МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Горные работы» Г. А. Колпашников БУРЕНИЕ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН НА СТРОИТЕЛЬНОЙ ПЛОЩАДКЕ И ИХ ОПРОБОВАНИЕ Пособие Минск БНТУ 2018 1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Горные работы» Г. А. Колпашников БУРЕНИЕ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН НА СТРОИТЕЛЬНОЙ ПЛОЩАДКЕ И ИХ ОПРОБОВАНИЕ Пособие для студентов специальности 1-51 02 01-04 «Разработка месторождений полезных ископаемых (буровые работы)» Рекомендовано учебно-методическим объединением по образованию в области горнодобывающей промышленности Минск БНТУ 2018 2 УДК 622.7(075.8):622.363 ББК 33.4я7 К61 Рецензенты: главный геолог РУП «Геосервис» О. А. Лажевич; зав. кафедрой «Геотехника и экология в строительстве» БНТУ, д-р техн. наук, проф. М. И. Никитенко Колпашников, Г. А. Бурение инженерно-геологических скважин на строительной площадке и их опробование : пособие для студентов специальности 1-51 02 01-04 «Разработка месторождений полезных ископаемых (буровые работы)» / Г. А. Колпашников. – Минск: БНТУ, 2018. – 54 с. ISBN 978-985-550-456-7. В пособии дана характеристика методов бурения инженерно-геологических скважин на строительной площадке, виды проведения буровых работ, последова- тельность изучения инженерно-геологических условий, особенности отбора геологи- ческих образцов и их опробования. Рассмотрены особенности использования прибо- ров и оборудования для получения данных по прочностным и деформационным свойствам полученных образцов грунтов. Приведен простейший расчет определения площади подошвы фундамента для песчаных и глинистых пород. УДК 622.7(075.8):622.363 ББК 33.4я7 ISBN 978-985-550-456-7 © Колпашников Г. А., 2018 © Белорусский национальный технический университет, 2018 К61 3 ВВЕДЕНИЕ В рамках освоения дисциплины «Техника и технология бурения» разработано пособие по бурению инженерно-геологических сква- жин на строительной площадке. Данный проект содержит полный объем сведений по проведе- нию всего комплекса инженерно-геологических исследований, включающих изучение карт, топографических планов, геологиче- ских разрезов местности, описание самого процесса бурения сква- жины, проведение статического и динамического зондирования, геофизических исследований, работ с образцами нарушенного и ненарушенного сложения в лабораторных условиях, техники без- опасности и охраны окружающей среды. Проект снабжен необходимой графической информацией, позво- ляющей визуально оценить проводимые работы, а также типовыми образцами документов предприятия, производящего данные виды работ, что позволяет также познакомиться с методикой ведения документации на различных этапах изысканий. Все описания проводимых работ изложены в соответствии с дей- ствующими законодательными актами и положениями. Техника, предлагаемая для проведения работ, и виды исследований соответ- ствуют современному уровню развития инженерно-геологических изысканий. Технология их проведения зарекомендовала себя в практике реализации данного вида работ в строительстве. 4 1. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИСХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ Инженерно-геологическая разведка – комплексный метод полу- чения информации об инженерно-геологических условиях неко- торой области литосферы путем проведения горно-буровых опытных инженерно-геологических и гидрогеологических работ инженерно- геологического опробования и лабораторных работ, документации строительных выемок и режимных инженерно-геологических наблюдений. Инженерно-геологическая разведка в зависимости от ее целевого назначения, предопределяемого этапом хозяйственной деятельности (стадией проектирования), разделяется на предвари- тельную, детальную и оперативную. Разные виды инженерно-геологической разведки довольно су- щественно различаются составом, объемами работ, их простран- ственным размещением и характером получаемой информации. Вследствие этого они рассматриваются по отдельности. А. Предварительную инженерно-геологическую разведку проводят в пределах границ выбранной для строительства площадки. Главная цель строительного проектирования заключается в компоновке со- оружений на площадке, включающей проведение предварительных расчетов их оснований. Следовательно, проектировщик должен располагать информацией о геологическом разрезе, свойствах грун- тов, положении УГВ (уровень грунтовых вод) и их составе практи- чески в любом месте площадки предполагаемого строительства. Отсюда вытекают требования к месту размещения работ. Они должны более или менее равномерно охватить всю строитель- ную площадку с тем, чтобы в случае необходимости можно было получить инженерно-геологический разрез по любому выбранному направлению, со свойствами грунтов, положением УГВ и другими сведениями, нужными для составления расчетной схемы и предва- рительных расчетов оснований. Глубина исследований определяется сферой взаимодействия проектируемых сооружений. В простейшем случае она отвечает активной зоне наиболее тяжелого сооружения. В процессе проведения предварительной инженерно-геологи- ческой разведки геологическая среда должна быть расчленена на гео- логические тела. Следовательно, в ходе опробования требуется опре- делять в основном классификационные показатели свойств грунтов. 5 Они необходимы для выявления закономерностей пространствен- ной изменчивости свойств геологической среды, оценок средних значений классификационных показателей, на основе которых по СНиП выбирают нормативные значения показателей, используемые при предварительных расчетах оснований. Инженерно-геологическая разведка включает проведение гидро- геологических работ. Цель работ состоит в получении данных о гидрогеологических условиях строительной площадки, нужных для разработки их прогноза при строительстве и эксплуатации сооружений, возможного подтопления территории, загрязнения и изменения химического состава подземных вод. В ходе гидрогео- логических исследований устанавливают положение УГВ в горных выработках и скважинах, отбирают пробы воды с целью определе- ния химического состава и агрессивности, определения водопрово- димости, производят одиночные откачки из скважин и наливы в шурфы, ведут наблюдения за режимом УГВ и химического состава. Если обнаружены проявления ЭГП (экономико-географическое по- ложение), то в изучение процесса включают организацию наблюде- ний за его режимом. Б. Детальную инженерно-геологическую разведку проводят в пределах предполагаемой сферы взаимодействия геологической среды с сооружением. Границы предполагаемой сферы взаимодей- ствия и границы входящих в нее зон выделяют до начала детальной разведки на основании геологической информации и технических данных о сооружении и условиях его работы. Детальная инженерно-геологическая разведка включает горные и буровые работы, полевые определения прочностных и деформа- ционных свойств грунтов (сдвиги, обрушения, выпирание призм, прессиометрия, опытные нагрузки на штамп, на сваю и др.), инже- нерно-геологическое опробование, гидрогеологические работы. Работы выполняют только внутри границ предполагаемой сферы взаимодействия сооружения, размещая те или иные виды работ внутри соответствующих зон. Например, нагрузки на штампы рас- полагают внутри контуров зоны уплотнения грунтов, полевые испытания грунтов для оценки их прочности – в зоне сдвига или в зоне нарушения устойчивости откоса, опытные гидрогеологиче- ские работы – в зоне фильтрации или в зоне подтопления и т. д. 6 Глубина исследований определяется нижней границей соответ- ствующей зоны сферы взаимодействия. Например, деформацион- ные свойства грунтов основания изучают до нижней границы активной зоны (зоны уплотнения грунтов). Это обстоятельство от- ражено в СНиП, которыми предписываются границы инженерно- геологической разведки устанавливать с учетом размеров сферы взаимодействия. Глубину зоны определяют расчетом, используя информацию, полученную при предварительной инженерно- геологической разведке. Ориентировочная глубина горных и буро- вых выработок для различных типов фундамента приведена ниже. Если в пределах сферы взаимодействия залегают скальные поро- ды, то выработки проходят на 2 м ниже кровли слабовыветрелых пород или подошвы фундамента при его заложении на скальных грунтах. Элювиальные отложения вскрывают выработками до глу- бины не менее 2 м ниже кровли слабовыветрелых пород при пло- щадной коре выветривания и не менее 3–5 м ниже кровли слабовы- ветрелых пород при линейном расположении коры выветривания. В процессе строительства на насыпных грунтах выработки заглуб- ляют не менее чем на 5 м ниже подошвы насыпи. В ходе детальной разведки определяют показатели свойств грун- тов в пределах предполагаемой сферы взаимодействия. Для прове- дения окончательных расчетов основания проектировщику нужны данные о показателях свойств грунтов, которые используются при расчетах соответствующих процессов. Это в основном показатели сжимаемости, прочности, водопроводимости и др. Они должны быть представлены в виде оценок средних значений, характеризу- ющих выделенные по данным горно-буровых работ и инженерно- геологического опробования геологического тела. В процессе одностадийного проектирования (рабочий проект) должны быть решены вопросы компоновки сооружений на пло- щадке и проведен окончательный расчет их оснований. Вследствие этого предварительная и детальная инженерно-геологическая разведка сливаются воедино. Сначала инженерно-геологические исследования проводят на территории всей площадки будущего строительства, а после выбора мест размещения сооружений на этих местах – в пределах предполагаемой сферы взаимодействия. 