3.4. Полевые опытные работы при инженерно-геологических исследованиях

Назначение и состав полевых опытных работ. Для проектирования различных сооружений и инженерных работ, оценки устойчивости территорий и для прогноза угрожаемости развития геологических процессов и явлений всегда необходимы данные, характеризующие физические, водные и механические свойства горных пород и параметры водоносных горизонтов.

Эти данныех сравнительно легко получают при выполнении соответствующих лабораторных исследований образцов (проб), отобранных при инженерно - геологической съемке территорий, и главным образом при выполнении разведочных работ.

Однако лабораторные исследования обычно выполняются на образцах малых размеров, полную сохранность естественного сложения которых никогда нельзя гарантиро­вать. Поэтому получаемые лабораторные данные, особенно для обоснования технического и рабочего проектов ответственных сооружений, необходимо проверять и уточнять более надежными полевыми методами. Кроме того, во многих случаях отобрать про­бы горных пород естественного сложения вообще бывает невоз­можно.

Так, например, современными техническими средствами не представляется возможным отобрать пробы естественного сло­жения из мягких связных глинистых пород неустойчивой текучей консистенции, из несвязных песчано-гравелистых пород рыхлого сложения, из водоносных песков-плывунов, из трещиноватых скальных и сильно трещиноватых полускальных пород и некото­рых других.

Все это вызывает необходимость выполнять специаль­ные полевые исследования горных пород и водоносных горизонтов в условиях их естественного залегания на опытных участках с по­мощью крупномасштабных приборов и установок.

Следовательно, полевые опытные работы выполняются с целью получения более достоверных и надежных данных, характеризующих физико-механические свойства горных пород и водные свой­ства водоносных горизонтов. Только на основе таких данных можно при проектировании сооружений принимать оптимальные и эконо­мически наиболее выгодные инженерные решения и гарантировать строительство и устойчивость сооружений от возможных геологических неожиданностей.

Необходимость в выполнении полевых опытных работ дик­туется также и тем, что только в результате их выполнения можно получить многие исходные данные о свойствах горных пород, водо­носных горизонтов и об условиях производства строительных и горных работ. Например, надежные данные для расчета свайных фундаментов, оценки устойчивости сооружений на скальных и от­части полускальных горных породах, для проектирования противофильтрационных завес и многих других видов искусственного улучшения свойств горных пород.

К ним относятся данные о водообильности водоносных горизонтов, удельном дебите скважин удельном водопоглощении горных пород, зависимости прочности и деформируемости горных пород от их физического состояния, зависимости водопроницаемости горных пород от степени их трещиноватости и закарстованности и др. Наконец, только с помощью полевых опытных работ можно выявлять важные закономерности, определяющие те или иные изменения свойств горных пород или развитие геологических процессов.

Таким образом, полевые опытные работы являются важнейшим видом инженерных изысканий. Переоценить их значение при ре­шении различных инженерных задач невозможно. Они позволяют:

• получать наиболее надежные и достоверные количественные ха­рактеристики свойств горных пород и водоносных горизонтов в условиях естественного сложения и залегания;

• исследовать свойства слабых, неустойчивых, водоносных горных пород, изуче­ние которых другими методами невозможно;

• выявлять важные закономерности изменений свойств горных пород и развития геоло­гических процессов;

• определять исходные параметры для проек­тирования организации производства отдельных видов строитель­ных работ.

В практике инженерно-геологических изысканий полевые опытные работы наиболее часто выполняют для исследования:

• направления и скорости движения подземных вод методами запуска индикаторов, электрометрическим, заряженного тела и др.;

• водообильности водоносных горизонтов и дебита скважин, ко­лодцев и других водозаборов методом опытных откачек;

• водопро­ницаемости горных пород методом опытных откачек;

• взаимо­связи между водозаборами и водоносными горизонтами методом опытных откачек;

• водопроницаемости горных пород методом налива в шурфы и скважины;

• водопроницаемости, трещиноватости и закарстованности горных пород методом опытных нагне­таний;

• сравнительной сжимаемости и деформационных свойств горных пород методом пробных нагрузок;

• деформационных свойств горных пород в скважинах с применением прессиометра;

• просадочности лёссовых пород методом пробных нагрузок;

• сопротивления горных пород сдвигу по методу плоского сдвига;

• сопротивления горных пород сдвигу в скважинах с применением лопастных приборов;

• сопротивления горных пород сдвигу методом выдавливания и раздавливания целиков горных пород;

• плотности и прочности горных пород методом статического зондирования;

• плотности и прочности горных пород методом динамического зондирования;

• напряженного состояния горных пород в условиях естественного залегания методом разгрузки;

• горного давления в подземных выработках;

• устойчивости горных пород в опытных котлованах и горных выработках;

• скорости выветривания горных пород на опытных площадках;

• параметров, характеризующих условия цементации горных пород методом опытной цементации.

