Инженерно-геологические изыскания
Цель инженерно-геологических исследований - получить необходимые для проектирования объекта инженерно-геологические материалы. В задачи исследований входит изучение геологического строения, геоморфологии, гидрогеологических условий, природных геологических и инженерно-геологических процессов, свойств горных пород и прогноз их изменений при строительстве и эксплуатации различных сооружений.
Инженерно-геологические исследования под постройку отдельных зданий и сооружений производятся на конкретном участке, где будут размещены здания. Объем проводимых на ней работ зависит от вида (назначения) здания, уровня его ответственности, сложности инженерно-геологических условий площадки строительства.
Установлено три уровня ответственности зданий и сооружений: I-повышенный, II - нормальный, III - пониженный.
Повышенный уровень ответственности следует принимать для зданий и сооружений, отказы которых могут привести к тяжелым экономическим, социальным и экологическим последствиям (резервуары для нефти и нефтепродуктов вместимостью 10000 м3 и более, магистральные трубопроводы, производственные здания с пролетами 100 м и более, сооружения связи высотой 100 м и более, а также уникальные здания и сооружения).
Нормальный уровень ответственности следует принимать для зданий и сооружений массового строительства (жилые, общественные, производственные, сельскохозяйственные здания и сооружения).
Пониженный уровень ответственности следует принимать для сооружений сезонного или вспомогательного назначения (парники, теплицы, летние павильоны, небольшие склады и подобные сооружения).
Категории сложности инженерно-геологических условий приведены в приложении 3.
Инженерно-геологические работы выполняются в следующем порядке: вначале проводят сбор и анализ материалов ранее проводимых изысканий. В соответствии с этим намечается программа исследования. Далее участок изучают разведочными выработками, которые позволяют установить состав и мощность пород, условия их залегания. Отобранные при этом образцы грунтов и пробы подземных вод направляют на лабораторные исследования. Выполненные исследования обобщают и представляют в виде заключения об инженерно-геологических условиях площадки. К заключению прилагают план расположения выработок, разрезы, таблицы. Это служит основанием для составления проекта застройки отдельного здания. Разведочные выработки выполняются в виде скважин и шурфов.
Диаметр скважин, используемых в практике инженерно-геологических исследовании, обычно находится в пределах 100-150 мм. Размер шурфов в плане зависит от их предполагаемой глубины. Чаще всего это 1´1 м, 1´1,5 м, 1,5´1,5 м. Обычно глубина шурфа бывает 2-3 м, максимально до 4-5 м. Количество шурфов по отношению к скважинам составляет 1:10 – 1:20. Скважины и шурфы следует располагать по контурам или осям проектируемого здания, в местах резкого изменения нагрузок на фундаменты, глубины их заложения, на границах различных геоморфологических элементов.
Расстояние между скважинами устанавливается в зависимости от сложности инженерно-геологических условий и уровня ответственности проектируемого здания по табл. 8.1:
Таблица 8.1
| Категория сложности инженерно-геологических условий | Расстояние между скважинами для зданий I и II уровней ответственности | |
| I | II | |
| I II III | 75-50 40-30 25-20 | 100-75 50-40 30-25 |
| Примечание — Большие значения расстояний следует применять для зданий и сооружений малочувствительных к неравномерным осадкам, меньшие - для чувствительных к неравномерным осадкам, с учетом регионального опыта и требований проектирования. |
Общее количество горных выработок в пределах контура каждого здания и сооружения II уровня ответственности должно быть, как правило, не менее трех, включая выработки, пройденные ранее, а для зданий и сооружений I уровня ответственности — не менее 4—5 (в зависимости от их вида). При расположении группы зданий и сооружений II и III уровней ответственности, строительство которых осуществляется по проектам массового (типовым) и повторного применения, а также для технически несложных объектов на участке с простыми и средней сложности инженерно-геологическими условиями, размеры которого не выходят за пределы максимальных расстояний между горными выработками, выработки в пределах контура каждого здания и сооружения могут не предусматриваться, а общее их количество допускается ограничивать пятью, располагаемыми по углам и в центре участка.
На участках отдельно стоящих зданий и сооружений III уровня ответственности (складские помещения, павильоны, подсобные сооружения и т.п.), размещаемых в простых и средней сложности инженерно-геологических условиях, следует проходить одну-две выработки.