7 2. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОПРОБОВАНИЕ Инженерно-геологическое опробование – комплексный метод, включающий методы установления объема и параметров, способы отбора образцов грунтов и их консервации, который совместно с другими методами (горно-буровыми, специальными полевыми и лабораторными) обеспечивает получение информации требуемого качества о составе и свойствах горных пород или о свойствах грунтов. В отличие от других комплексных методов инженерно-геоло- гическое опробование не самостоятельно. Оно входит в состав инже- нерно-геологической съемки, рекогносцировки, разведки и решает различные задачи. Опробование включает: – методы установления объемов работ (число полевых испытаний грунтов, число разведочных выработок, число образцов грунта); – методы установления пространственного размещения пунктов получения инженерно-геологической информации (методы опреде- ления типов СППИНФа – системы пунктов получения информации и расчета его параметров); – методы отбора и консервации образцов грунтов. Методы опробования должны учитывать состав горных пород и свойства грунтов, характер их пространственной изменчивости, анизотропность мер рассеяния показателей свойств в пределах квазиоднородных областей, а также целевое назначение инженерно- геологических исследований (тип и класс сооружений, этап хозяй- ственной деятельности, в том числе стадия изысканий). Инженерно- геологическое опробование включает три последовательно выпол- няемых этапа работ. Структура опробования приводится ниже (табл. 2.1). В процессе инженерно-геологического опробования сна- чала тем или иным способом устанавливают число точек получения информации, затем выбирают систему опробования. После расчета объемов опробования проводят горно-буровые работы, полевые испытания грунтов и работы по отбору образцов и их консервации, если геологические параметры определяют лабо- раторными методами. Рекогносцировочные работы по опробованию ведут при помощи геофизических методов (преимущественно электроразведочных) или специальных инженерно-геологических 8 (динамическая и статическая пенетрация, пенетрационный каротаж, крыльчатое зондирование, искиметрия). Таблица 2.1 Порядок проведения опробования Последовательность выполнения работ Получение исходной информации о свойствах грунтов I. Определение объе- ма и параметров си- стемы опробования (СППИНФ) Анализ и обработка накопленной ин- формации. Рекогносцировочные работы по опробованию и обработка их резуль- татов II. Измерение геоло- гических параметров в рамках СППИНФа (системы пунктов по- лучения информации) Реализация системы опробования путем: 1) измерения геологических параметров полевыми методами; 2) отбора образцов грунта и измерения геологических параметров лаборатор- ными методами; 3) совмещения работ, указанных в пунк- тах 1 и 2 III. Обработка данных опробования. Расчеты Анализ, отбраковка и статистическая обработка информации о геологических параметрах с целью получения оценок их средних значений и мер рассеяния (размахов); статистика геологических полей, характеризующих пространствен- ную изменчивость Применение перечисленных методов позволяет: – установить главные направления изменчивости геологических параметров или проверить правильность выводов об их ориентиров- ке, полученных ранее на основании анализа геологических данных; – выделить квазиоднородные по изучаемым свойствам геологи- ческие тела, применительно к которым рассчитывают СППИНФы, системы опробования; 9 – получить количественные данные, нужные для оценки струк- туры полей геологических параметров в сечениях, ориентирован- ных по главным направлениям изменчивости (режимов простран- ственной изменчивости); – получить данные о мерах рассеяния геологических параметров (средние квадратические отклонения, коэффициенты изменчивости), требуемые для расчетов объемов и параметров систем опробования. Если в процессе предыдущих исследований на более ранней стадии изысканий полученной информации достаточно для реше- ния перечисленных задач, то необходимость в проведении реког- носцировочных работ отпадает. После расчета объемов и параметров системы опробования реали- зуют рассчитанные системы опробования в натуре путем проведения горно-буровых работ или полевых испытаний грунтов (эти методы не входят в состав инженерно-геологического опробования), намечают способы отбора образцов (точечный, бороздовый, валовой или их комбинации), проводят отбор образцов и их консервацию. Образцом грунта следует считать любой объем грунта, отоб- ранный с целью его дальнейшего изучения. В зависимости от цели изучения и способа отбора образца грунта его структура, текстура, плотность и естественная влажность могут быть сохранены такими же, как в массиве (in situ) или изменены в ходе отбора. Образец грунта, в котором сохранена структура, текстура, плотность и есте- ственная влажность, называется монолитом. Под пробой грунта понимают более или менее строго фиксиро- ванный объем грунта, отделенный или не отделенный от его масси- ва, взаимодействующий в ходе его испытаний с лабораторным при- бором (оборудованием) или с рабочим устройством полевого при- бора (установки). В первом случае пробу строго фиксированного или приближенно определенного в соответствии с требованиями нормативов объема (массы) вырезают из образца грунта. Такую пробу называют лабораторной. При испытании грунтов полевыми методами с рабочим органом полевого прибора взаимодействует некоторая фиксированная область грунта, залегающего в массиве (аналог сферы взаимодействия геологической среды с сооружением). Подобная проба называется полевой. 10 3. ПРОХОДКА СКВАЖИНЫ 3.1. Основные положения При проведении инженерно-геологических исследований прибе- гают к проходке горных выработок. Они проходят с целью: 1) изучения геологического строения, проявлений тектонических процессов и трещиноватости пород; 2) проведения полевых опытных работ; 3) отбора образцов пород с ненарушенной структурой и проб воды; 4) организации наблюдений за режимом подземных вод и экзо- генных геологических процессов (например, выветривания). В процессе проходки выработок производят отбор и упаковку об- разцов грунтов (в соответствии с ГОСТ 12071–72) и проб воды для лабораторных исследований. Размещение и количество выработок, из которых отбирают образцы, устанавливают так, чтобы получить обобщенные значения прямых показателей физико-механических свойств грунтов для каждого выделенного инженерно-геологического элемента с учетом возможности изменения этих свойств в процессе строительства и эксплуатации проектируемого сооружения. Для этих целей применяется ручное и механическое бурение. Ручное бурение выполняют ударно-вращательным или ударно- канатным способом. Механическое бурение осуществляется враща- тельными, ударно-механическими и вибробуровыми установками. Бурение скважин выполняется для изучения геологического раз- реза, т. е. для выявления последовательности залегания пластов, их мощности состава, плотности, консистенции, влажности, водонос- ности, а также для отбора образцов пород и последующего испыта- ния в лабораторных условиях. Выбор способа бурения зависит от состава проходимых пород, назначения и глубины бурения, условий производства работ. При выборе способа бурения особое внимание уделяется качеству отбираемых образцов пород и экономической эффективности. В ходе инженерно-геологических исследований применяют спо- собы бурения: 1) дающие керн в виде столбика грунта с относительно ненарушен- ной структурой (колонковый, пневмоударный, ударно-канатный 11 с кольцевым забоем, шнековый с кольцевым забоем, вибрационный способы); 2) дающие керн, представляющий собой грунт нарушенного строения (медленновращательный, шнековый и ручной ударно- вращательный способы); 3) позволяющий получать полностью разрушенный грунт в виде шлама (ударно-канатное бурение сплошным забоем и роторное). 