_mu_praktika

3.3.1 Бурение скважин, их документирование и отбор проб грунта

Основным видом разведочных работ при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях является бурение скважин.

Б у р о в а я с к в а ж и н а - это цилиндрическая вертикальная (или наклонная, горизонтальная) горная выработка малого диаметра, выполняемая буровым инструментом (рисунок 18) вручную или механизированными способами.

Рисунок 18 Буровой инструмент:

Выбор способа бурения зависит от целей работы и инженерно-геологических особенностей участка (таблица 3):

31

Таблица 3 - Характеристики различных способов бурения

32

В ходе инженерно-геологических исследований обычно применяют ручное ударно-вращательное, вращательно-колонковое и вибрационное бурение (другие – только при соответствующем обосновании).

Глубина скважин определяется задачами исследований, и для инженерных целей редко превышает 30 м, а при поиске вод для водоснабжения может быть более 800 м.

Начальную точку скважины называют ý с т ь е м, конечную - з а б ó е м. Образцы горных пород, извлекаемых из скважины, называют к é р н о м (если они представляют собой монолиты цилиндрической формы) или (если

порода раздроблена) ш л á м о м.

Отбор монолитов в процессе проходки скважин возможен только при колонковом способе бурения. При всех других способах монолиты можно отобрать только поинтервально с забоя скважины с применением грунтоносов без промывки скважин, с обсадкой.

Основным документом буровых работ является б у р о в о й ж у р н а л. В нем, по мере прохождения скважин, подробно описывают состав и состояние вскрываемых пород, указывают глубину отбора проб воды, приводят результаты наблюдений за появлением уровня грунтовых вод, выходом керна, качеством изоляции водоносных горизонтов и т. д. После общей характеристики выработки выполняется послойное описание пород:

1)мощность слоёв и отметки их границ;

2)номера взятых проб и глубина их отбора;

3)литологическое описание пород, наименование грунта, его цвет, структура, наличие включений;

можность достижения больших глубин, механизацию операций мобильность установок. Недостатками метода являются невозможность осмотра стенок скважины (в последнее время этот недостаток устраняется за счёт использования специальных видеокамер), небольшой размер образцов, необходимость большого количества воды для промывки скважины в ходе бурения.

По окончании полевых работ из скважин извлекают инструмент и обсадные трубы, выработки засыпают, грунт утрамбовывают, а поверхность земли выравнивают.

По данным буровых журналов составляют колонки отдельных скважин и геологические разрезы.

33

3.3.2 Проходка шурфов, их документирование и отбор проб грунта

Широкое распространение при инженерно-геологических исследованиях получили такие горные выработки как ш у р ф (квадратное или прямоугольное сечение, размеры от 1,25×1,0 м. до 1,5×1,5 м, глубина до нескольких десятков метров) (рисунок 19).

Рисунок 19 Отбор монолитов из шурфов

Проходка шурфов производится путем разрушения пород в забое и извлечения их на поверхность земли. При небольших объёмах работ разрушение малопрочных пород проводят вручную при помощи кайла, клиньев, ломов

илопат. В других случаях возможно использование пневматических молотков

идаже взрывчатых веществ. В настоящее время широко внедряется механизированный способ проходки шурфов круглого сечения – д ý д о к, - с помощью специальных шурфопроходческих установок.

Проходка шурфов даёт возможность получить любые по объёму пробы грунта. При этом они могут быть как монолитными (обычно, 20×20×20 см из середины каждого слоя), так и с нарушенным сложением. Отбор проб произво-

дится из всех литологических разновидностей грунтов. Для получения монолита проходку шурфа ведут по периметру, а в центре грунт оставляют нетронутым. Когда монолит достигнет необходимой величины, верхнюю его грань отмечают косым крестом, чтобы не перепутать верх и низ образца. Поверх кладут этикетку, затем на монолит опрокидывают жёсткую обойму или ящик. Лопатой монолит отделяют от массива и обойму плотно закрывают.

34

Шурфы дают возможность детально изучить геологолитологический разрез участка, и проводить опытные полевые работы. Вся документация по шурфам заносится в журнал горных выработок.

