтальные выработки, закладываемые на склонах рельефа и вскрывающие толщи горных пород в глубине массива. Стены штольни, как правило, крепятся, если их проходят в нескальных породах.

Геофизические методы исследования обычно сопутствуют разведочным работам и в ряде случаев позволяют значительно сократить объем шурфования и бурения. В большинстве случаев они применяются параллельно с другими исследованиями. С их помощью можно изучать физические и химические свойства пород и подземных вод, условия залегания, движение подземных вод, физико-геологические и инженерно-геологические явления и процессы.

В практике инженерно-геофизических изысканий основное место занимают электрометрия и сейсмометрия.

Сейсмические методы основаны на различии в скоростях распространения упругих колебаний, возникающих как от естественных причин, так и от специально проводимых взрывов. В последнее время в инженерно-геологических работах используют одноканальные микросейсмические установки. С их помощью можно установить глубину залегания скальных пород под наносами, выявить дно речных долин, карстовые полости, уровень грунтовых вод, мощность талых пород в вечной мерзлоте и т. д.

В сложных сейсмических условиях этот метод недостаточно точен.

Электроразведка основана на исследовании искусственно создаваемого в массивах пород электрического поля. Каждая порода, в том числе сухие и насыщенные водой, характеризуются своим удельным электрическим сопротивлением. Чем больше разнятся эти удельные сопротивления между собой, тем точнее результаты электроразведки для данной строительной площадки.

Наибольшее применение при инженерно-геологических исследованиях нашли электропрофилирование и вертикальное электрозондирование (ВЭЗ).

При электропрофилировании на исследуемом участке забивают в грунт серию створов и на каждом из них измеряют сопротивление пород путем перемещения прибора с фиксированным положением электродов. Это дает сведения об изменении на участке удельного сопротивления, что может быть связано, в частности, с наличием пустот карстового происхождения.

Вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) позволяет определять глубину залегания коренных пород и уровень подземных вод, дна речных долин, выделять слои различного литологического cоставa, в том числе водопроницаемые и водоупорные пласты и т.д. Сущность этого метода заключается в том, что по мере увеличения расстояния между питающими электродами линии токов перемещаются в глубину. Глубина электрического зондирования зависит от расстояния между точками и составляет в среднем 1/3 этого расстояния. Измеряя силу тока между питающими электродами разность потенциалов между приемными электродами можно найти значения электрического сопротивления пород. По этим данным, например, можно уже построить геологический разрез.

Геологические карты и разрезы. После окончания работ по инженерно-геологической съемке и проходке буровых скважин и горнопроходческих выработок создаются геологические карты и разрезы, которые являются важнейшей и обязательной геологической документацией при решении вопросов строительства. Карты составляются в основном для больших площадей, где намечается крупное строительство. Разрезы создаются во всех без исключения случаях строительства.

Контрольные вопросы:

1. Как форма залегания слоев горных пород может повлиять на работоспособность инженерного сооружения?

2. Какие геофизические методы исследования инженерно-геологических условий вы знаете?

3. Что собой представляет инженерно-геологическая съемка?

4. Этапы инженерно-геологических работ.

5. Какова цель инженерно-геологических исследований?