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

В результате взрыва в грунте возникают упругие волны — про­ дольные и поперечные. Распространяясь в разные стороны, упругие волны частично проникают в нижележащие слои пород, частично отражаются и возвращаются к поверхности. Распространение упру­ гих волн в грунте подчинено законам геометрической сейсмики, очень схожим с законами геометрической оптики.

Скорость распространения упругих волн в грунтах зависит от их минерального состава, структуры, трещиноватости, влажности и т. и. В песках, например, скорость колеблется от 0,2 до 1,5 км/с, в глинах 1—3 км/с, в известняках 3—6 км/с, во влажной породе скорость больше, чем в сухой породе.

Характер и скорость распростра­ нения упругих волн наблюдают на

определение времени, затрачивае­ мого упругой волной на пробег, от места взрыва, до точек на профиле. При этом к сейсмоприемникам по­

следовательно приходит целая серия волн: прямых, преломленных, отраженных. К точкам, расположенным в непосредственной бли­ зости от места взрыва, первыми приходят прямые волны, к точ­ кам, находящимся вдали, — преломленные, позже всех к поверх­ ности приходят отраженные волны.

В результате регистрации упругих волн при помощи сейсмо­ приемников получают на фотоленте сейсмограмму (рис. 32), которая позволяет выделить всю систему волн и их фазы и определить время прихода волн к сейсмоприемникам. По известному времени, исправлен­ ному поправками (за зону малых скоростей, рельеф, точку взрыва, фазу), и расстоянию от места взрыва до каждого сейсмоприемника может быть построена кривая — годограф (рис. 33). Годограф строят на миллиметровой бумаге, откладывают на горизонтальной оси расстояния X, а на вертикальной — время t. Вид годографа зависит от глубины залегания, формы и угла наклона преломляющих и отра­ жающих поверхностей раздела сред, от скорости распространения волн в различных грунтах. Это значит, что на основе полученных годо­ графов строят сейсмогеологический разрез, на котором определяют границы раздела сред с различными упругими свойствами. Необхо­ димую при этом скорость распространения упругих волн в слагающих

72

Магнитные свойства пород зависят от их минерального состава, и это, казалось бы, дает возможность расшифровать результаты магнитных измерений. К сожалению, у большинства пород диапазон магнитных свойств весьма широк, что приводит к невозможности четкого разделения пород, имеющих близкие магнитные характе­ ристики. В итоге качественная интерпретация результатов магнит­ ной разведки становится возможной лишь при привлечении допол­ нительных сведений о грунтах, полученных другими методами. Тогда на основе сравнения соответствующих геологических и геофизи­ ческих данных удается установить характер изменения магнитного поля над различными геологическими разрезами, объяснить причины

которых является плоский магнит, свободно вращающийся на ребре кварцевой призмы. Современные магнитометры позволяют измерять составляющие магнитной напряженности (по Z и Н) со средней квадратической ошибкой 1—3 у.

Магниторазведка успешно применяется для картирования раз­ нообразных геологических объектов, особенно магматического про­ исхождения, для поисков залежей железнорудных и других место­ рождений. Магниторазведка значительно дешевле других геофизи­ ческих методов и потому широко применяется. Одновременно все более широкое применение находит аэромагнитная съемка.

При поисках полезных ископаемых магниторазведка ведется или проложением одиночных маршрутов, или площадями. Для

например по сетке, имеющей размеры 5x 5 м. Иногда это расстояние увеличивают и доводят его до расстояния, равного половине глу­ бины залегания кровли исследуемых пород. Поскольку объем изме­ рений при таком методе становится значительным, при изучении площадок больших размеров сплошная съемка заменяется съемкой небольших характерных участков, равномерно располагаемых на

76

всей территории площадки. Размеры таких участков принимают равными 10x10 или 50x50 м (рис. 35).

Такая методика съемки позволяет существенно сократить объем наблюдений и при этом выделить общие и частные микроаномалии и в итоге дать интерпретацию полученных наблюдений.

Микромагнитная съемка ведется с применением одного высоко­ чувствительного магнитометра и двух штативов, из которых один последовательно переносится с точки на точку, а другой постоянно стоит на контрольном пункте в центре площадки и предназначен для определения и последующего учета смещения нуля магнито­ метра.

Микромагнитная съемка помогает изучить поверхностные чет­ вертичные отложения и трещиноватость пород.