Недостатком шурфов является высокая стоимость и трудоёмкость работ, особенно в скальных породах. В малоустойчивых грунтах стенки шурфа приходится крепить. При проходке водонасыщенных пород организуют водоотлив. По окончании полевых работ шурфы ликвидируются аналогично скважинам (засыпка, трамбование), для этого часто требуется большое количество привозного грунта.

Кроме аналогичных буровому журналу записей, стенки шурфов обязательно зарисовываются, составляется развёртка шурфа (рисунок 20).

Рисунок 20 Зарисовка полной сопряжённой развёртки шурфа

35

3.4 Полевые испытания грунтов

Опытные полевые инженерно-геологические исследования выполняются для решения производственных и научных вопросов, возникающих на заключительных стадиях инженерно-геологических изысканий.

При оценке строительных свойств грунтов используются данные, полученные при лабораторных испытаниях. Однако их достоверность зависит от многих факторов (способов проходки разведочных выработок, отбора, хранения и транспортировки проб, подготовки их к анализу и т. д.). Кроме того, лабораторные испытания, выполняемые на образцах малого объема, не позволяют с достаточной степенью достоверности оценить величину сопротивления сдвигу и сжимаемости толщ неоднородных слоистых грунтов, а так же грунтов, содержащих включения обломочного материала.

Внекоторых грунтах (пески, илы или глинистые грунты текучей или текучепластичной консистенции) практически невозможно отобрать пробу ненарушенной структуры. Поэтому полевые методы исследований грунтов обладают определёнными преимуществами, т. к. при этом в бóльшей степени, нежели в лабораторных условиях моделируется работа грунта в основании сооружений.

Полевые определения деформационных свойств грунтов в условиях их естественного залегания выполняются при инженерно-геологических изысканиях в местах размещения наиболее ответственных сооружений. Каждое сооружение, оказывая уплотняющее воздействие на грунт, приводит к изменению его напряжённого состояния.

Различают три стадии поведения грунта под нагрузкой. На первой стадии происходит уплотнение грунта и уменьшение его пористости за счёт сближения частиц. На второй стадии происходит дальнейшее уплотнение грунта и перемещение (сдвиг) частиц. На третьей стадии грунт в основании сооружения (штампа) разрушается.

Взависимости от геологического строения, гидрогеологических условий, а так же состава и состояния грунтов, испытания ведутся в шурфах или скважинах с использованием специальных штампов. С учетом возможностей учебного заведения, студентами могут быть произведены полевые испытания грунтов методом вращательного среза, сущность которого состоит в измерении крутящих моментов при вращении в грунте крестообразного наконечника - крыльчатки.

Перед проведением опыта на заданную глубину проходится буровая скважина диаметром до 100 мм (в зависимости от диаметра применяемой крыльчатки). Затем над скважиной монтируется установка. Крыльчатка путем передачи давлений через колонну штанг задавливается в грунт на глубину не менее 5 см от забоя скважины. Глубина погружения крыльчатки для грунтов, у которых сопротивление сдвигу при максимальном крутящем моменте более 0,03 МПа, определяется по формуле:

36

а для грунтов, у которых сопротивление сдвигу меньше 0,03 МПа, по формуле:

где S - погружение крыльчатки от забоя, h - высота крыльчатки.

После задавливания или забивки крыльчатки, ее проворачивают с угловой скоростью 0,1 – 0,2 градус и фиксируют величину максимального крутящего момента М мах.

Сопротивление сдвигу рассчитывают по формуле где τ - сопротивление грунта сдвигу,

Ммах – максимальный крутящий момент, В – постоянная крыльчатки, вычисляемая по формуле:

где D – диаметр крыльчатки.

При высоте лопасти, равной двум диаметрам цилиндра вращения, сопротив-

ление сдвигу вычисляется по формуле:

По окончании опыта производят несколько (5–6) полных оборотов крыльчатки для определения минимального крутящего момента, который соответствует прочности породы в нарушенном состоянии. Отношение величины сопротивления сдвигу с минимальным крутящим моментом называется показателем структур-

ной прочности грунта

По показателю структурной прочности грунта определяют и прочность структурных связей глинистых грунтов (таблица 4):

Таблица 4 - Прочностные характеристики грунтов

37

Следует иметь в виду, что испытания лопастными приборами не позволяют раздельно определить непосредственно внутреннее трение и удельное сцепление грунтов. Лишь в случае испытания грунтов текучей и мягкопластичной консистенции принимается, что общее сопротивление сдвигу равно удельному сцеплению, считая, что значение угла внутреннего трения мало.

