книги из ГПНТБ / Климов О.Д. Основы инженерных изысканий учеб. пособие

разрушения породы — шлам — удаляют из забоя (в зависимости от фи­ зико-механических свойств пород и глубины скважины) нагнетанием

вскважину глинистого раствора или продувкой сжатым воздухом;

вглинистых, песчаных, обводненных грунтах для получения добро­ качественного керна бурение может вестись «всухую».

Колонковое бурение может использоваться для проходки сква­ жин почти во всех видах грунтов и на значительные глубины. Этот способ обеспечивает получение образцов пород (керна) с естественной структурой и влажностью.

Ш н е к о в о е б у р е н и е , как и колонковое, относится к ка­ тегории вращательных способов бурения, но применяться может лишь для бурения в песчаных и глинистых грунтах. Этот способ отличается высокой производительностью, так как процесс бурения и подъем грунта происходят одновременно и непрерывно, а затраты на вспомогательные операции (спуск и подъем оборудования) мини­ мальны.

Шнековое бурение ведется шнековой колонной, сплошным (рис. 23, а) или кольцевым забоем (рис. 23, б); по мере погружения колонны она наращивается дополнительными шнеками. Глубина бурения этим способом обычно не превосходит 30 м, но бывает и 100 м (гидрогеологические скважины).

При шнековом способе бурения плохо определяются границы отдельных пластов; структура грунта, выходящего из скважины, оказывается нарушенной; затруднительно определяются горизонты грунтовых вод. В связи с этими недостатками шнековый способ целесообразно применять для проверки ранее установленного гео­ логического разреза.

Шнековый способ бурения в силу своей высокой производитель­ ности может быть успешно применен при закладке геодезических центров и реперов, особенно в условиях строительных площадок, где на сравнительно небольшой площади может располагаться много геодезических знаков.

В и б р а ц и о н н о е б у р е н и е основано на внедрении в по­ роду кольцевого наконечника — виброзонда. Виброзонд предста­ вляет собой трубу диаметром 40—200 мм, длиной 0,5—3 м; по всей длине труба имеет одну или несколько прорезей для очистки зонда от породы; нижний конец трубы снабжен кольцом с острой режущей гранью. Внедрение в грунт такого наконечника происходит благо­ даря тому, что под действием вибрации зонда в очень сильной сте­ пени ослабевает лобовое и боковое сопротивление грунта и зонд под действием собственного веса и веса вибратора погружается в грунт.

Вибробурение относится к перспективным методам, обладает высокой производительностью, может применяться при проходке глин, суглинков, супесей, песков, гравелисто-галечниковых грунтов. Выгоднейшая глубина бурения этим способом 15—20 м.

Виброметод дает возможность отобрать образцы грунта с ненару­ шенной структурой, но затрудняет фиксацию уровня подземных вод.

62

Рис. 24. Инженерно-геологическая колонка

64

и инструктивных документах. Поэтому к буровым и горнопроходче­ ским работам допускаются только лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности на данном виде работ. Лица, непосредственно ведущие работы, должны быть обеспечены спецодеждой, обувью и индивидуальными средствами защиты в зависимости от рода работ (рукавицы, очки, каски, предохранительные пояса).

Буровое оборудование должно быть исправным и исправность его должна регулярно проверяться. При буровых работах запре­ щается располагать буровую установку под линиями электропере­ дач и ближе 3 м от края крутых откосов, оставлять открытыми устья выработок; у шурфов, шахт и ям должны устраиваться огра­ ждения. В горных выработках должна устраиваться естественная или искусственная вентиляция для удаления опасных концентраций вредных газов и пыли.

При выполнении работ в необжитых районах всему коллективу должны быть сделаны профилактические прививки (против клеще­ вого энцефалита, туляремии). В зимнее время вблизи буровой уста­ новки должно быть помещение для обогрева, приема пищи, переоде­ вания. Ведение работ при температуре ниже —30° не разрешается.