Глубины горных выработок при изысканиях для зданий и сооружений, проектируемых на естественном основании, следует назначать в зависимости от величины сжимаемой толщи с заглублением ниже нее на 1-2 м. При отсутствии данных о сжимаемой толще грунтов оснований фундаментов глубину горных выработок следует устанавливать в зависимости от типов фундаментов и нагрузок на них (этажности) по таблице 8.2:
Таблица 8.2
| Здание на ленточных фундаментах | Здание на отдельных опорах | ||
| Нагрузка на фундамент, кН/м (этажность) | Глубина горной выработки от подошвы фундамента, м | Нагрузка на опору, кН | Глубина горной выработки от подошвы фундамента, м |
| До 100 (1) | 4-6 | До 500 | 4-6 |
| 200 (2-3) | 6-8 | 5-7 | |
| 500 (4-6) | 9-12 | 7-9 | |
| 700 (7-10) | 12-15 | 9-13 | |
| 1000 (11-16) | 15-20 | 11-15 | |
| 2000 (более 16) | 20-23 | 12-19 | |
| 18-26 | |||
| Примечания: 1. Меньшие значения глубин горных выработок принимаются при отсутствии подземных вод в сжимаемой толще грунтов основания, а большие - при их наличии. 2 Если в пределах глубин, указанных в таблице, залегают скальные грунты, то горные выработки необходимо проходить на 1-2 м ниже кровли слабовыветрелых грунтов или подошвы фундамента при его заложении на скальный грунт, но не более приведенных в таблице глубин. 3. На участках расположения слабых пород (водонасыщенные пески, илы и т.д.) скважины должны достигнуть их и на 2-3 м войти в породы, которые могут служить надежным основанием. |
Глубину горных выработок при плитном типе фундаментов (ширина фундаментов более 10 м) следует устанавливать по расчету, а при отсутствии необходимых данных глубину выработок следует принимать равной половине ширины фундамента, но не менее 20 м для нескальных грунтов. При этом расстояние между выработками должно быть не более 50 м, а количество выработок под один фундамент — не менее трех.
При нагрузке на куст висячих свай свыше 3000 кН, а также при свайном поле под всем сооружением глубину 50% выработок в нескальных грунтах следует устанавливать ниже проектируемой глубины погружения нижнего конца свай, как правило, не менее чем на 10 м.
Глубину горных выработок при опирании или заглублении свай в скальные грунты следует принимать ниже проектируемой глубины погружения нижнего конца свай не менее чем на 2 м.
Для свай, работающих только на выдергивание, глубину выработок следует принимать на 1 м ниже проектируемой глубины погружения нижнего конца свай.
Из буровых скважин, шурфов, обнажений и других выработок производят отбор образцов для исследований. Пробы отбирают послойно, на всю глубину выработки, но не реже чем через каждые 0,5-1,0 м. Из всех образцов, полученных при инженерно-геологических исследованиях, 5-10% отбирают для последующих лабораторных анализов.
По данным бурения скважин составляются буровые колонки, или инженерно-геологические разрезы по скважинам. Пример построения геологических разрезов см. в разделе 5 «Геологические карты и разрезы».
Физико-механические характеристики грунтов по результатам испытаний оформляют в виде таблицы 8.3.
За последние годы большое распространение получило изучение грунтов в полевых условиях (опытные работы), непосредственно в условиях их естественного залегания. Это сокращает количество разведочных выработок, объем лабораторных работ и в ряде случаев дает возможность определить прочностные, деформативные и другие характеристики грунтов с точностью большей, чем при лабораторных работах. В некоторых случаях для зданий более 5 этажей испытания грунтов на площадке опытными нагрузками являются обязательными. Опытные работы используются для изучения:
1. Водопроницаемости галечниковых, трещиноватых и других пород (опытное нагнетание и откачка);
2. Деформативных характеристик песчано-глинистых пород (опытные нагрузки, прессиометрия);
3. Прочностных характеристик и детального расчленения геологических разрезов (опытные сдвиги, зондирование).
Итогом инженерно-геологических исследований, их заключительным звеном является инженерно-геологический отчет.
В состав отчета обычно входит четыре части: общая, специальная, графические приложения и инженерно-геологическая записка.