Первые четыре вида исследований производятся для характеристики водоносных горизонтов, зон и комплексов, все остальные для изучения физического состояния и определенных свойств горных пород.

Некоторые виды геофизических работ, по существу, также являются полевыми опытными, широко применяемыми при инженерно-геологических исследованиях.

Например, определение плотности и влажности горных пород ядерными методами, исследование деформационных свойств горных пород сейсмическими и микросейсмическими методами и др.

При решении тех или иных конкретных инженерных задач в зависимости от особенностей геологических условий могут применяться и другие, новые виды полевых опытных работ, внедрение которых надо всячески поддерживать. Из сказанного следует, что значение полевых опытных работ огромно, но из этого совершенно не следует делать вывод о том, что можно пренебрегать данными лабораторных исследований физико - механических свойств горных пород и что их значение мало при решении инженерных задач.

Данные лабораторных исследований также имеют большое значение на всех стадиях инженерных изы­сканий. При ла­бораторных исследованиях можно получать массовые определения свойств горных пород, причем стоимость их несопоставимо мала по сравнению со стоимостью выполнения полевых опытных работ.

Особенно большое значение лабораторные исследования имеют для оценки свойств мягких (связных) глинистых пород и рыхлых (несвязных) песчаных и несравненно меньшее для оценки свойств твердых (скальных) и полутвердых (полускальных) пород. При рациональной организации инженерных изысканий, особенно на стадии детальных исследований при обосновании проектов от­ветственных сооружений, полевыми опытными работами следует сопровождать массовые лабораторные исследования с целью их проверки и уточнения.

Положение полевых опытных работ в общем комплексе геологических работ при инженерных изысканиях. Полевые опытные работы нельзя выполнять изолированно от дру­гих видов геологических работ. Если инженерно-геологи­ческая съемка, выполняемая преимущественно на начальных стадиях изысканий, и разведочные работы, выполняемые на последу­ющих стадиях, позволяют получать представления об инженерно-геологических условиях территории или строительной площадки со степенью детальности, соответствующей стадии изысканий, то полевые опытные работы дают возможность уточнять эти предста­вления и давать количественную оценку основных элементов инже­нерно-геологических условий, т.е. свойств горных пород, водонос­ных горизонтов, геологических процессов и др.

Установленные съемкой и разведкой закономерности неодно­родности и изменчивости инженерно-геологических условий тер­риторий подтверждаются и уточняются полевыми опытными ра­ботами. Таким образом последовательно повышаются достовер­ность и детальность изучения инженерно-геологических условий рассматриваемой территории.

Основной объем полевых опытных работ выполняется на стадии детальных исследований, т.е. при обосно­вании технических проектов сооружений. Эти работы как бы в пол­ном объеме сопровождают разведку и позволяют давать наиболее достоверную и надежную оценку инженерно-геологических усло­вий строительства сооружений, угрожаемости геологических про­цессов и т.д. Именно на этой стадии полевые опытные работы должны служить средством для обоснованного выбора расчетных показателей свойств горных пород, водоносных горизонтов и т.д.

На стадиях рекогносцировочных и предварительных исследований эти работы выполняются, когда они необходимы для более надеж­ного технико-экономического обоснования выбора района располо­жения первоочередного объекта строительства, выбора строитель­ной площадки, трассы дороги, основных параметров проектируе­мых сооружений и т.д.

В сравнительно значительном объеме они выполняются также и на стадии дополнительных исследований при рабочем проектировании. В этот период уточняют расчетные пока­затели, организацию производства строительных работ и оценку устойчивости сооружений. Поэтому опытные работы на этой ста­дии изысканий продолжаются, но уже непосредственно на участ­ках расположения определенных сооружений, в строительных котлованах, подземных выработках и т.д.

Рациональное сочетание полевых опытных работ с другими видами геологических работ обеспечивает комплексность инженер­ных изысканий и соответственно полное решение поставленных перед ними задач.