Ведение буровых и горнопроходческих работ и руководство ими

ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ВЫРАБОТОК

При выполнении буровых и горнопроходческих работ необходимо знать местоположение каждой выработки. В связи с этим возникает необходимость либо переноса проекта размещения выработки с карты на местность, что бывает при инженерно-геологической съемке, либо определения всех трех координат выработок, или иначе привязки выработок к пунктам геодезического обоснования — при разведоч­ ных инженерно-геологических работах.

В зависимости от масштаба инженерно-геологической съемки перенос положения выработки с карты на местность производится

по контурам местности; при более крупных масштабах — инстру­ ментально: засечками, полярным способом, проложением теодолит­ ных и тахеометрических ходов, построением на местности специаль­ ных опорных геологических линий и сеток. Во втором случае для вычисления разбивочных элементов (углов, расстояний), необхо­ димых для производства разбивки, приходится прибегать к решению обратных геодезических задач, используя аналитические координаты ближайших геодезических пунктов и графические координаты

(снятые с карты) выработок.

Перенос положения выработки с плана на местность допускается со средней квадратической ошибкой 1—2 м относительно ближайших геодезических пунктов. Такая величина ошибки сравнительно легко

достижима при применении известных геодезических методов, и в то же время она не влияет на точность составления геологических карт и разрезов, поскольку на таких расстояниях геологическое строение практически оказывается неизменным.

При разведочных работах инженерно-геологические выработки должны быть привязаны к пунктам геодезической основы и нанесены на инженерно-геологическую карту. При этом если инженерно­

в плане — по окружающим контурам или простейшими промерами до контуров местности; по высоте — интерполированием отметок по горизонталям. Если съемка выполняется в более крупных масшта­ бах, то выработки полагается наносить на карту по их аналитическим координатам со средней квадратической ошибкой относительно бли­ жайших геодезических пунктов или пунктов геологической сетки 0,2 мм в масштабе плана. При этом, очевидно, необходимо более тщательно фиксировать положение центра выработки и обозначать его пересечением натянутых нитей или шпагата (шурфы, шахты). В более высокой точности плановой привязки выработок нет необхо­ димости.

Точность высотной привязки инженерно-геологических выра­ боток зависит от их назначения. Если, например, выработка пред­ назначена для изучения уровней и режима грунтовых вод или с целью изображения на карте гидроизогипс, то, учитывая малые величины уклонов горизонта подземных вод, обычно требуется передавать отметки на устья скважин со средней квадратической ошибкой 10— 20 мм относительно ближайших реперов, т. е. применять геометри­ ческое или геодезическое нивелирование. Если высоты передаются к выработкам, устанавливающим отметки отдельных слоев геологи­ ческого разреза, необходимых для установления отметки заложения фундамента сооружения, то допустимой может считаться средняя квадратическая ошибка 5 см по отношению к ближайшим реперам высотной основы. Еще более свободными оказываются требования (по высоте) при передаче отметок к геологическим скважинам, пред­ назначенным для определения объема залежи полезного ископаемого (рудного тела или строительного материала). В этом случае средняя квадратическая ошибка в передаче отметки на устье скважины может допускаться 0,5; 1 м и более, в зависимости от расстояния между разведочными выработками.

При инженерно-геологических изысканиях все большее приме­ нение находят геофизические методы исследования грунтов, в част­ ности электроразведка, сейсморазведка, магнитная разведка, гра­ виметрическая разведка.

§ 24. ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКА

Геофизические методы используют для изучения строения Земли, для поисков и разведки полезных ископаемых, для геологического картирования, при инженерно-геологических изысканиях различ­

66

ных сооружений. Эти методы позволяют определить и разделить напластования скальных глинистых и сыпучих пород, обнаружить карстовые полости и плоскости скольжения оползней, установить трещиноватость пород и уровень грунтовых вод, глубину залегания вечной мерзлоты и многое другое. В сочетании с разведочными рабо­ тами геофизические методы позволяют значительно сократить объем буровых и горнопроходческих работ и уточнить геологический раз­

рез (рис. 26).