Таблица 8.3
| Наименование выработки и её номер | Номер пробы | Глубина отбора пробы, м | Плотность, г/см3 | Плотность частиц, г/см3 | Природная влажность, д. ед. | Плотность скелета грунта, г/см3 | Коэффициент пористости | Влажность на границе текучести, % | Влажность на границе раскатывания, % | Число пластичности, % | Показатель текучести | Грануломе-трический состав, % | Угол внутреннего трения, град | Удельное сцепление, кПа | Модуль деформации, МПа | Наименование грунта | ||
| Песок, 2-0,05мм | Пыль, 0,05-0,005мм | Глина, <0,005мм | ||||||||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | ||
| скв.1 | 1,8 | 1,92 | 2,71 | 0,24 | 1,54 | 0,74 | 0,40 | 8,6 | Суглинок тяжелый, пылеватый, тугопластичный |
Общая часть отчета начинается с введения, в котором указываются цели и задачи исследований, состав, объем и характеристика выполненных работ, состав исполнителей и сроки работ. Далее приводится описание гидрографии, климата, дается характеристика рельефу, климатическим особенностям (температура, осадки, промерзание грунтов, направление ветров). В главе «Геология района» приводится весь материал по геологическому строению, тектонике, в главе «Гидрогеология» описываются подземные воды, условия их питания, состав, агрессивность, фильтрационные свойства пород и др. Далее детально описываются природные геологические явления и инженерно-геологические процессы, которые могут повлиять на строительство и эксплуатацию сооружения.
Специальная часть отчетов содержит методику исследований, физико-механические свойства грунтов, инженерно-геологические условия строительства.
В конце отчета дается заключение с основными выводами по всем разделам. К отчету прилагают различный графический материал (карты, разрезы, колонки разведочных выработок).
В практике инженерно-геологических исследований очень часто вместо больших отчетов приходится составлять инженерно-геологические заключения. Выделяется три вида заключений: 1) по условиям строительства объекта; 2) о причинах деформаций зданий и сооружений; 3) экспертиза.
В первом случае заключение носит характер сокращенного заключения и может быть выполнено для строительства отдельного здания. Заключения о причинах деформаций зданий и сооружений могут иметь различное содержание и объем. Заключение должно вскрыть причины деформаций и наметить пути их устранения. Экспертиза силами крупных специалистов устанавливает: правильность приемов исследований, достаточность объемов работ, правомерность выводов и рекомендаций и т.д.
Задачи
1. По результатам бурения одной скважины необходимо построить геолого-литологическую колонку, на которой видно, как залегают слои, их мощность, литологический тип, глубина залегания уровня грунтовых вод, возраст пород. Буровые колонки составляют в масштабе 1:100 – 1:500.
Таблица 8.4
| № варианта (скважины) | абс. отметка устья скважины, м | № слоя | Возраст горных пород | Описание горных пород | Мощность слоя, м | Глубина залегания уровня воды, м | |
| стат. | динам. | ||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 8.0 | 80,0 | аQIV аQIV аQIII аQII | Суглинок серый, средней плотности Песок мелкозернистый, влажный, рыхлый Глина тугопластичная, с тонкими прослойками песка Гравийно-галечниковые отложения с включением песка, водонасыщенные, плотные | 2,0 6,0 5,0 5,0 | 4,0 13,0 | 4,0 9,5 | |