Если микромагнитная съемка предназначена только для карти­ рования участка, то после введения в результаты соответствующих поправок строят график изменения аномального значения верти­ кальной составляющей геомагнитного поля z, а для характеристики распределения магнитного поля по площади строят план в изо­ линиях (изодинамах). При выявлении трещиноватости пород ре­ зультаты измерений представляют в виде графиков — розы направле­

в е д к е минимальны в сравнении с другими геофизическими мето­ дами. Маршрутная съемка при поисковых работах обычно приуро­ чивается к дорогам, тропам, лесным просекам, берегам рек и при­ вязка маршрута ведется по контурам, без применения инструментов, а в местах, где контуров мало, расстояния измеряют по спидометру автомашины или шагами. Точность измерения расстояний между пунктами наблюдений допускается порядка 1 : 50. При площадной съемке прокладывают систему примерно параллельных маршрутов, которая сгущается в случае обнаружения аномалий. Плановая при­ вязка маршрутов должна производиться с точностью, не превышаю­ щей 1—2 мм на отчетной карте.

Для привязки маршрутов аэромагнитной съемки плановая при­ вязка выполняется или с использованием аэрофотосъемки или радио­ геодезических средств.

Высоты пунктов магнитной разведки, как правило, не опреде­ ляют.

При микромагнитной съемке разбивка сеток малых квадратов выполняется простейшими геодезическими средствами — рулетками, лентами, экером; положение малых квадратов на участке должно

Г р а в и м е т р и ч е с к а я р а з в е д к а основана на изме­ рении силы тяжести, которое производится специальными прибо­ рами — гравиметрами.

77

За единицу силы тяжести принимают 1 гал (гл) = 1000 милли-

гал (мгл) = 1 см/с2.

Сила тяжести меняется с широтой места и высотой точки над уровнем океана. На экваторе величина силы тяжести составляет около 978 гл, a y полюса 983 гл; таким образом, сила тяжести изме­ няется с широтой в среднем на 0,5 мгл на 1 км, а изменение силы тяжести с высотой составляет 0,308 мгл на 1 м.

При гравиразведке определяют не абсолютные значения силы тяжести, а разность между приведенным значением g0 и эталон­

A£a = £o-Yo-

Нормальное значение силы тяжести рассчитывается по специаль­ ной формуле, предполагающей, что Земля состоит из однородных концентрических слоев, что пункт наблюдения находится на поверх­ ности эллипсоида, где рельеф полностью отсутствует. В Советском Союзе для вычисления у 0 принята формула Гельмерта

Yo = 978,030(1-0,005302-sin2c p - 0,000007-sin2 2<p) гал,

в которой ф — широта пункта наблюдения.

Приведенное значение силы тяжести g0 находят по формуле

A 2g = —0,0418 oh мгл — поправка за притяжение массы пород плот­

ющего точку наблюдения; поправка всегда положительна, находится по топографи­ ческой карте при помощи специальных палеток.

Если Aga положительная, то, следовательно, вблизи точки наблюдения расположены породы с повышенной плотностью, если же Д/fa отрицательная, то это свидетельствует об обратном. Таким образом, величина и знак аномалии являются косвенными характе­

ристиками состава, формы и глубины залегания геологических объектов.

Для наглядного представления и более исчерпывающей интер­ претации найденные значения аномалий силы тяжести Aga наносят

78

зуя такую карту, можно для любого участка местности определить

нения силы тяжести на единицу длины (км). Знание градиента силы тяжести помогает расшифровке гравитационных аномалий. Напри­ мер, над телом сферической формы, имеющим повышенную плот­ ность а г по отношению к плотности вмещающей среды о 0, характер изменения аномалии Дga и горизонтального градиента ѵхг показан на рис. 37, а, а над резкой вертикальной ступенью — на рис. 37, б.

На основе изучения гравиметрических аномалий можно опре­ делить местоположение, размеры, форму и глубину геологических объектов, создающих аномалию.

При площадной гравиметрической съемке предварительно созда­ ется сеть опорных гравиметрических пунктов, от которой затем значения g передают на все остальные съемочные пункты. Точность определения опорных пунктов должна быть в 1,5—2 раза выше точности съемочных. Густота съемочных гравиметрических пунктов и их точность зависят от ряда причин: от принятой величины сече­ ния изоаномал, от характера рельефа, от технических характеристик гравиметров и, в частности, от величины смещения нульпункта гравиметра.