Э л е к т р о р а з в е д к а основывается на изучении условий прохождения электрического тока в различных грунтах. При этом используются либо естественные, либо искусственные электрические

поля.

Постоянные естественные элек­ трические поля возникают в грун­ тах в силу естественных природ­ ных процессов, поскольку грунт с содержащимися в нем минера-

лами и солевыми растворами является электролитическим источни­ ком тока. Переменные естественные электрические поля возбужда­

ются в грунтах Солнцем.

Искусственные электрические поля создаются пропусканием постоянного или переменного тока через два забитых в грунт зазе­ мления. Если в точке А (рис. 27) заземлен один питающий электрод, а в точке В — другой, то в точке М возникнут два противоположных

Рассуждая аналогично, можно для точки N записать

дами и измеренной разности Дн потенциалов можно найти удельное

Удельное электрическое сопротивление грунтов зависит от лито­ логического состава, структуры, степени пористости и трещинова­ тости, от содержания в порах воды и ее минерализации. Удельное сопротивление грунтов колеблется в довольно широких пределах, например, у известняков оно равно 500—1000 ом-м, у глин — 5— 60 ом-м.

Если измерения ведутся в однородной среде (грунте), то получен­ ное сопротивление получается истинным. В реальных условиях при­ ходится иметь дело с грунтами неоднородными, сложной конфигу­ рации. Измеряемое сопротивление оказывается отличным от истин­ ного; такое сопротивление называют кажущимся рк.

Для интерпретации результатов сравнивают характер получен­ ных кривых изменения рк с характером кривых р'к, рассчитанных теоретически. На основе этого сравнения можно установить гра­ ницы и форму отдельных геологических объектов, если они имеют заметно разные электрические сопротивления. К сожалению, реше­ ние такой задачи часто оказывается неоднозначным в силу того, что удельное сопротивление одних и тех же пород подвержено зна­ чительным колебаниям в зависимости не столько от минерального состава, сколько от степени обводненности и солевого состава нахо­ дящихся в грунте вод.

Существует несколько методов электроразведки. Рассмотрим наиболее часто применяемый при инженерных изысканиях — метод сопротивлений.

В состав установки, показанной на рис. 28, входят следующие элементы: А и В — питающие электроды — металлические штыри,

68

забиваемые в грунт и подключенные к батарее сухих элементов; М и N — приемные электроды с включенным в их цепь потенциомет­ ром Дк; О — центр зондирования. Расстояние между точками А и В называют разносом электродов. При включенной установке большая часть тока, идущего от электрода А к электроду В , располагается в верхней части разреза; практически считается, что по методу со­ противлений можно выявить объекты, находящиеся на глубине не более 1/3 AB. Поэтому для пропускания тока через более глубоколежащие слои грунта необходимо увеличивать разнос электродов.

Впроизводственных условиях метод сопротивлений применяется

вдвух вариантах: как метод вертикального электрозондирования (ВЭЗ) и как метод электропрофилирования.

М

Рис. 28. Схема установки при приме­ нении метода сопротивлений

Метод ВЭЗ заключается в определении рк при последовательно увеличиваемых разносах (а следовательно, и увеличивающейся глубине проникновения тока) питающих электродов А, В и неизмен­ ном положении центра зондирования О. На основании этих измере­ ний можно построить кривую ВЭЗ, как функцию разноса AB (точ­

нее — полуразноса ~ ~ ). Например, для двухслойного горизонталь­

ного разреза, у которого рх с р 2, кривая ВЭЗ будет иметь вид, показанный на рис. 29.