3.2. Вращательное шнековое бурение Преимущества шнекового способа: – высокая механическая скорость бурения в песчаных и глини- стых грунтах; – большой процент времени чистого бурения (при шнековом буре- нии процесс проходки и выдача грунта на поверхность совмещаются); – незначительные затраты времени на монтажно-демонтажные работы и вспомогательные операции; – возможность отбора керна при использовании специального инструмента. Область эффективного использования шнекового способа огра- ничена нескальными грунтами (глинистыми и песчаными). Рацио- нальной областью применения этого способа является проходка зондировочных и разведочных скважин в основном в пластичных и тугопластичных глинистых грунтах. В комплект инструмента для шнекового бурения входят долота и шнеки (рис. 3.1). При шнековом бурении применяют двух- или трехперые ступенчатые долота, а также долота типа РХ. Бурение неглубоких (до 30 м) скважин производят забивными стаканами, желонками и грунтоносами диаметром 89 и 168 мм. При этом рекомендуется использовать автоматический подъем и сбрасывание инструмента на забой. 12 Рис. 3.1. Конструкция долота и шнеков: а – шнек (установка ПБУ-2): 1 – труба; 2 – спираль; 3 – втулка; 4 – хвостовик; 5 – палец соединительный; 6 – фиксатор; б – трехперовое долото: 1 – корпус; 2 – спираль; 3 – лопасть; 4 – резец 3.3. Забивной способ Забивное бурение может быть использовано при проходке всех разновидностей связных грунтов (рис. 3.2). Основными технологи- ческими параметрами этого способа являются: а) вес ударного патрона (кг); б) число ударов (мин); в) величина подъема ударного патрона (м); г) величина углубления наконечника (м). 4  2 1  3 1 2 3 5 6 13 Рис. 3.2. Схема работы ударно-канатного станка: 1 – буровой снаряд; 2 – инструментальный канат; 3 – шестерня привода ударного вала; 4 – кривошип; 5 – шатун; 6 – оттяжная рама 14 В зависимости от диаметра стакана вес ударного патрона должен находиться в пределах 100–150 кг. Величина подъема ударного патрона обычно регламентируется его конструкцией и равна 0,6–1 м. Число ударов забивного патрона колеблется в пределах 20–25 уд./мин. Во избежание прихвата наконечника на забое рейсо- вое углубление ограничивают до 0,2–0,4 м. В случае проходки неустойчивых глинистых и песчаных грунтов бурение ведется забивным способом с одновременным погружени- ем обсадных труб путем их расхаживания или вибрирования. При помощи желонки можно проходить песчаные, илистые грунты и дресву. Желонка представляет собой стакан, в нижней ча- сти которого имеется башмачок с клапаном, который при подъеме закрывает отверстие для того, чтобы извлекаемый грунт задержи- вался внутри стакана. Для прохождения дресвы необходимо также использовать долото. Долото поднимают и сбрасывают в забой, разрушенную, измель- ченную породу извлекают желонкой. Если порода слишком плот- ная, то необходимо увеличить силу удара долота, для чего увеличи- вают вес инструмента путем присоединения к нему тяжелой удар- ной штанги. Она может быть цельной и составной. Нижняя часть долота называется лезвием, которое выполняется из цельного куска крепкой стали. Сам корпус состоит из более мягкой стали. Для ра- боты с долотом необходимо использовать стальной трос. Во время бурения для округления скважины долото необходимо поворачи- вать на 15–200 градусов после каждого удара. 3.4. Выбор установки и порядок проведения буровых работ В соответствии с необходимостью проведения комплексных и детальных исследований грунтов на месте постройки жилого дома скважину проходят в два этапа: – бурение грунтов шнеком диаметром 168 мм в сухую на всю длину с отбором проб породы нарушенного сложения; – бурение породы ударно-канатным способом посредством же- лонки диаметром 135 мм с отбором пробы ненарушенного сложения. Необходимо подобрать для этих работ буровую установку сред- ней грузоподъемности с возможностью проведения данных видов 15 бурения. Этим критериям соответствует буровая установка ПБУ-2 (рис. 3.3, 3.4), изготовленная фирмой «ГЕОМАШ» (Россия). Рис. 3.3. Установка ПБУ-2 Рис. 3.4. Схема установки ПБУ-2 Далее приведены характеристики данной установки (табл. 3.1). 16 Таблица 3.1 Технические характеристики установки ПБУ-2 Виды работ механизмов Числовые характеристики 1 Мощность привода, кВт 44 2 Момент силы на шпинделе вращателя, кгс·м 500 3 Частота вращения шпинделя: – для трехскоростной коробки передач – четырех скоростной коробки передач 28–325 28–204 4 Максимальное усилие подачи, кгс 3000 5 Максимальное усилие обратного хода, кгс 8000 6 Длина хода подачи (в зависимости от конструк-тивного исполнения), мм 2200 или 3400 7 Грузоподъемность лебедки, кгс 2600 8 Условная глубина бурения, м: – ударно-забивными снарядами – шнеками – шнековым буром – вращательное с промывкой / продувкой – ударно-вращательное с применением погруж- ных гидроударных / пневмоударных машин 25 50 16 200 / 100 200 / 50 9 Диаметр бурения, мм: – ударно-забивными снарядами – шнеками – шнековым буром – вращательное с промывкой / продувкой – ударно-вращательное с применением погруж- ных гидроударных / пневмоударных машин 135 250 850 250 / 132 132 / 132 10 Габаритные размеры (длина–ширина–высота), мм: – в транспортном положении – в рабочем положении 8255×2500×3390 8500×2500×7800 11 Масса установки, кг не более 15450 12 Mаксимальная скорость, км/ч 80 13 Базовое шасси Модель КАМАЗ-43114 14 Максимальная мощность при 2200 об/мин, л. с. (кВт) 240 (176) 17 Установка ПБУ-2 выполняет следующие виды работ: – бурение инженерно-геологических и технических скважин ударно-забивным способом; – проходку геологоразведочных шурфов в рыхлых наносных отложениях; – вращательное колонковое бурение с затиркой керна «всухую»; – вращательное колонковое и бескерновое бурение с очисткой забоя водой или водными растворами геологоразведочных, гидро- и инженерно-геологических, технических скважин; – вращательное колонковое и бескерновое бурение с очисткой забоя сжатым воздухом геологоразведочных, гидро- и инженерно- геологических, технических скважин; – ударно-вращательное колонковое и бескерновое бурение с применением погружных гидроударных машин с очисткой забоя водой или водяными растворами геологоразведочных, гидро- и ин- женерно-геологических, технических скважин; – ударно-вращательное колонковое и бескерновое бурение с применением погружных пневмоударных машин с очисткой забоя сжатым воздухом геологоразведочных, гидро- и инженерно- геологических, технических скважин. На установке смонтированы: – мачта с кронблоком однострунной оснастки, механизмом по- дачи и подвижным вращателем, приводимым от вертикального вала фигурного сечения; – буровая лебедка с возможностью свободного сброса каната; – палубный дизельный двигатель типа Д-65. Порядок проведения бурения шнеком: – намечают место бурения, делают пробный проход на месте бу- дущей скважины с помощью бурового стакана; – к установке присоединяют шнек (1,5–1,8 м), начинается буре- ние; после погружения первого шнека наверх укрепляют второй, бурение продолжается; после полного погружения второго шнека их поднимают на поверхность с помощью лебедки; осматривается грунт, захваченный шнеком. Все данные, полученные в результате осмотра грунта, заносят в журнал бурения; – вновь опускают шнеки в скважину, присоединяя к ним третий, которые закрепляют с помощью болтов, продолжается бурение; – периодически производят осмотр шнека, его наращивание, забор образцов и заполнение журнала. 