Общие требования к организации и поста­новке полевых опытных работ. Полевые опытные работы назы­ваются так только потому, что они выполняются в полевых усло­виях на опытных участках. Выбор мест расположения этих участков обосновывается с помощью других видов геологических работ. В этом состоит взаимосвязь полевых опытных и других геологических работ.

При рациональной организации изысканий полевые опытные работы в том или ином объеме должны сопровождать другие виды геологических работ. Инженерно-геологическая съемка, разведочные и другие геологические работы позволяют выявлять закономерности распределения неоднородности и изменчивости инженерно-геологических условий, т.е. разделять рассматриваемую территорию или строительную площадку на отдельные части разного рода, геологический разрез на разного рода слои, горизонты и зоны, а также водоносные горизонты, геологические процессы явления и т.д.

Для дальнейшего изучения и оценки каждой выделенной элементарной части слоя, горизонта и т. д. выполняются специальные полевые опытные работы. При определении мест расположения опытных участков необходимо руководствоваться дирекционностью изменений свойств горных пород, водоносных горизонтов и т.д., а также планом (компоновкой) расположе­ния проектируемых сооружений.

Опытные работы позволяют наиболее полно и точно оценивать типичные, характерные условия каждой выделенной части рассма­триваемой территории или строительной площадки, а на стадии детальных исследований - участка расположения определенных сооружений. В этом случае необходимо стремиться к тому, чтобы интерполяция и экстраполяция данных, полученных в результате проведения опытов, производились на самые малые расстояния от мест расположения проектируемых сооружений.

Полевые опыты должны проводиться так, чтобы они давали возможность исследо­вать и оценивать в первую очередь наиболее слабые горизонты и слои горных пород в зоне влияния проектируемых сооружений, т. е. те, которые определяют устойчивость всей вышележащей толщи пород, проектируемого сооружения или участка терри­тории.

Вид опытных работ определяется теми задачами, которые при­ходится решать в связи с оценкой устойчивости территории при проектировании конкретного сооружения или инженерных работ.

Так как горные породы обладают некоторой изменчивостью со­става, состояния и свойств в пространстве, нельзя руко­водствоваться единичными испытаниями (опытами), их следует повторять в количествах, достаточных для получения достоверной и надежной характеристики и оценки пород. При изучении от­дельных процессов и явлений опытные работы, кроме того, надо повторять в характерные периоды режима их развития.

Основные общие требования к организации и поста­новке полевых опытных работ сводятся к следующему.

Каждый полевой опыт следует проводить для решения опре­деленной конкретной задачи, связанной с характеристикой и оцен­кой устойчивости территорий, сооружений, определенных свойств горных пород, водоносных горизонтов, условий производства строительных и горных работ.

Выбор каждого опытного участка или группы их следует производить так, чтобы получать характеристику и оценку наи­более характерной, типичной части исследуемой территории или строительной площадки. На стадии детальных и дополнительных исследований опытные работы надо выполнять на участках непо­средственного расположения сооружений с целью изучения опре­деленного слоя, горизонта или зоны горных пород, водоносного горизонта и т. д.

Необходимо знать в деталях геологический разрез - геоло­гическое строение каждого опытного участка. Пространственное положение, глубину залегания и мощность каждого слоя и гори­зонта, которые намечено исследовать полевыми методами, необхо­димо устанавливать точно, инструментально.

Виды опытных работ и методика их проведения должны максимально приближаться к условиям развития процессов и яв­лений (моделировать их) как природных, так и связанных со строи­тельством сооружений, к условиям работы горных пород под на­грузкой, режиму и динамике подземных вод и т.д.

Полевые опытные работы должны сопровождать другие виды геологических работ, и в том числе массовые лабораторные иссле­дования, с целью проверки, уточнения и количественной оценки свойств горных пород, водоносных горизонтов, для решения дру­гих конкретных задач и более надежного обоснования расчетных показателей.

Исследование водоносных горизонтов, зон и комплексов. Подземные воды, приуроченные к определенным горизонтам, зонам и комплексам горных пород, являются одним из важнейших природных элементов, определяющих инженерно-гео­логические условия территорий, строительных площадок, условия строительства сооружений и их устойчивость, развитие разнооб­разных геологических процессов и явлений и т.д.

При решении различных задач на всех стадиях инженерных изы­сканий, кроме изучения распространения, условий залегания и других данных о подземных водах, большое внимание приходится уде­лять количественной характеристике и оценке водоносных гори­зонтов, зон и гидрогеологических комплексов.