При малых разносах рк = рх, на графике это участок прямой; по мере увеличения разноса ток начинает проникать во второй пласт пород и рк постепенно растет, пока не достигает р 2; влияние верхнего пласта при этом мало сказывается. Полученную таким образом кривую ВЭЗ сравнивают с теоретическими кривыми и, подобрав наиболее подходящую, дают инженерно-геологическую интерпре­ тацию разрезу. При наличии двухслойного разреза геологическая интерпретация делается достаточно уверенно, если же разрез много­ слойный, задача существенно усложняется и теряет однозначность, т. е. вступает в силу принцип эквивалентности, когда над различными

основе данных контрольных буровых скважин.

С9

Вертикальное электрозондирование ведется по заранее наме­ ченным профилям или сетке квадратов. Густота точек на участке зависит от требуемой детальности исследований. Расстояния между профилями, в зависимости от размеров участка, назначают рав­ ными 50, 100 и даже 200 м; при более высокой детальности расстоя­ ния уменьшают до 30, 20, 10 м. Расстояния между точками на про­ филе (шаг профиля) не должны быть более 20 м. Расстояние между приемными электродами M N обычно назначают равным или крат­

ным шагу профиля.

При использовании метода электропрофилирования размеры установки, т. е. разнос электродов, сохраняются неизменными,

м?

А +В

7

Рис. 30. Электропрофилирование

но вся установка последовательно перемещается на величину MN (рис. 30). Двигаясь по намеченному профилю, определяют удельные сопротивления рк и приписывают их точкам О. Всякое заметное изменение рк подтверждает проникновение тока в новый пласт и тем самым возможность получения глубины и профиля границы раздела пластов. Для уточнения результатов наблюдений измерения рк для одного и того же профиля выполняют при двух, а иногда и трех разносах.

Методы электроразведки используют для изучения рельефа и глубины залегания коренных пород и поверхностных отложений, для расчленения пород с разным литологическим составом, для выявления интрузивных тел, тектонических нарушений, для оконтуривания грунтовых и подземных во^, исследования оползней и др.

Геодезические работы при электроразведке сводятся к разбивке на местности профиля или системы параллельных профилей, к обо­ значению и закреплению на профиле точек установки A M N B и точки О.

В зависимости от местных условий, требуемой точности и деталь­ ности исследований при разбивке применяют различные геодезиче­ ские методы. В конечном итоге профили с находящимися на них точками наблюдений должны быть привязаны к геодезической основе,

70

т. е. определены их координаты и высоты и вся система профилей нанесена на отчетную геологическую карту.

Вопрос о точности геодезических работ при электроразведке, как впрочем и при других геофизических методах, еще нуждается в доработке и уточнениях. А. С. Лавриков [26] в вопросе точности геодезических работ исходит из основной формулы метода электро­ разведки и требований Инструкции по электроразведке [17], в кото­ рой говорится о том, что разность между основным и повторным (контрольным) определением рк не должна превышать 5 % (предель­ ная ошибка) от величины измеренного сопротивления. Тем самым можно принять, что средняя квадратическая ошибка одного измере­ ния рк будет равна

тк= 0,01А,

т. е. коэффициент установки следует определять со средней квадра­ тической ошибкой 1 % или с относительной ошибкой 1 : 100. Столь невысокая точность не требует применения специальных средств, поэтому измерения расстояний производят предварительно разме­ ченными проводами установки.

Положение отдельного профиля или системы профилей электро­ разведки должно наноситься на отчетную карту; при этом ошибка

2 мм на карте. Высоты точек профиля достаточно определять с ошиб­ кой порядка 2% от глубины залегания опорного горизонта; в ка­ честве опорного электрического горизонта можно принять любой, но обычно за опорный принимают последний из нужных для оценки на данном участке. При гидрогеологических исследованиях за опорный принимают водоупорный горизонт.

§ 25. СЕЙСМОРАЗВЕДКА

С е й с м и ч е с к а я р а з в е д к а основана на наблюдениях за скоростью распространения упругих волн в земной коре, вы­ званных искусственными сотрясениями (взрывами, ударами).

71