18 4. ДИНАМИЧЕСКОЕ И СТАТИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ Динамическое и статическое зондирование относятся к специ- альным методам инженерной геологии. Они основаны на том, что песчано-глинистые породы в зависимости от их состава и свойств оказывают различное сопротивление режущему профилю, чаще всего коническому наконечнику. По способу погружения конуса (забивка, вдавливание) разли- чают динамическое и статическое зондирование. Динамическое зондирование предназначено для исследования песчано-глинистых пород, содержащих не более 40 % крупнообло- мочного материала, на глубине до 20 м. С помощью этого метода можно расчленить разрез пород на слои, отличающиеся сопротив- лением динамической пенетрации с высокой точностью (до 0,05 м); установить их степень однородности, определить показатели неко- торых свойств и глубину забивки свай. Динамическое зондирование – процесс погружения зонда в грунт под действием ударной нагрузки (ударное зондирование) или удар- но-вибрационной нагрузки (ударно-вибрационное зондирование) с измерением показателей сопротивления грунта внедрению зонда. Испытание грунта методом динамического зондирования прово- дят с помощью специальной установки, обеспечивающей внедрение зонда ударным или ударно-вибрационным способом. При динамическом зондировании измеряют: – глубину погружения зонда h от определенного числа ударов молота (залога) при ударном зондировании; – скорость погружения зонда v при ударно-вибрационном зонди- ровании. По данным измерений вычисляют условное динамическое со- противление грунта погружению зонда Pd. В состав установки для испытания грунта динамическим зонди- рованием должны входить: – зонд (набор штанг и конический наконечник); – ударное устройство для погружения зонда (молот или вибро- молот); – опорно-анкерное устройство (рама с направляющими стойками); – устройства для измерения глубины погружения зонда или ско- рости погружения зонда. 19 Динамическое зондирование следует выполнять непрерывной забивкой зонда в грунт свободно падающим молотом или вибромо- лотом, соблюдая порядок операций, предусмотренный инструкцией по эксплуатации установки. При испытании ударным способом значение Pd определяют по формуле 1 2 d AK K nP n  , МПа, где А – удельная энергия зондирования; K1 – коэффициент учета потерь энергии при ударе молота о наковальню и 1 на упругие деформации штанг; K2 – коэффициент учета потерь энергии на трение штанг о грунт; n – число ударов. Статическое зондирование основано на вдавливании зонда в грунт статической нагрузкой. Оно применяется для испытания немерзлых и талых песчано-глинистых грунтов, содержание не бо- лее 25 % частиц крупнее 10 мм. Сопротивление, оказываемое грунтом, вдавливанию зонда назы- вают общим сопротивлением пенетрации R. Общее сопротивление пенетрации включает статическое сопротивление пенетрации Q, часть общего сопротивления, обусловленную силами реакции грун- та на вдавливания наконечника и трение по боковой поверхности зонда F: R = Q + F. Интенсивность статического сопротивления пенетрации, т. е. си- ла, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения нако- нечника зонда, называется удельным статическим сопротивлением пенетрации Pq. Интенсивность трения, т. е. сила трения, приходя- щаяся на единицу площади боковой поверхности зонда, называется удельным трением Pj. 20 По величине Pq определяют плотность сложения песков, конси- стенцию глинистых грунтов. Устанавливают нормативное давление на грунт, по Pq и Pj определяют несущую способность свай. Статическое зондирование является одним из наиболее эффек- тивных методов исследования грунтов в условиях их естественного залегания. В соответствии с ГОСТ 20069–74 метод статического зондиро- вания в сочетании с другими видами инженерно-геологических ис- следований (динамическое и ударно-вибрационное зондирование) следует применять для определения: – инженерно-геологических элементов (мощности, границы рас- пространения грунтов различного состава и состояния); – однородности грунтов по площади и глубине; – глубины залегания кровли скальных и крупнообломочных грунтов; – приближенной количественной оценки характеристик свойств грунтов (плотность, угол внутреннего трения, модуль деформации); – сопротивления грунта под сваей по ее боковой поверхности; – степени уплотнения и упрочнения во времени искусственно сложенных грунтов. Зондирование следует выполнять по программе, составляемой согласно требованиям СНиП II-9–78 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения». Глубина зондирования должна быть, как правило, не менее 10 м. Она может быть менее 10 м, но не менее 5 м при изысканиях под застройку сравнительно легкими сооружениями. Глубина зон- дирования может также быть менее 10 м при близком залегании к поверхности коренных пород, а также твердых глинистых или плотных несвязных грунтов высокой несущей способности. При этом необходимо убедиться, что под конусом зонда находится несущий слой достаточной мощности. Убедиться в этом можно, пробурив хотя бы одну скважину и заглубив ее в плотный слой минимум на три метра. Статическое зондирование осуществляется циклами, в состав ко- торых входит: – равномерное вдавливание зонда с периодической – через 20 см – регистрацией величин сопротивления грунта вдавливанию или непрерывной автоматической записью на диаграммных лентах; 21 – поднятие штока домкрата в верхнее положение или наращива- ние следующего звена штанг. Испытание заканчивается после достижения конусом зонда заданной глубины или предельных усилий на конус или на зонд в целом. Далее представлены типовые листы по результатам проведения зондирований (рис. 4.1, 4.2). Рис. 4.1. Точка динамического зондирования 22 Ри с. 4 .2. То чка ст ати сти чес ког о з он ди ро ван ия 23 5. ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ С помощью геофизических методов можно решить ряд важных инженерно-геологических задач. При проведении инженерно-гео- логических исследований часто используют электроразведочные методы: вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) и элек- тропрофилирование, а также сейсморазведку по методу преломлен- ных волн (МПВ). Геофизические методы позволяют обнаружить крупные аномалии в строении геологической среды (пустоты, зоны трещин, погребенные эрозионные врезы) выявить реологическое и гидрогеологическое строение исследуемой области геологической среды; оценить ее некоторые водно-физические свойства (пори- стость, трещиноватость, водонасыщенность, упругие свойства). Методом ВЭЗ устанавливают положение границ между геоло- гическими телами, различающимися электрическим сопротивле- нием и поляризуемостью. В процессе инженерно-геологических съемок для определения положения границ в латеральной плос- кости применяют электрическое профилирование. Нередко в ходе решения какой-либо задачи сочетают ВЭЗ и электрическое про- филирование (например, при выявлении оконтуриваний пере- углублений в речных долинах). Применение геофизических методов наиболее часто преследует цель получения геометрических моделей исследуемой области гео- логической среды, гидрогеологического и геологического строения и др. Электроразведочные методы применяют и в ходе изучения ЭГП, главным образом карстового и оползневого. В процессе инженерно-геологических исследований используют радиоизотопные методы. Метод поглощения γ-излучения применяют для определения плотности грунта. В основе метода лежит зависимость между долей поглощаемого грунтом γ-излучения, проходящего через него, и массой грунта (рис. 5.1, 5.2). Плотность грунта определяется с точностью ±0,01 г/см3. 24 Рис. 5.1. Схема приборов определения плотности грунта методом поглощения γ-излучения: а – в параллельных скважинах; приборы типа: б – щуп; в – вилка: 1 – источник γ-квантов; 2 – детектор; 3 – пучок γ-квантов; 4 – вилка; 5 – штанга с источником излучения; 6 – радиометр Рис. 5.2. Схема γ-плотномера: 1 – источник излучения; 2 – экран; 3 – детектор; 4 – корпус; 5 – зона измерения (полевая проба грунта) а б в 25 Глубину залегания пород и их состав определяют путем сопо- ставления: – кажущихся удельных сопротивлений пород, определяемых электрическим каротажем скважин (КС-каротаж); – естественной радиоактивности пород (ГК-γ-каротаж); – интенсивности вторичного γ-излучения, возникающего в породах при их облучении потоком быстрых нейтронов в испускаемых специ- альным источником, погружаемым в скважину (НГК-нейтронный γ-каротаж); – скорости бурения породы и диаметров скважин в рассматрива- емом интервале глубин; – образцов породы, отбираемых из шлама и грунтоносами. О пористости породы, водообильности водоносных пластов и степени минерализации воды судят по следующим данным: – величине потенциала электрического поля, самопроизвольно возникающего в данном пласте (ПС-каротаж). Обычно чем больше пористость пласта, тем больше величина ПС; – величине КС – кажущееся удельное сопротивление породы (определяется электрическим каротажем); – образцом породы, отбираемым из шлама; – по поглощению промывочной жидкости. Для более точного определения состава пород по данным КС, ГК, НГК и ПС желательно иметь данные таких же исследований по аналогичным породам, вскрытым соседними скважинами. Места притока воды в скважину определяют по замерам удель- ного сопротивления промывочной жидкости, заполняющей ствол скважины. Притекающая вода перемешивается с промывочной жидкосью и делает ее удельное сопротивление в этом месте отлич- ным от первоначального; такие исследования носят название рези- стовиметрового каротажа. Диаметр скважины измеряют каверномерами. При бурении водозаборных скважин часто ограничиваются электрокаротажем (КС и ПС) и определением кривизны скважины (рис. 5.3). 