При разработке котлованов и проходке подзем­ных выработок очень важно знать, количественная оценка водообильности водонос­ных горизонтов, которые будут вскрыты. Без этого нельзя обосно­ванно выбрать водоотливные средства необходимой мощности или осуществить защиту сооружений другими способами от водопритоков и затопления.

При проектировании осушения территорий и толщ горных пород необходимо иметь данные о направлении подземного потока, водопроницаемости горных пород, радиусе влияния отдельных водозаборов и др. Эти же данные необходимы для проектирования противофильтрационных завес и осуществления мероприятий по искусственному улучшению свойств горных пород.

При оценке и прогнозе развития суффозии, явлений кольматации, соляного карста необходимы данные об истинных скоростях движения подземных вод. В общем при инженерных изысканиях почти всегда необходимо уделять большое внимание количественной характеристике и оценке водообильности водоносных горизонтов, зон и комплексов, водопроницаемости горных пород, их уровнепроводности или пьезопроводности и водоотдаче, изучению направления и скорости движения подземных вод, радиуса влияния водозаборов или водопонизительных установок, их взаимодействия, взаимосвязи водоносных горизонтов и т.д.

Определение всех этих параметров водоносных горизонтов обычно производят методами опытных откачек из одиночных скважин или на опытных, участках, состоящих из центральной опытной скважины и нескольких наблюдательных.

Применяются и некоторые другие методы, например для определения скорости движения подземных вод, методы запуска красителей, электрометрический, геофизический метод заряженного тела и др. Каждый специалист в области инженерной геологии обязан знать методы выполнения этих работ и владеть ими.

Исследование водопроницаемости горных по­род методами налива воды в шурфы и скважины. Одним из широко применяемых полевых методов исследования водопроницаемости однородных приповерхностных горизонтов (до глубины 3…5 м) песчано-гравийно-галечных и глинистых пород зоны аэрации (ненасыщенных водой), является испытание их на инфиль­трацию. Таким испытаниям могут подвергаться также скальные и полускальные породы в зоне выветривания, а теоретически – и вне ее.

Инфильтрацией принято называть явление просачивания воды в горную породу под влиянием ее собственного веса в отличие от фильтрации, т.е. движения воды в пористых водоносных горных породах. Сущность методов испытаний горных пород на инфиль­трацию состоит в следующем. В шурфе на необходимой глубине устраивают зумпф круглого сечения диаметром 35…50 см, глуби­ной 15…20 см. В неустойчивых породах стенки зумпфа крепят металлическим цилиндром высотой 20…25 см. Наливая в зумпф воду и поддерживая ее уровень постоянным (10…15 см) путем непрерывной подачи воды, наблюдают за ее расходом на просачивание - инфильтрацию в дно зумпфа. При подаче воды в зумпф не допускают размыва пород и нарушения их сложения. Под дном зумпфа образуется зона увлажнения или, точнее, практического насыщения пород, форма и размеры которой изменяются в зависимости от свойств пород и продолжительности их испытаний на инфильтрацию.

Процесс инфильтрации воды происходит в согласно закону Дарси , где V скорость движения воды, равная Q/F, м/сутки; Q - рас­ход воды, л/мин; F - площадь поперечного сечения зумпфа, м²; K_ф - коэффициент фильтрации, м/сутки; J - гидравлический градиент. При практически установившемся (мало изменяющемся) расходе воды на инфильтрацию и малой высоте слоя воды в зумпфе путь фильтрации воды l и напор Н почти одинаковы и соответственно гидравлический градиент равен единице. Поэтому коэффициент фильтрации K_ф будет равен скорости движения воды при инфиль­трации.

Метод определения водопроницаемости ненасыщенных грунтов с помощью инфильтрации воды из шурфа предложил А.К. Болдырев. Этот метод заключается в следующем. В испытуемой породе выкапывают шурф, у бровки которого устанавливают два сосуда емкостью по 10-20 л., из которых на дно шурфа по опущенной вниз трубке непрерывно подается вода. Уровень воды в шурфе все время должен оставаться постоянным – около 10 см над дном. Опыт продолжается до тех пор, пока расход воды не станет более или менее постоянным.

Затем определяют количество воды, поступающей в шурф в единицу времени, для чего по опытным данным строят кривую Q =f(t). Считая гидравлический уклон равным единице, вычисляют коэффициент фильтрации по формуле:

.

