2.5 Полевые геотехнические исследования

Среди полевых методов в практике изысканий используется наиболее надежные прямые метода определения прочности, сжимаемости и водопроницаемости грунтов, моделирующие работу массива или сооружений. Это обычно дорогие, трудоемкие и длительные традиционные испытания грунтов сдвиговые, штамповые, опытное замачивание котлованов, проб­ная забивка сваи, откачки, нагнетания и др.

Особую роль в настоящее время приобретают экспресс-методы, позволяющие быстро и дешево изучать свойства грунтов. Они развиваются, во-первых, на базе других методов за счет их механизации и автомати­зации, а также разработки ускоренных методик испытаний. Во-вторых, большая их часть развивается за счет косвенных методов. С помощью последних изучаются параметры грунтов, которые не являются расчетны­ми или основными характеристиками грунтов, но могут быть с ними связаны тарировочными зависимостями. Из экспресс-методов наибольшее распространение получили зондировочные исследования грунтов, а также геофизические, основанные на сейсморазведочных, электроразведочных и радиоизотопных методах.

Изучение грунтов в натурных условиях преследует главную цель - дать оценку их физико-механических свойств в условиях естественного залегания с присущими конкретному массиву грунтов неоднородностью состава и свойств грунтов, с естественным напряженным состоянием, влажностным и температурным режимом.

2.6. Геофизические

Сейсморазведка - методы исследования земной коры, основанные на изучении искусственно возбуждаемых упругих волн. В основе сейсмических методов лежит возбуждение упругих волн при помощи специального технического комплекса – источника. Распространяясь в объеме горных пород, упругая волна попадает на границы раздела, изменяет направление и динамические свойства, образуются новые волны. На пути следования волн размещаются точки наблюдения, где при помощи сейсмоприемников определяются свойства колебательных процессов.

Электроразведка – методы, основанные на пропускании в земле с помощью пары электродов известного постоянного тока и измерении напряжения, вызванного этим током, с помощью другой пары электродов. А так же. Метод индукции заключается в следующем: под влиянием переменного электрического или магнитного поля в земле за счет явления магнитной индукции возникает электромагнитное поле. Зная точно параметры источника поля, можно измерять различные электрические и магнитные компоненты индуцированного поля, восстанавливая по ним параметры среды.

Георадиолокация - геофизический метод, основанный на излучении импульсов электромагнитных волн и регистрации сигналов, отраженных от различных объектов зондируемой среды. Прибор, в котором реализованы принципы георадиолокации, называется георадаром. Основные его элементы — импульсный генератор с передающей антенной, приемная антенна и блок управления.

2.7. Полевые испытания грунтов

Полевые испытания грунтов предназначены для получения физико-механических свойств грунтов непосредственно на месте строительной площадки, при этом снижается погрешность, и полученные результаты не нуждаются в завышении.

К полевым испытаниям относятся:

Испытание грунтов статическими нагрузками (испытания штампами)

Испытание грунтов методом зондирования

2.7.1 Испытание грунтов статическими нагрузками.

Во время строительства здания и после ввода его в эксплуатацию песчанистые и глинистые грунты под его основанием уплотняются под действующей на них статической нагрузки от постройки. Такие уплотнения грунта могут быть значительными и должны учитываться на стадии проектирования объекта. Количественной характеристикой сжимаемости грунтов считают модуль общей деформации E₀ (МПа), или модуль деформации. Наиболее точный способ определения несущей способности грунтов в полевых условиях – испытания штампами.

Сущность метода испытания штампом заключается в натурном моделировании процесса уплотнения достаточно большого объёма грунта (по сравнению с лабораторной пробой) под нагрузкой, сопоставимой с нагрузкой проектируемого здания. Испытанию подвергаются, как правило, крупнообломочные, песчаные и глинистые породы.

Рис.4.1

1. штамп, 2- гидравлический домкрат, 3- индикаторная установка, 4- продольная упорная балка, 5- винтовые анкерные сваи, 6-используемый грунт

индикаторная установка -мисура для измерения деформаций

Существуют разные конструкции установок, позволяющие выполнять штамповые испытания. Схема наиболее распространённой установки испытания грунтов статическими нагрузками представлена на рисунке 4.1 .

Штампы выполняются в шурфах с минимальным сечением 1.5x1.5 м, в буровых скважинных диаметром 325 мм, в дудках диаметром 0.9 м, в шахтах, штольнях, в котлованах. При испытаниях на глубинах до 6 м и низком уровне грунтовых вод предпочтение отдаётся шурфам; при проведении опыта на глубине от 6 до 20 м. Если уровень грунтовых вод находится выше точки испытаний штампом, то опыт выполняют в скважине.