Средняя квадратическая ошибка измеренной аномалии на съе­ мочном пункте должна быть в 2 —3 раза меньше величины сечения изоаномал и составлять не более 1/5 минимального значения ано­ малии.

При профильных исследованиях направление профиля назна­ чается вкрест простирания, а расстояние между точками наблюде­ ний принимается равным 1/2—1/3 глубины залегания предполагае­ мого объекта.

Гравиметрические пункты располагают на четких, хорошо опоз­ наваемых контурах местности. При этом если сечение изоаномал принято 1 мгл и более, то можно пользоваться для привязки картой

79

масштаба 1 : 100 000; при меньшем сечении требуется карта масштаба

1 : 25 000.

Точность определения высот гравиметрических пунктов также зависит от принятого сечения изоаномал и изменяется от 0,2 м при сечении 0,2 мгл до 10 м при сечении 10 мгл.

В условиях пересеченного рельефа, кроме плановой привязки пунктов, производят нивелирование по 4—8 или 16 расходящимся лучам на расстояния до 100—500 м. Материалы нивелирования поз­ воляют полнее учесть поправку за влияние близкорасположенного

рельефа.

Основное назначение гравиразведки — выявление геологических структур с пониженной плотностью (соляные купола), связанных с месторождениями нефти и газа и отчасти угля. Гравиразведка успешно применяется для изучения тектонических нарушений

искладчатых структур.

Впрактике инженерных изысканий гравиразведка применяется

ограниченно, как вспомогательный метод, в комплексе с другими геофизическими методами для картирования линий тектонических разломов, для определения рельефа переуглубленных речных долин, уточнения положения краевых участков останцов коренных пород.

В сравнении с другими геофизическими методами гравиразведка малопроизводительный и дорогостоящий метод.

§ 28. ПОЛЕВЫЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

Для успешного расчета оснований инженерных сооружений необходимо хорошо знать основные строительные свойства грунтов.

ция, модуль деформации, сцепление, сопротивление сдвигу и др. Из этого неполного перечня некоторые характеристики используются для вычисления естественного (бытового) давления грунта, т. е. давления, обусловленного собственным весом грунта, для опреде­ ления устойчивости откосов выемок и насыпей, откосов котлованов, другие — для установления нормативных давлений на основание, для предопределения величин возможных сдвигов, осадок, кренов сооружений.

Названные выше характеристики грунтов отчасти можно полу­ чить путем лабораторных испытаний образцов пород, однако это возможно не для всех видов грунтов. При испытании в лаборатории аллювиальных отложений речных долин, щебенисто-глинистых и одно­ родно-глинистых грунтов, оползневых накоплений и других грун­ тов, как правило, получаются заниженные показатели их прочности. Происходит это по той причине, что в лабораторных условиях при­ ходится испытывать небольшие образцы пород не только с нарушен­ ной структурой, но и с иной влажностью и, конечно, не в естествен­ ных условиях залегания. Поэтому для получения надежных ха­

80

рактеристик испытания грунтов ведутся непосредственно на месте будущего строительства.

Полевые методы изучения грунтов применяются главным образом для особо важных сооружений и на последних стадиях проектиро­ вания, когда уже существует полная картина геологического строе­ ния участка, имеются геологические разрезы, данные о физико­ механических свойствах грунтов, генеральный план сооружения.

Наиболее важные характеристики грунтов, определяемые при полевых испытаниях и необходимые для уточнения расчета осно­ вания сооружения, это — сопротивление грунта сжатию и сдвигу.

Степень сжимаемости грунта определяется модулем деформации

нагрузками (штампами).

Основная задача при испытании грунта статической нагрузкой — установление зависимости между силой давления на грунт и дефор­ мацией его. При этом испытании одновременно определяется характер протекания осадки во времени; величина критической нагрузки, т. е. предельной нагрузки, при которой грунт перестает оказывать сопротивление; на просадочных грунтах определяется дополнитель­ ная величина осадки — просадки при увлажнении грунта.

Основные элементы оборудования при полевых испытаниях грунтов статическими нагрузками показаны на рис. 38: 1 — штампы

— жесткие недеформируемые плиты размерами 50x50, 71x71 или 100x100 см; 2 — установка для нагружения штампа в виде плат­ формы или гидравлического домкрата, развивающего усилия от 20 до 100 т, прогибомеры — приборы для регистрации осадки с точ­

скважинах. Нагрузка на штамп дается ступенями с последователь­ ным возрастанием удельной нагрузки на величину от 0,25 до 1 кг/см2;