26 Рис. 5.3. Схема электрического каротажа скважины: A – электрод в скважине от батареи 1; В – заземление батареи; C – заземление потенциометра 7; M и N – электроды для замера ∆v и токов ПС: 1 – батарея; 2 – реостат; 3 – переключатель; 4 – амперметр (А); 5 – потенциометр; 6 – компенсатор поляризации; 7 – потенциометр Для измерения КС и ПС в скважину, заполненную глинистым раствором и еще не закрепленную трубами, опускают хорошо изо- лированный трехжильный кабель со свинцовым грузом (утяжелите- лем) на конце и тремя электродами А, М и N, расположенными на разных уровнях. При определении КС электрический ток (от бата- реи 1) подводится к электроду А. От этого электрода ток потечет к электроду В, занимающему электрическую цепь. 27 Замеры величины потенциала в точках М и N позволяют опреде- лить их разность ∆U и кажущееся удельное сопротивление пород на участке MN. При подъеме кабеля электроды А, М и N меняют свое положение, меняется и величина кажущегося удельного сопротивле- ния пород. Результаты измерений автоматически записываются при- бором в виде кривой КС на бумажную ленту с масштабами глубин. Обычно удельное сопротивление пород тем больше, чем меньше минерализация воды, заполняющей поры породы и наоборот. Самопроизвольно возникающие в породах токи естественной поляризации ПС замеряются потенциометром 7, соединенным с электродами С и М, в моменты, когда ток к электроду А не пода- ется. Они малы по величине и измеряются в милливольтах (мВ). Обычно чем больше водопроницаемость породы, напротив которой находится электрод М, тем больше по величине ПС. На рис. 5.4 помещена схема электрокаротажной диаграммы для участка скважины. На ней следует выделить четыре характерных участка. На участках I и IV как КС, так ПС увеличены, поэтому можно ожидать, что оба пласта имеют повышенную водопроницае- мость (так как ПС больше по величине, чем на смежных участках) и содержат менее минерализованную воду (КС повышены). Но пер- вый пласт имеет: меньшую мощность (участок ж–з больше участка а–б), меньшую водопроницаемость (ПС на этом участке меньше, чем на IV) и содержит более минерализованную воду (КС меньше, чем на IV участке). На III участке, по-видимому, залегают водопроницаемые породы (ПС повышены), но вода в них будет минерализованной (КС малы). На II участке ПС понижены, поэтому надо ожидать, что этот пласт недостаточно водопроницаем. Границы каждого пласта отмечены буквами. Точность их определения, по данным каротажных диаграмм, высокая (погреш- ность 0,1–0,2 м). Приведенные соображения о возможной водоносности пластов корректируются с учетом степени поглощения раствора при разбу- ривании соответствующего участка скважины, скорости бурения (проходки), состава пород (по образцам, отобранным из шлама или взятым грунтоносами) и результатов других наблюдений и исследо- ваний, если они проводились. 28 Рис. 5.4. Схема каротажной диаграммы для одного из участков скважины 29 6. ОПИСАНИЕ РАЙОНА РАБОТ, ПРЕДПОЛОЖИТЕЛЬНОГО ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА И СТАДИИ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТ Природные факторы, определяющие современные инженерно- геологические условия территории, можно разделить на региональ- ные геологические и зональные географические. К региональным геологическим факторам относятся: – структурно-тектоническое развитие земной коры и ее совре- менное геологическое строение; – формирование и строение поверхностной и приповерхностной части земной коры; – подземные воды, современные геологические процессы. К зональным факторам относятся климат и его влияние на фор- мирование приповерхностной части земной коры, подземных, пре- имущественно грунтовых вод и на возникновение и режим экзодина- мических процессов. Кроме того, интенсивное влияние инженерно- хозяйственной деятельности человека на геологическую среду требует учета антропогенного фактора при ее оценке, в первую очередь, путем анализа инженерно-геологических процессов и явлений. В зависимости от конкретной природной обстановки и типа ин- женерных сооружений каждый из перечисленных факторов может иметь различное значение. Однако на первое место вынесено геоло- гическое строение местности, так как от его характера зависят осо- бенности рельефа, формирование подземных вод, возникновение эндогенных и экзогенных геологических процессов. Таким образом, геологическая среда сформировалась, а ее разви- тие происходило под преобладающим влиянием региональных и зо- нальных факторов и процессов. Результаты воздействия этих факто- ров в геологическом прошлом отражены в геологическом строении и характере пород, в различных последствиях влияния геологических процессов (карст, тектоническая нарушенность пород и др.). Чем более удалено в геологическое прошлое время формирова- ния того или иного элемента геологической среды, тем менее сохранилось на него влияние зональных географических факторов, имеющих инженерно-геологическое значение. Влияние зональных географических факторов больше сказы- вается на формировании геологической среды на современном этапе 30 геологического развития земной коры и на современных процессах. Но и на современном этапе результаты влияния зональных факторов на формирование инженерно-геологических условий в существенной мере определяются характером существующего геологического стро- ения территории и действующих геодинамических процессов. Даже влияние таких резко зональных факторов, как процессы, связанные с мерзлотой, режимом грунтовых вод и другие, зависят от характера пород, образовавшихся в прошлое геологическое время. Региональные факторы в этом случае сохраняют свою роль как до- минирующие, определяющие совокупность процессов, формирую- щих современные инженерно-геологические условия местности. К региональным факторам инженерно-геологических условий относятся: – рельеф; – геоморфология; – геологическое строение и гидрогеологические особенности; – инженерно-геологические процессы. Работы велись в районе поселка Боровая Минского района. В соот- ветствии со схематическим геолого-литологическим разрезом прохо- димые пароды представлены разного рода песками с включениями гравия, гальки и валунов различной крупности, супесями и суглинками моренными (рис. 6.1) днепровского и березинского оледенений. Генезис геолого-литологического разреза: aIIIv – аллювиальный – отложения рек; fIIms – флювиогляциальный – водоледниковые отложения пото- ков талых ледниковых вод; fIIdn – флювиогляциальный – водоледниковые отложения пото- ков талых ледниковых вод; gIIdn – гляциальный – отложение ледников, морена; gIbr – гляциальный – отложение ледников, морена. При инженерно-геологических изысканиях диапазон разрабаты- ваемых глубин колеблется до 50 м (см. рис. 6.1). Для наших изыс- каний выбрана глубина скважины до 30 м (рис. 6.2), так как она обеспечивает достаточные данные для дальнейших исследований. Инженерно-геологические изыскания проводились под построй- ку жилого дома. Схема рабочей площадки под постройку представ- лена на рис. 6.3. 31 Рис. 6.1. Схематический геолого-литологический разрез В соответствии со всеми данными по геологическим и гидрогео- логическим условиям в районе производства работ можно составить инженерно-геологическую колонку для будущей скважины. 