 

Рис 4.2

2.7.2 Испытание грунтов методом зондирования.

Метод динамического зондирования как полевой метод исследования грунтов основан на определении их сопротивления внедрению зонда под действием динамической нагрузки. Динамическое зондирование входит в состав инженерно-геологических изысканий и служит для определения:

расчленение разреза песчано-глинистых грунтов на слои и линзы;

ориентировочная оценка физико-механических свойств грунтов (для промышленно-гражданских сооружений III-IV класса капитальности физико-механические характе­ристики могут являться расчетными, для сооружений 1,11 класса получаемые показатели уточняются лабораторными и полевыми опытными работами);

выбор мест расположения опытных площадок и отбора образцов грунтов для уточ­нения их физико-механических свойств путем лабораторных исследований, штамповых и др. опытов в поле.

По результатам динамического зондирования вычисляют условное динамическое сопротивление грунта Р_Д, МПа (кгс/см²) погружению стандартного зонда.

При испытаниях грунтов динамическим зондированием применяют установки, состоящие из зонда (извлекаемого или неизвлекаемого), ударного устройства, опорной рамы и измерительного устройства.

Динамическое зондирование выполняют с помощью установок динамического зондирования, которые подразделяются на три типа по величине Р_Д.

Динамическое зондирование выполняют последовательно забивая свободно падающим молотом зонд в грунт, одновременно ведётся замер осадок зонда после нанесения нескольких ударов. Число таких ударов (n) называемых залогом , зависит от грунта и выбирается в диапазоне 1¸20. Для рыхлых песчано-глинистых пород оно не превышает 5.

Динамическое зондирование прекращают когда достигнута заданная глубина или когда погружение зонда незначительно (меньшее 2¸3 см за десять ударов). Перерывы в зондировании допускаются только для добавления штанг. По окончании зондирования либо извлекают из грунта весь инструмент (комплект ударных штанг с зондом), либо только комплект штанг в зависимости от применяемой конструкции зонда.

Метод динамического зондирования широко используется при проведении инженер­но-геологических изысканий под жилищное и промышленное строительство, строитель­ство дорог, возведение ЛЭП, газо- и нефтепроводов и т.д. Из-за простоты конструкций зондировочных установок, их небольшой массы, удобства в обслуживании (бригада из двух человек) этот метод широко применяется как в России, так и за рубежом.

Динамическое зондирование значительно сокращает стоимость изысканий и срок проведения полевых работ, так как зондировочные испытания выполняется гораздо быст­рее и стоимость их значительно ниже буровых и горнопроходческих работ, лабораторных исследований и других опытных испытаний грунтов. Так, геологический разрез глубиной 10 - 20 м получается в 2-3 разе быстрее, чем с помощью данных бурения, а его стоимость в 3-4 раза дешевле.

Рис.6 Конический наконечник

2.7.3 Определение коэффициента фильтрации грунтов опытными наливами в шурфы

Опытно-фильтрационные исследования

Опытно-фильтрационные работы в процессе проведения инженерно-геологических изысканий для строительства проводятся с целью определения гидрогеодинамических параметров водоносных горизонтов, таких как коэффициенты фильтрации и водопроводимости. Это необходимо для проектирования дренажных систем и построения достоверных прогнозных гидрогеологических моделей.

Среди полевых методов изучения грунтов опытно-фильтрационные за­нимают одно из важнейших мест. Они предназначены для определения во­допроницаемости грунтов, которая характеризуется коэффициентом фильт­рации. Коэффициент фильтрации используется при гидрогеологических расчетах фильтрационных потерь из каналов и водохранилищ, притока воды в строительные выработки, кривых подпора, фильтрационного дав­ления на сооружения, запасов подземных вод и т.д.

Определение коэффициента фильтрации методом Нестерова

Для определения коэффициента фильтрами неводонасыщенных грунтов, т.е. грунтов, залегающих в зоне аэрации, используется метод налива воды в шурф.

Сущность метода заключается в создания вертикального фильтраци­онного потока, просачивающегося через сухой грунт вниз от дна шурфа, измерении площади сечений потока, расхода и гидравлического уклона, т.е. всех параметров закона Дарси кроме k_ф.

