Глава 2. Методы инженерно-геологических исследований

Инженерно-геологическая съемка заключается в визуальных и инструментальных натурных исследованиях, измерении, описании и нанесении на карту района работ всех природных и искусственных факторов, определяющих инженерно-геологические условия. Помимо изучения инженерно-геологических условий дается предварительная оценка месторождений строительных материалов. Масштаб съемки определяет ее детальность: при масштабе 1:100000 выполняется 1 точка наблюдений на 1км маршрута, а при масштабе 1:10000 – 10 точек наблюдений. Среднемасштабные съемки (масштабов 1:200000, 1:100000) ведутся на первых стадиях проектирования, а крупномасштабные (1:50000, 1:25000, 1:10000), как правило, – на стадии технического проекта.

При инженерно-геологической съемке уточняется стратиграфия и генезис пород района, исследуется тектоника и трещиноватость. Изучаются геоморфология района и участка работ (строительной площадки), гидрогеологические условия, физико-геологические явления (устанавливаются их условия и причины, прогнозируются возможности их возникновения).

По результатам инженерно-геологической съемки выявляются закономерности пространственного размещения геологических тел (массивов), выделяются участки, наиболее благоприятные для строительства, составляются карты различного назначения (геологическая, гидрогеологическая, геоморфологическая, инженерно-геологическая и др.).

Разведочные работы производят с целью геологического изучения территории, изучения гидрогеологических условий, отбора образцов горных пород для лабораторных исследований, проведения опытных работ.

При проведении разведочных работ проходятся буровые скважины и горные выработки (шурфы, канавы, расчистки и др.).

При инженерно-геологических исследованиях на участках строительства особо ответственных сооружений проходятся скважины большого диаметра (800-1300мм), а иногда – штольни или шахты. Например, при разведочных работах на участке строительства Саяно-Шушенской ГЭС, были пройдены штольни в береговых массивах горных пород и смотровые скважины диаметром 1300мм для исследования трещиноватости горных пород основания плотины.

Из горных выработок, скважин, а также из естественных обнажений горных пород отбирают образцы с естественной структурой и влажностью, консервируют, упаковывают и направляют в лабораторию для испытаний.

Опытные работы по определению фильтрационных свойств горных пород проводятся несколькими методами: опытные откачки, нагнетания в скважины, наливы в шурфы и скважины.

Метод опытных откачек состоит в откачке воды из скважины, сопровождающийся систематическими наблюдениями за дебитом скважины и уровнем воды в ней. Опытные откачки делятся на одиночные и кустовые. При одиночной откачке наблюдения ведутся в той же скважине, из которой производится откачка воды.

Опытные нагнетания проводятся в тех случаях, когда нужно определить проницаемость трещиноватых пород. При нагнетании определенный интервал скважины каким-либо образом отделяется от остальной ее части и в этот интервал подается вода. По способности породы, вскрытой скважиной в этом интервале, поглощать воду судят о ее проницаемости.

Водопроницаемость сухих пород может быть определена методом налива. Чаще всего наливы производят по методу А.К. Болдырева, подробно описанному выше.

Для обоснования проектируемого сооружения иногда необходимо определять характеристики сжимаемости песчаных и глинистых пород в полевых условиях, то есть деформационные и прочностные свойства горных пород. Наиболее распространен метод опытных нагрузок в шурфах и скважинах. Он заключается в том, что с помощью различных приспособлений создается нагрузка на специальный штамп, установленный на дне шурфа или на забое скважины. При этом измеряется деформация пород под штампом.

Физико-механические свойства грунтов определяют методом зондирования (пенетрации) – вдавливанием зонда в породу. Различается статическое зондирование – вдавливание зонда домкратами и динамическое зондирование – забивка зонда.

Прочность скальных пород обычно определяется в лаборатории, но иногда, на особо ответственных сооружениях, и при сложных инженерно-геологических условиях, и в полевых условиях. Применяют методы обрушения, раздавливания целика породы, и изредка – метод сдвига целика скальной породы или сдвига бетонного монолита по плоскости «бетон – скала».

Наиболее распространенными геофизическими методами при инженерно-геологических исследованиях являются методы электрической разведки. Они основаны на различиях горных пород по электрическим свойствам, в первую очередь – по сопротивлению. Существуют методы: вертикального электрического зондирования, электрического профилирования и электрокаротажа в скважинах.

Вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) применяется для изучения разреза пород по изменению величины кажущегося удельного сопротивления с глубиной (см. рис. 8.1). Если измерять ток I между питающими электродами А и В и разность потенциалов ΔV между приемными электродами М и N, то сопротивление геоэлектрического разреза S может быть подсчитано по формуле , где К – коэффициент установки, учитывающий расстояния между электродами.

Рис. 8.1. Схема установки для электроразведки и обозначения расстояний между электродами.

Метод основан на том, что с увеличением расстояния между питающими электродами (разносов), поле токовых линий смещается вниз по разрезу пород, захватывая все более глубоко лежащие слои. Обычно считается, что глубина разведки равна ⅓ величины разноса (см. рис. 8.2).

Электропрофилирование (ЭП), в отличие от ВЭЗ, заключается в том, что установка передвигается по какому-либо профилю, а расстояние между электродами (разнос) и, следовательно, глубина исследования остаются постоянными.

Электрический каротаж применяется при бурении скважин. Принципиально установка для каротажа не отличается от установки, используемой для ВЭЗ или электропрофилирования. Питающие и приемные электроды смонтированы на каротажном зонде, который опускается в скважину (см. рис. 8.3).

Рис.8.2. Увеличение глубины исследований при изменении расстояний между питающими электродами.

Рис. 8.3. Схема установки для каротажа скважин.

Кроме методов электрической разведки при инженерно-геологических изысканиях широко используется метод сейсмической разведки. Он основан на разнице в скорости продольных и поперечных волн в разных породах. Упругие колебания пород возбуждают ударами.

В последнее время при инженерно-геологических исследованиях широко используют ядерно-физические методы, в частности – метод поглощения γ-излучения, нейтронный метод, радиоактивный каротаж скважин.

При лабораторных исследованиях экспериментально определяют: гранулометрический состав грунта; физические характеристики (объемную массу, плотность, природную влажность, влажности на границах пластичности, набухание, размокаемость, коэффициент фильтрации); механические характеристики (угол внутреннего трения, сцепление, сжимаемость). При необходимости проводятся минералого-петрографические исследования. Остальные характеристики вычисляют по формулам.

Результаты лабораторных исследований совместно с материалами полевых инженерно-геологических исследований (изысканий) подвергаются камеральной обработке. В результате камеральной обработки составляется отчет об инженерно-геологических исследованиях.