| 8.1 | 79,2 | LQ3-4 mN2 mN2 mN2 mN2 mN2 | Лёсс Песок пылеватый средней плотности Глина тугопластичная Песок пылеватый плотный Глина тугопластичная Песок мелкий плотный | 6,6 2,2 8,5 2,6 3,9 8,0 | 29,3 | 29,3 |
Окончание табл.8.4
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 8.2 | 20,2 | dQ N N К К К | Суглинок бурый, полутвердый Глина полутвердая, темно-серая Песок мелкий, плотный, желтый Глина зеленая, тугопластичная песок пылеватый, плотный, серый Глина тугопластичная | 2,0 1,0 2,0 3,3 0,3 2,0 | 3,5 8,3 | 3,5 4,0 | |
| 8.3 | 51,2 | dQ4 аQ2 mQ1 | Супесь пластичная макропористая Песок мелкий средней плотности Глина с тонкими песчаными прослоями тугопластичная | 3,0 3,0 6,0 | 4,8 | 4,8 | |
| 8.4 | 45,3 | tQ4 tQ4 mQ1 N2 | Глыбы известняка-ракушечника Суглинок со щебнем Песок мелкий плотный Известняк-ракушечник | 2,0 0,5 3,6 10,0 | 9,3 | 9,3 | |
| 8.5 | 20,1 | dQ4 lQ2 lQ2 K | Суглинок полутвердый со щебнем Песок крупный плотный Песок пылеватый плотный Глина полутвердая зеленая | 0,2 1,5 3,0 5,2 | 3,0 | 3,0 | |
| 8.6 | 150,0 | аQ3 аQ3 аQ3 | Глина полутвердая Суглинок тугопластичный Песок кварцевый средней крупности средней плотности | 0,5 4,0 3,5 | 4,5 | 4,0 | |
| 8.7 | 126,2 | dQ4 lQ4 gQ3 | Суглинок бурый с галькой Песчано-гравийные отложения Суглинок полутвердый красно-бурый с валунами и галькой | 1,2 6,0 4,2 | 5,5 | 5,5 | |
| 8.8 | 45,4 | tQ4 mQ1 N2 | Супесь со щебнем кирпича и древесными обломками Песок мелкий плотный Известняк-ракушечник | 3,2 4,1 10,0 | 9,1 | 9,1 | |
| 8.9 | 60,5 | dQ4 аQ1 аQ1 аQ1 | Суглинок со щебнем и глыбами Лёсс твердый Песок мелкий средней плотности Песок крупный с гравием и галькой средней плотности | 2,8 4,0 9,5 7,1 | 19,5 | 19,5 | |
| 8.10 | 97,5 | аQ4 аQ4 аQ4 С1 | Суглинок заторфованный текучепластичный Торф Песок крупный, средней плотности Алевролит трещиноватый | 4,0 4,2 3,8 6,0 | 4,0 | 1,8 |
Пример выполнения задачи 8.1:
2. В шурфе, пройденном в контуре будущего сооружения, выполнялись испытания грунтов статическими нагрузками на штамп площадью 0,5 м2. При этом фиксировалась осадка штампа S (мм) и среднее давление p под подошвой штампа (МПа). Постройте график зависимости S=f(p) и по нему определите модуль деформации грунтов Е (МПа). Варианты заданий представлены в табл.8.5.
Таблица 8.5
| N варианта | Наиме-нование грунта | Глубина установки штампа Н, м | Осадка штампа DS, мм, при очередной ступени нагружения удельным давлением p, МПа | |||||||
| 0,05 | 0,10 | 0,15 | 0,20 | 0,25 | 0,30 | 0,35 | 0,40 | |||
| пески | 2,3 | 0,15 | 0,60 | 1,20 | 1,05 | 1,50 | 2,45 | 3,50 | 3,50 | |
| пески | 2,5 | 0,20 | 0,50 | 0,70 | 0,60 | 0,75 | 1,20 | 1,70 | 1,30 | |
| пески | 4,4 | 0,20 | 0,60 | 0,70 | 0,60 | 0,75 | 1,10 | 1,40 | 1,90 | |
| пески | 4,9 | 1,15 | 1,40 | 1,50 | 2,05 | 2,10 | 1,80 | 2,00 | 3,50 | |
| пески | 5,0 | 0,65 | 0,60 | 1,20 | 1,30 | 1,40 | 2,50 | 3,80 | 4,25 | |
| пески | 7,3 | 0,20 | 0,55 | 0,80 | 0,75 | 0,75 | 1,00 | 1,55 | 1,40 | |
| пески | 9,7 | 0,15 | 0,70 | 0,60 | 0,75 | 1,20 | 1,70 | 1,90 | 3,20 | |
| суглинки | 7,5 | 0,05 | 0,15 | 0,05 | 0,20 | 0,35 | 0,65 | 0,80 | 1,00 | |
| супеси | 13,0 | 0,10 | 0,50 | 0,70 | 0,80 | 1,15 | 1,50 | 1,65 | 1,70 | |
| глины | 12,0 | 0,30 | 0,50 | 0,35 | 0,40 | 0,45 | 0,70 | 0,75 | 0,80 |
Коэффициент Пуассона m принимают равным: для песков и супесей m=0,30; для суглинков m=0,35; для глин m=0,42. Плотность всех грунтов r = 2×103 кг/м3.