32 Рис. 6.2. Инженерно-геологическая скважина на площадке поселка Боровая Минского района 33 Рис. 6.3. Схема рабочей площадки 34 7. ЛАБОРАТОРНОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ДАННЫХ О СВОЙСТВАХ ГОРНЫХ ПОРОД И ГРУНТОВ 7.1. Основные положения Лабораторные исследования производятся с целью определения состава, состояния и строительных свойств пород, а также химиче- ского состава грунтовых зол, их агрессивности и коррозийности в зависимости от сложности инженерно-геологических условий, особенностей пород, размеров исследуемой территория, а также характера и класса возводимых сооружений. Методы получения инженерно-геологической информации включают обширный комплекс лабораторных методов определения физико-механических свойств пород. Основные методы лабораторных определений физико-механи- ческих свойств песчано-глинистых пород включают определение: – гранулометрического состава связных и несвязных пород; – плотности и объемной массы пород, расчет пористости; – влажности и максимальной молекулярной влагоемкости; – пластичности, липкости, набухания, водопрочности; – коэффициента фильтрации; – угла естественного откоса; – сжимаемости и сопротивления сдвигу. Набор показателей свойств и объем лабораторных испытаний должны быть оптимальными и точно отвечать инженерной задаче. Наборы показателей свойств и число определений некоторого свой- ства грунтов изменяются на различных этапах хозяйственной дея- тельности в зависимости от цели, для достижения которой исполь- зуются показатели. А. При составлении схем размещения и развития отраслей про- мышленности ТЭО, которые в геологическом отношении базируются на результатах государственной инженерно-геологической съемки, показатели свойств грунтов используются в процессе составления средне- и мелкомасштабных карт инженерно-геологических условий для уточнения названий горных пород, выявления закономерностей пространственной изменчивости и установления главных направлений; проверки правильности отнесения геологического тела к некоторой таксономической единице классификации и характеристики его свойств; сравнительной оценки свойств грунтов, распространенных 35 в разных частях изучаемой территории. С целью решения перечис- ленных задач достаточно иметь в распоряжении показатели, характе- ризующие состав пород, и показатели свойств, называемые класси- фикационными. Оценки показателей могут быть подсчитаны с веро- ятностью, не превышающей 0,7–0,8. Б. При проведении инженерно-геологических исследований на стадии проекта должны быть получены данные о показателях свойств, достаточные для расчленения геологической среды внутри контуров строительной площади на глубину сферы взаимодействия наиболее тяжелого сооружения; выбора на основании оценок клас- сификационных показателей нормативных значений показателей сжимаемости и прочности грунтов, необходимых для предвари- тельного расчета оснований, выполняемого в рамках компоновки сооружений; составления проекта проведения строительных работ и проекта защитных мероприятий. В. В процессе инженерно-геологических изысканий на стадии ра- бочей документации показатели свойств должны обеспечить расчле- нение геологической среды внутри предполагаемой сферы взаимодей- ствия на геологическое тело; выделение инженерно-геологических элементов; получение для них оценок прочностных и деформационных свойств грунтов, необходимых для окончательного расчета основания сооружения. В соответствии со СНиП оценки показателей свойств должны быть получены с вероятностью 0,85 при расчете по деформа- циям и 0,95 – при расчете оснований по несущей способности. Для со- оружений I класса и уникальных вероятность увеличивается до 0,99. Таким образом, по мере детализации инженерно-геологических исследований увеличивается разнообразие методов лабораторных испытаний грунтов, возрастает роль модельных испытаний грунтов при определении показателей их прочности и деформационных свойств, становятся более жесткими требования к точности и дове- рительной вероятности оценок показателей свойств. 7.2. Исследования прочностных и деформационных свойств песков Исследования проводим для четырех разностей. Мелкой – масса частиц 0,1–0,25 мм, средней плотности, 0,60 ≤ ≤ е ≤ 0,75; средней – масса частиц крупнее 0,25 мм более 50 %, е > > 0,70; крупной – масса частиц крупнее 0,5 мм более 50 %, средней 36 плотности е 0,55 ≤ 0,70; гравелистой – масса частиц крупнее 2 мм более 25 %, плотного, е < 0,55. Гранулометрический состав подготовки проб к анализу проводился ситовым методом. Вид грунта определялся по ГОСТ 2510082. Плотность песков плотного и рыхлого сложения определяется по формуле 1 0 ,m mp V  где m1 – масса стакана с песком, г; m0 – масса стакана, г; V – объем грунта. Определение важности производим в сушильном шкафу, где поддерживается постоянная температура около 105 °С. Величину влажности грунта (W) в процентах вычисляем по формуле 1 2 2 0 %,( ) 100 , m mW m m    где W – влажность грунта, %; m1 – масса бюкса с влажным фунтом, г; m2 – масса бюкса с сухим фунтом, г; m0 – масса бюкса, г. Определение сжимаемости грунта без возможного бокового расши- рения проводилось на компрессионном приборе типа КП (рис. 7.1). Рис. 7.1. Схематичный разрез компрессионной части прибора КП-1: 1 – ванна; 2 – грунтоотборочное кольцо с грунтом; 3 – перфорированный поршень; 4 – обойма; 5 – перфорированный диск 37 Определение сопротивления песчаных грунтов срезу в одно- плоскостном сдвиговом приборе вызывает значительные трудности, поэтому о деформационных свойствах песков можно косвенно судить на основании определения угла естественного откоса на приборе УВТ-2. Проведенными опытными работами определяем углы естест- венного откоса грунта в сухом состоянии и под водой (рис. 7.2), значения заносим в табл. 7.1. Рис. 7.2. Схема прибора для определения угла естественного откоса УВТ-2: 1 – опорный столик; 2 – шкала; 3 – съемный конус; 4 – стеклянный сосуд Таблица 7.1 Определение угла естественного откоса Определение Сухой грунт Под водой Среднее значение Средний 3535 30 Гравелистый 3838 30 38 Окончание табл. 7.1 Определение Сухой грунт Под водой Среднее значение Мелкий 3535 28 Крупный 5050 30 Мелкозернистый песок: из проведенных испытаний на приборе КП следует, что наиболее быстро при компрессионных испытаниях сжимаются пески естественной влажности. При начальной влажности 4,11 %, нагрузках от 0 до 0,3 мПа, времени от 0 до 50 мин и начальной плотности грунта 1,67 г/см3 сжимаемость грунта составляет 0,25 см. Плотность изменилась и составила 2,66 г/см3 при изменении коэффициента пористости от 0,662 до 0,651. При добавлении 30 мл воды степень уплотнения грунта су- щественно меняется. Коэффициент пористости при тех же условиях опыта изменяется в меньшей степени по сравнению с грунтом естественной влажности. Это объясняется тем обстоятельством, что в песчаном грунте естественной влажности имеются свободные поры, где отсутствует жидкость. Поры при насыщении водой заполняются, в грунте возникает поровое давление, которое приводит к снижению сжимаемости фунта. Пористость уменьшилась на половину по отношению к изменению пористости естественной влажности. При добавлении 60 мл воды условия опыта практически не меняются, изменение пористости происходит в тех же пределах, как и при добавлении 30 мл воды. 7.3. Лабораторные исследования прочностных и деформационных свойств глинистых грунтов Простые соли, к числу которых относятся галоиды, сульфаты и карбонаты, в глинистых грунтах находятся в твердом и раство- ренном виде. К легкорастворимым солям относятся сульфаты (гипс, ангидрит) и хлориды натрия. При оценке глинистого грунта как ос- нования зданий и сооружений большое значение имеет определение 39 его свойства, связанного с взаимодействием с водой и растворен- ными в ней электролитами, – водопрочность. Под водопрочностью понимается способность грунта сохранять механическую прочность и устойчивость при статическом и динамическом воздействиях. Размокаемость – способность глинистого грунта при впитывании воды терять прочность и превращаться в рыхлую породу с полной потерей несущей способности. Размоканию обычно подвергаются те глинистые грунты, влажность которых меньше их максимальной молекулярной влагоемкости. Проведенными опытными работами в лаборатории на приборе ПРГ-1 (рис. 7.3) показано, что размока- нию не подвергаются глинистые грунты естественной влажности, когда поступающая в грунт вода не в состоянии увеличить количе- ство пленочной воды и стать причиной потери связности. При из- менении концентрации раствора с помощью NaCl до 200 мг/л и ин- тенсивным развитием осмотического оттока влаги из глинистых блоков (осмотическое обезвоживание глинистого грунта) и внедре- нии в них солей замедляется процесс размокания во времени, так как соль придает прочность скелету грунта (рис. 7.4). Рис. 7.3. Прибор для определения размокания грунтов: 1 – корпус; 2 – опора; 3 – качающаяся ось; 4 – гайка; 5 – стрелка; 6 – скобообразный рычаг; 7 – гибкая связь; 8 – сетка; 9 – противовес; 10 – шкала 40 Рис. 7.4. Графики степени размокания глинистого грунта: П – числовая отметка в процессе размокания; _______ с дистиллированной водой; _ _ _ _ с минерализацией 200 