Сведения о результатах испытаний заносят в специальный журнал.

3.5 Полевые гидрогеологические исследования

Для прогноза работы разнообразных инженерных сооружений (водозаборов, водопонизительных установок, дренажей и т. п.) для обоснования проектов строительства каналов, водохранилищ, плотин, прогноза режима, баланса и качества подземных вод, проводится комплекс гидрогеологических изысканий и исследований. В этот комплекс входят опытно-фильтрационные работы.

Основным видом опытно-фильтрационных работ являются откачки (выпуски), в значительных масштабах проводятся нагнетания и наливы. Откачки и нагнетания выполняются, как правило, в буровых скважинах, реже в колодцах и шурфах. Откачки проводятся преимущественно для определения фильтрационных и емкостных параметров водоносных горизонтов. Нагнетания позволяют также определить п р и ё м и с т о с т ь скважин.

Наливы обычно проводятся в шурфы для определения параметров ненасыщенных пород. Миграционные параметры определяются при всех видах опытнофильтрационных работ.

В ходе учебной геологической практики может быть рекомендовано проведение таких работ по методу откачки-нагнетания, предложенному Е. Е. Керкисом. Он заключается в опыте, проводимом на двух одинаковых скважинах – одной опытной и другой поглощающей, - расположенных на небольшом расстоянии друг от друга (5 – 20 м). Из опытной скважины проводится откачка, причем вся откачиваемая вода закачивается во вторую (поглощающую) скважину.

Коэффициент фильтрации рассчитывается по формуле Дюпюи:

или другой вариант формулы Дюпюи:

в которой R заменяется расстоянием 2a между опытной и поглощающей скважинами.

38

При наличии двух наблюдательных скважин расчет также производится по формуле Дюпюи, но и r1 , и r2, cоответственно, представляют собой расстояние от опытной и поглощающей скважины до наблюдательной.

Метод опытных откачек состоит в откачке воды из скважины, сопровождающейся систематическими наблюдениями за д е б и т о м скважины и уровнем воды в ней, а также отбором проб воды. Опытная скважина, из которой ведётся откачка, оборудуется фильтром, нередко с прифильтровым пьезометром (тонкой перфорированной трубой, приваренной к фильтру с наружной стороны), насосом или эрлифтом, приспособлением для замера дебита и прибором для контроля уровня воды в скважине.

Опытные откачки делятся на одиночные и кустовые. При одиночной откачке наблюдения ведутся в той же скважине, из которой производится откачка или в прифильтровом пьезометре.

Откачки для определения коэффициента фильтрации ведутся на два или три понижения уровня. На каждой ступени понижения откачку ведут с постоянным дебитом до стабилизации уровня. Если за 4 – 5 часов откачки уровень меняется не более чем на 1 см, то он считается установившимся. Величина понижения уровня на каждой последующей ступени должна отличаться от понижения на предыдущей ступени не менее, чем на 0,5 м. Максимальная величина понижения должна быть не более половины мощности водоносного горизонта.

Опытные нагнетания проводятся в тех случаях, когда нужно определить проницаемость трещиноватых пород. Метод заключается в том, что определенный интервал скважины тем или иным способом перекрывается сверху или снизу, и в него подается вода. По способности породы, вскрытой скважиной, поглощать воду, судят о ее проницаемости. Величина скорости поглощения воды, выраженная в метрах в минуту и отнесенная к 1 м длины скважины, называется у д е л ь н ы м в о д о п о г л о щ е н и е м.

4 КАМЕРАЛЬНЫЕ РАБОТЫ

4.1 Камеральная обработка документации

Камеральная обработка документации, полученной в ходе инженерногеологических исследований, производится в три этапа:

Текущая заключается в ежедневной систематизации записей маршрутных наблюдений, буровых журналов, увязке результатов отдельных видов инженерногеологических работ (геофизических, горных, полевых исследований и т.д.);

Предварительная предполагает составление инженерно-геологических разрезов (рисунок 21), гидрогеологических карт и пояснительных записок к ним.

39