закон Дарси Q=k_ф*ω*J

Условия движения воды в зоне аэрации существенно отличается от условия ее движения в водонасыщенных грунтах. Вода, поступающая в шурф, впитывается в сухой грунт и движется в нём не только под дей­ствием сил тяжести направленных вниз, но и капиллярных сил, которые могут действовать во всех направлениях. Благодаря действию этих сил вода, просачиваясь из шурфа в сухой грунт, растекается, образуя ув­лажненную зону (фигура увлажнения), форма которой изменяется во вре­мени, вытягиваясь вниз ( рис4.5)

Рис. 7. Схема наливов воды в шурф

а - различные интервалы времени: 1-t₁, 2- t₂, 3- t₃

б – линии тока воды при её инфильтрации из шурфа

По мере увеличения глубины промачивания темп изменения фи­гуры увлажнения замедляется, и расход воды на инфильтрацию из шурфа стабилизируется. Однако даже при постоянном расходе ли­нии токов инфильтрационного по­тока не параллельны между со­бой, т.е. площадь горизонталь­ного сечения потока, а значит и его скорость меняются с глу­биной. Влияние растекания ог­раничивают специальной схемой опытных установок или учитыва­ют в расчетных формулах. Таким образам, существующие методы позволяют установить величину коэффициента фильтрации только приблизительно, но с точностью вполне приемлемой для практиче­ских целей.

При инженерных изысканиях используются методы наливов, разрабо­танные А.К.Болдыревым, Н.К.Гиринским, Н.С.Нестеровым, Н.Н.Биндеманом, Н.Н.Веригиным.

Рис. Установка в натуре

1)Большое кольцо 2)Малое кольцо R=146мм 3)Крышка 4)Кольцо для пробы песчаного грунта 5)Мерный сосуд V=0,5л 6) Емкость с водой.

Порядок выполнения работы.

1. Зачищаем площадку.

2. Помещаем кольцо до определенной глубины (риски на

кольце).

3. Устанавливаем внутри кольца спичку с острой головкой, относительно которой будем мерить уровень воды .

4. Заполняем кольцо водой и поддерживаем определенный

напор Н, дополняя постоянно из мерной емкости 0,5 л, при

этом фиксируется время t, за которое вливается вода из

мерной емкости. Опыт проделываем до тех пор, пока в

опыте n и в опыте (n-1) не будут примерно равные значения.

Таблица 1

№ отсчё­та	Время замера, t	Время замера, Δt(с)	Поглощён­ный объём воды, V(л)	Расход ΔQ (л/мин)	Расход ΔQ (см3/мин)
0	10ч35мин	0	-	-	-
1	10ч36мин	92	0,1	0,065	65
2	10ч38мин	96	0,1	0,0625	62,5
3	10ч40мин	120	0,1	0,05	50
4	10ч42мин	140	0,1	0,042	42
5	10ч45мин	161	0,1	0,037	37
6	10ч49мин	235	0,1	0,025	25
7	10ч53мин	240	0,1	0,025	25
8	10ч57мин	250	0,1	0,024	24

k_ф = Q_уст /ω*J

ω=пR^2, R = 7,3см , J =1

Получаем, что ω =167,3 см²

k_ф=24/167,3*1=0,14см\мин=0,01м\сут

2.7.4 Определение классификационных характеристик песчаного грунта режущего кольца.

Плотность и угла внутреннего трения в естественном состоянии определяется на образце ,взятом из грунта .В песчаном грунте задавливаем кольцо. Размер 0,06х0,075.Вынимаем вместе с песком. Песок срезаем по двум основаниям цилиндра. Вес песка в цилиндре в естественном состоянии(грамм) - ρ=m/V.

Далее определим влажность нашего песка:

W=(mв-mс)/ mс W=(93,007-87,17)/87,17-22,36 =0,08

Положим грунт в бюкс №283 и взвесим его. Вес влажного песка =93,007

После высушивания mс=87,17

Табличное значение ρ_s =2,65,отсюда мы найдем ряд характеристик:

ρd=ρ/(1+W)=20/8*(1+0,08)=1868 кг/м³ –плотность сухого грунта.

ρ=m/V =1,615/0,0008=2,018 кг/м³ – плотность грунта в естественном состоянии.

N=1- ρ_d/ρ_s=1-0,7=0,3 –пористость

L= (ρ_s- ρd)/ ρd =(2660-1868)/1868 =0,42 -коэффициент пористости.

Гл.3. Камеральные работы.

Камеральные работы – это обработка всех результатов изысканий, составление отчета. Выводов и рекомендаций. Отчет об изысканиях содержит геологические разрезы по данным бурения, зондирования и геофизических исследований, а также таблицы классификационных и расчетных показателей свойств грунтов и пояснительная записка.  В пояснительной записке кратко описан рельеф, геологическое строение, подземные воды и геологические процессы на исследованной территории или площадке. В заключение пояснительной записки дана оценка сложности инженерно-геологических условий. В заключение приводятся рекомендации по использованию площадки, рекомендуют тип фундамента, мероприятия по борьбе с геологическими процессами, указывают необходимость гидроизоляции, дренажей и коррозионной защиты сооружений.