мг/л Набухание – это способность грунтов увеличивать свой объем за счет развития давления набухания в процессе гидратации или взаи- модействия с химическими растворами. Набухание глинистых грунтов в первую очередь зависит от степени дисперсности глини- стых частиц. Чем частицы меньше, тем в большей степени грунт способен набухать. Процесс набухания проходит в две стадии: 1 – адсорбционное или внутрикристаллическое набухание; 2 – макро- скопическое или осмотическое набухание. На первой стадии глина впитывает влагу за счет адсорбции молекул воды поверхностью 41 глинистых частиц и межслоевыми промежутками кристаллической решетки глинистых минералов. Эта стадия практически не влияет на изменение объема породы. На второй стадии набухания погло- щение влаги осуществляется с помощью осмотического давления, которое возникает вблизи поверхности глинистых частиц за счет избыточной концентрации обменных катионов, отошедших в рас- твор с поверхности глинистых частиц. Постепенное накопление со- лей в грунте приводит к изменению их состояния и свойств, что должно учитываться при проектировании и эксплуатации сооруже- ний, поскольку эти процессы могут существенно повлиять на проч- ность и деформативность оснований. Опыты по набуханию прово- дились на приборе ПНЗ (рис. 7.5). При искусственном внесении в глинистый грунт солей скорость набухания грунта увеличивается от времени начала опыта, поскольку происходит диффузия ионов электролитов из минерализованных растворов в блоки глинистых грунтов, придающих им дополнительный объем (рис. 7.6). Рис. 7.5. Прибор ПНЗ для определения величины набухания: 1 – индикатор; 2 – винт; 3 – обойма; 4 – поршень; 5 – режущее кольцо; 6 – перфорированныцй поддон; 7 – ванночка 42 Рис. 7.6. Графики степени набухания глинистого грунта во времени: Qsw – величина набухания глинистого грунта; _______ с дистиллированной водой; _ _ _ _ с минерализацией 200 мг/л При определении сжимаемости на компрессионном приборе КП (см. рис. 7.1) установлено, что коэффициент пористости изменяется при разных нагрузках, в результате чего уменьшается объем грунта. При внесении в грунт солей NaCl 3 и 6 г его пористость уменьшается. Коэффициент уплотнения при этом увеличивается (рис. 7.7). 43 Рис. 7.7. Графики определения сжимаемости глинистого грунта: _________ без включения; _ _ _ _ _ с насыщенными солями (3 г); _ . _ . _ . _ с насыщенными солями (6 г) В соответствии с законом сопротивления глинистых грунтов сдвигу предельное сопротивление связных пород сдвигу при завер- шенной их консолидации есть функция первой степени нормально- го напряжения. Для определения истинных значений сцепления и угла внутреннего трения образцы испытывались на приборе ГТП-30 (рис. 7.8). Они находились в одном и том же состоянии по плотности и влажности. Грунты в основании сооружений при не- одинаковых отметках залегания испытывают воздействие не только 44 нормальных, но и касательных напряжений. Когда касательные напряжения по какой-либо поверхности в грунте достигают его пре- дельного сопротивления, происходит сдвиг одной части массива относительно другой. Рис. 7.8. Схематичный разрез сдвигового прибора ГТП-30: 1 – дно нижней обоймы; 2 – нижнее кольцо; 3 – нижний перфорированный диск; 4 – грунт; 5 – верхний перфорированный диск; 6 – гайка зазора; 7 – штамп; 8 – гайка; 9 – установочный винт; 10 – верхнее кольцо; 11 – верхняя обойма; 12 – нижняя обойма; 13 – ванна На графиках (рис. 7.9) показано общее сцепление, зависящее от состава, плотности и влажности породы. Из них видно, что силы сцепления зависят не только от плотности и влажности, но и от вещественного состава, во многом определяющего связность между частицами грунта. Внесение в грунт солей уменьшает эту связность и сопротивление грунта сдвигу. 45 Рис. 7.9. Графики определения сопротивления грунта срезу в одноплоскостном приборе: _________ без включения; _ . _ . _ . _ с насыщенными солями (3 г); _ _ _ _ _ с насыщенными солями (6 г) 7.4. Использование полученных лабораторных результатов при определении расчетной площади подошвы фундамента (для песков) Требуется определить площадь подошвы фундамента под колонну (рис. 7.10). Нагрузка N, равная 150 т, приложена центрально. Глубина заложения фундамента hф = 2 м. Расчетное сопротивление грунта R на глубине 2 м для исследованных грунтов 46 (песков) равно 4,5 кг/см2. Объемный вес кладки γф равен 2,35 т/м3. Определим искомую площадь подошвы фундамента: 2 ф ф 150 3,7м .10 10 4,5 2 2,35 0,85 NF R h          Рис. 7.10. Схемы к определению расчетной площади фундамента (при центральной нагрузке) Задаем соотношение длины фундамента к ширине, например a / b = 1,5. Тогда а = l,5b, а F = l,5b2, когда (F = 3,7) 3,7 1,6 м1,5 1,5 fb    3,7 2,3 м.1,6а   7.5. Использование полученных лабораторных результатов при определении расчетной площади подошвы фундамента (для глинистых пород) Требуется определить площадь подошвы фундамента под колонну (см. рис. 7.4). Нагрузка N, равная 150 т, приложена центрально. Глубина заложения фундамента hф = 2 м. Расчетное 47 сопротивление грунта R на глубине 2 м для исследованных грунтов (суглинка) равно 3,4 кг/см2. Объемный вес кладки γф равен 2,35 т/м3. Определим искомую площадь подошвы фундамента: ф 2 ф 150 4,910 10 3,4 2 2, м35 .0,85 NF R h          Задаем соотношение длины фундамента к ширине, например a / b = 1,5. Тогда а = l,5b, а F = l,5b2, когда (F = 4,9) 4,9 1,81,5 1,5 fb    м 4,9 2,71,8а   м. 48 8. ОХРАНА ТРУДА При производстве работ должна быть организована служба охраны труда. К руководству инженерно-геологическими подразде- лениями допускаются только лица, имеющие соответствующее техническое образование. Проверка знаний правил техники безопасности инженерно- технического персонала проводится в соответствии с утвержден- ными министерствами и ведомствами положениями о порядке проверки знаний правил, норм и инструкций по технике безопас- ности руководителями и инженерно-техническими работниками не реже одного раза в три года. Инженерно-технические работники полевых партий и отрядов должны быть проверены в плане знаний техники безопасности перед выездом на полевые работы. Продолжительность инструк- тажа по технике безопасности устанавливается главным инжене- ром организации в зависимости от характера работы и должна быть не менее: для ранее не работавших – два дня, для ранее работавших – один день. Повторный инструктаж по технике безопасности всех рабочих должен проводиться не реже одного раза в полгода. Каждому работнику под личную подпись должны быть выданы администрацией инструкции по охране труда. К самостоятельной работе рабочий допускается только после сдачи экзаменов. Перио- дическая проверка знаний по технике безопасности рабочих прово- дится не реже одного раза в год. Для проведения работ планируется выезд на полевые работы, при этом все работники должны пройти медицинскую комиссию и проверку знаний по технике безопасности. Работники полевого отряда до начала полевых работ кроме получения инструктажа по ТБ должны быть обучены приемам, связанным со спецификой работ, и оказанию первой медицинской помощи. Перед выездом на полевые работы комиссия проверяет работников полевого отряда на знание техники безопасности, где особое внимание обращается на спецодежду и средства индивидуальной защиты (рукавицы, защитные очки, респираторы). Проекты должны разрабатываться в соответствии с технически- ми требованиями эксплуатации оборудования. 49 Буровая установка должна быть обеспечена механизмами и при- способлениями, повышающими безопасность работ, в соответствии с нормативами, утвержденными Министерством природных ресур- сов и охраны окружающей среды. Все рабочие, занятые на буровых установках, должны работать в защитных костюмах. При проведении полевых опытов по определению компрессион- ных и сдвиговых свойств горных пород необходимо: а) проверять перед монтажом приборов исправность канатов, хомутов, крючков и рычагов, а в нагрузочных платформах также надежность крепления установки; во время установки стоек и дом- кратов следить за положением тяжеловесных подвесных рычагов, приняв меры по предотвращению их падения; б) производить загрузку приборов образцами для определения параметров сдвига при отведенных в сторону рычагах; в) закреплять стенки и кровлю выработок, в которых произво- дятся опыты, принимать меры к предотвращению затопления выра- боток поверхностными и грунтовыми водами; в выработках должны находиться только лица, непосредственно участвующие в проведе- нии опытов; г) иметь свободный выход из горной выработки, обеспечиваю- щий быстрое удаление людей в случае аварии; д) тип установки и оборудования (конструкция штампа, профиль опорной балки, анкерные сваи и др.) для полевых испытаний выби- рать в зависимости от предельной расчетной нагрузки; при заглуб- лении в грунт анкерных свай несущая способность упорной балки должна быть на 25 % больше расчетной. При проведении полевых опытов по определению компрессион- ных и сдвиговых свойств горных пород запрещается: – нахождение людей в выработке во время загрузки платформы; – нахождение людей под грузовой платформой и рычагами. Если во время опыта будут обнаружены неисправности (в прибо- ре и измерительной аппаратуре, перекосы в передающих стойках и т. п.), проведение опыта должно быть приостановлено и возоб- новлено только после устранения всех неисправностей. Во избежание попадания дождевых и талых вод в шурфы пос- ледние должны быть оборудованы щитами или палатками и окру- жены валом из грунта на расстоянии не менее 1,0–1,5 м от края шурфа. 