Методом Болдырева можно пользоваться в тех случаях, когда требуется определить приближенное значение коэффициента фильтрации в песчаных и трещиноватых породах, где влияние капиллярных сил незначительно.

Н.С. Нестеров усовершенствовал метод Болдырева по определению коэффициента фильтрации ненасыщенных грунтов, уменьшив влияние бокового растекания воды. При проведении опыта по методу Н.С. Нестеровав спланированное дно шурфа на глубину 5-8см, не нарушая плотности грунта, концентрически вдавливают два стальных цилиндра высотой 20 см, один несколько меньше другого по диаметру (рис. 3.2.)

Рис. 3.2. Общий вид опытной установки по методу Н.С. Нестерова:

1 – мерная линейка; 2 – бутыль; 3 – слой гравия; 4 – внутреннее кольцо; 5 – внешнее кольцо

В оба цилиндра наливают воду слоем 10 см и поддерживают на одном уровне в течение опыта с помощью двух опрокинутых сосудов Мариотта, емкостью по 3…5 л, наполненных водой. Опыт продолжается до стабилизации расхода воды.

Метод Н.С. Нестерова дает более точные результаты определения коэффициента фильтрации, чем метод А.К. Болдырева. Метод Н.С.Нестерова позволяет оценивать водопроницаемость песчаных, супесчаных и суглинистых пород с точностью, вполне при­емлемой для практических целей. Этот метод дает лучшие результаты в слабопроницаемых породах, когда преобладает вертикальная составляющая фильтрации.

Как показывают многочисленные работы многих исследователей, процесс инфильтрации воды в ненасыщен­ные водой горные породы отличается определенной сложностью. Значительное влияние на этот процесс оказывают растекание инфильтрационного потока, защемленный воздух, температура воды, глубина залегания грунтовых вод и водоупоров и др.

При инфильтрации воды в толще горных пород кроме гравитационных сил сил действуют также капиллярные, которые вызывают расширение зоны увлажнения ниже дна зумпфа. Происходит рас­текание инфильтрационного потока в стороны и вниз.

Наибольшее растекание наблюдается в глинистых породах, в которых капиллярные явления наиболее развиты; в грубозернистых породах оно меньше, так как в них капиллярные явления выра­жены слабо. Вследствие растекания воды площадь горизонталь­ного сечения инфильтрационного потока ниже дна зумпфа увели­чивается и соответственно изменяется его скорость.

С другой сто­роны, в однородных породах зона увлажнения постепенно вытя­гивается вниз, так как в этом направлении дей­ствие гравитационных и капиллярных сил сум­мируется. Все это искажает результаты определения водопроницаемости горных пород.

Значительное влияние на водопроницаемость оказывает воздух, находящийся в ненасыщен­ных водой породах. При длительной инфиль­трации он постепенно вытесняется или раство­ряется в воде, но не весь. Оставшиеся пузырьки воздуха в породе уменьшают живое сечение ин­фильтрационного потока и соответственно его расход.

Известны данные, показывающие, что если в породе 0,1 порового пространства за­нята защемленным воздухом, ее водопроницаемость уменьшается почти в 3 раза. На водопроницаемость горных пород определенное влияние оказывает вязкость воды, которая изменяется с изменением ее температуры.

Кроме того, если происходит инфильтрация холодной поверх­ностной воды в более теплую породу, то из воды выделяется рас­творимый воздух и общее содержание защемленного воздуха в по­роде увеличивается, а это снижает ее водопроницаемость.

Если толща горных пород неоднородна и те породы, которые испытываются на инфильтрацию, подстилаются менее водопроницаемыми, то инфильтрационный поток, достигнув их, растекается по их поверхности. В таких условиях инфильтрация бу­дет сдерживаться.

То же самое будет происходить, если инфильтрационный поток на своем пути встретит уровень грунтовых вод. Если под дном зумпфа неглубоко залегает слой необводненных, хорошо водопроницаемых пород, то они будут служить дреной для вышезалегающего слоя пород, и это будет усиливать расход потока.

Неоднородность толщ пород мо­жет существенно влиять на результаты исследований их водопро­ницаемости методом инфильтрации и соответственно на ее количественную оценку. Вот почему эти методы применимы только для исследований однородных пород значительной мощности (4-6 м) и при условии глубокого залегания уровня грунтовых вод (>5 м).