50 При проведении опытов по определению параметров сдвига пород в горной выработке установка должна быть укреплена в рас- пор не менее чем двумя винтовыми домкратами. При использовании опытной установки с применением гидравлических подушек и винтовых домкратов подушка должна иметь предохранительный металлический (съемный) кожух, а винтовые домкраты – предохранительный металлический пояс. После проведения каждого опыта камера должна быть проверена лицом технического надзора и приведена в безопасное состояние. При проведении полевых определений (опытов) на сжимаемость и сопротивление пород сдвигу в скважинах с помощью прессио- метров следует: а) перед началом определений проверить исправность и состо- яние шлангов, газового редуктора, вентиля, баллонов; б) при проведении определений в зимнее время над устьем сква- жины соорудить отапливаемое укрытие; в) следить за показаниями манометров и не допускать повыше- ние давления выше предельного; г) при работе с электропневматическими прессиометрами персо- нал должен соблюдать «Правила устройства и безопасной эксплуа- тации сосудов, работающих под давлением». Запрещается: – в процессе проведения опробования находиться над устьем скважины; – проведение опробования скважин при неисправности прибо- ров, измерительной аппаратуры, утечках воздуха, а также при зависании клапана редуктора, аномальных показаниях указателя деформации и т. п. При обнаружении неисправностей проведение опробования дол- жно быть приостановлено, источник высокого давления отключен, а давление в системах прессиометра снято. 51 9. ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Проблема охраны окружающей и геологической среды, в част- ности, весьма актуальна. При производстве инженерно-геологических изысканий прохо- дят горные выработки, которые нарушают естественное состояние геологической среды. Особенно это очень часто выражается в оттаивании многолетне- мерзлых грунтов, нарушении и загрязнении подземного стока грун- товых вод, являющихся основным источником водоснабжения, и т. п. Для предотвращения подобных явлений при производстве работ необходимо максимально снизить возможность загрязнения геоло- гической среды продуктами ГСМ, полимерными добавками к про- мывочным жидкостям и т. п. После завершения работ все горные выработки необходимо ликвидировать путем их засыпки песком и последующей затрам- бовкой во избежание просадок поверхности земли, которые в свою очередь могут привести к развитию разного рода экзогенно- геологических процессов (оврагообразование, заболачивание, тер- мокарст и т. д.). При производстве работ в лесном массиве необходимо соблю- дать правила пожарной безопасности, а также не допускать загрязнения природы бытовыми и техническими отходами. Основными мероприятиями по очистке сточных вод являются: – замкнутое оборот-водоснабжение предприятий; – разбавление до гигиенических ПФК вредных веществ; – применение механических, химических и биологических методов. Выполняя инженерно-геологические исследования, необходимо предотвращать утечки в водоемы и водостоки загрязненных промы- вочных жидкостей, нефтепродуктов, вод и растворов, содержащих токсичные вещества. Основными вопросами, которые необходимо решать при комп- лексных мероприятиях по охране почв, являются: – борьба с эрозией почв, механическим, химическим и бактерио- логическим загрязнением; – защита от засоления и заболачивания; – организация утилизации бытовых и промышленных отходов, рекультивация почв. 52 При проведении инженерно-геологических изысканий необходи- мо предусматривать выполнение следующих видов работ: – располагать подъездные пути в местах просек и стыков сево- оборотов; – осуществлять снятие растительного покрова на площадке размещения бурового оборудования и вспомогательных подсобных помещений с последующей рекультивацией. 53 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Грунты. Отбор, упаковка, транспортировка и хранение образ- цов : ГОСТ 12071–2000. 2. Инженерные изыскания для строительства : СНБ 1.02.01–98. 3. Состав, порядок разработки и согласования проектной доку- ментации в строительстве : СНБ 1.03.02–96. 4. Состав и порядок разработки раздела «Охрана окружающей среды» в проектной документации : П3-02 к СНБ 1.03.02–96. 5. Колпашников, Г. А. Инженерная геология : пособие / Г. А. Кол- пашников. – Минск: БНТУ, 2017 – 90 с. 6. Колпашников, Г. А. Бурение и оборудование гидрогеологи- ческих и водозаборных скважин : учебно-методическое пособие / Г. А. Колпашников. – Минск: БНТУ, 2016 – 59 с. 54 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................ 3 1. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИСХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ ...... 4 2. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОПРОБОВАНИЕ .............. 7 3. ПРОХОДКА СКВАЖИНЫ ........................................................ 10 3.1. Основные положения ............................................................... 10 3.2. Вращательное шнековое бурение ........................................... 11 3.3. Забивной способ ....................................................................... 12 3.4. Выбор установки и порядок проведения буровых работ ..... 14 4. ДИНАМИЧЕСКОЕ И СТАТИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ................................................................................ 18 5. ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ................................... 23 6. ОПИСАНИЕ РАЙОНА РАБОТ, ПРЕДПОЛОЖИТЕЛЬНОГО ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА И СТАДИИ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТ .................................................. 29 7. ЛАБОРАТОРНОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ДАННЫХ О СВОЙСТВАХ ГОРНЫХ ПОРОД И ГРУНТОВ ............................ 34 7.1. Основные положения ............................................................... 34 7.2. Исследования прочностных и деформационных свойств песков ...................................................................................... 35 7.3. Лабораторные исследования прочностных и деформационных свойств глинистых грунтов ............................... 38 7.4. Использование полученных лабораторных результатов при определении расчетной площади подошвы фундамента (для песков) ..................................... 45 7.5. Использование полученных лабораторных результатов при определении расчетной площади подошвы фундамента (для глинистых пород) ................................... 46 8. ОХРАНА ТРУДА ........................................................................ 48 9. ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ........................................ 51 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ...................... 53 55 Учебное издание КОЛПАШНИКОВ Геннадий Александрович БУРЕНИЕ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН НА СТРОИТЕЛЬНОЙ ПЛОЩАДКЕ И ИХ ОПРОБОВАНИЕ Пособие для студентов специальности 1-51 02 01-04 «Разработка месторождений полезных ископаемых (буровые работы)» Редактор Т. В. Грищенкова Компьютерная верстка Е. А. Беспанской Подписано в печать 19.01.2018.Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 3,20. Уч.-изд. л. 2,50. Тираж 70. Заказ 135. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. Свидетельство о государственной регистрации издателя, изготовителя, распространителя печатных изданий № 1/173 от 12.02.2014. Пр. Независимости, 65. 220013, г. Минск.