Опытно-полевые работы. Буровые и горнопроходческие работы

Буровые и горнопроходческие работы.

Скважина – закрытая цилиндрическая горная выработка, диаметр который много меньше глубины.

Шурф – открытая горная выработка прямоугольного сечения, глубиной до 30 метров, предназначенная для изучения геологических сечений вблизи фундаментов и для отбора монолитов проб грунта (монолит – проба грунта ненарушенного строения)

Дудка – шурф круглого сечения.

Расчистка – снятие поверхностного слоя в виде ступенек, закладывается на склонах.

Закапуша – неглубокая открытая горная выработка произвольного сечения глубиной до одного метра, производится для расчистки поверхностного слоя.

Шахта – открытая вертикальная горная выработка большой глубины и ширины, предназначенная для изучения трещиноватых пород при строительстве ответственных сооружений.

Штольня – открытая горизонтальная горная выработка.

Рисунок 1 – Горные выработки

Бурение – способ получения геологической информации с помощью создания скважин. По результатам бурения можно построить колонку буровой скважины, а значит и геологический разрез, определить уровень грунтовых вод, отобрать образцы пород для лабораторных исследований и зафиксировать опасные геологические явления.

По способу бурения бывают:

1. Вращательный

2. Ударно-канатный

3. Вибрационный

Выбор способа зависит от

1. Вида грунта

2. Вида получаемой информации

3. Глубина бурения

Вращательный метод бурения применяется при исследовании дисперсных грунтов, скальных пород на разных глубинах.

Рисунок 2 –Инструменты вращательного метода

Каланковое бурение позволяет пройти скальный грунт на большие глубины и получить монолит грунта ненарушенного строения.

Ударно канатный метод

Рисунок 3 – Инструменты ударно-канатного метода

Вибрационный метод использует рассмотренные выше инструменты, но их внедрение осуществляется с помощью вибрации.

Среди полевых методов в практике изысканий используется наиболее надежные прямые метода определения прочности, сжимаемости и водопроницаемости грунтов, моделирующие работу массива или сооружений. Это обычно дорогие, трудоемкие и длительные традиционные испытания грунтов сдвиговые, штамповые, опытное замачивание котлованов, проб­ная забивка сваи, откачки, нагнетания и др.

Особую роль в настоящее время приобретают экспресс-методы, позволяющие быстро и дешево изучать свойства грунтов. Они развиваются, во-первых, на базе других методов за счет их механизации и автомати­зации, а также разработки ускоренных методик испытаний. Во-вторых, большая их часть развивается за счет косвенных методов. С помощью последних изучаются параметры грунтов, которые не являются расчетны­ми или основными характеристиками грунтов, но могут быть с ними связаны тарировочными зависимостями. Из экспресс-методов наибольшее распространение получили зондировочные исследования грунтов, а также геофизические, основанные на сейсморазведочных, электроразведочных и радиоизотопных методах.

Изучение грунтов в натурных условиях преследует главную цель - дать оценку их физико-механических свойств в условиях естественного залегания с присущими конкретному массиву грунтов неоднородностью состава и свойств грунтов, с естественным напряженным состоянием, влажностным и температурным режимом.

Полевые испытания грунтов

Полевые испытания грунтов предназначены для получения физико-механических свойств грунтов непосредственно на месте строительной площадки, при этом снижается погрешность, и полученные результаты не нуждаются в завышении.

К полевым испытаниям относятся:

· Испытание грунтов статическими нагрузками (испытания штампами)

· Испытание грунтов методом зондирования

Конструкция прибора Нестерова

Прибор состоит из двух цилиндров диаметром 25 и 50 см и высотой 20-25 см, располагаемых концентрически на дне шурфа. Цилиндры вдавли­вают в дно на 5-8 см для защиты от размыва. На внешний цилиндр уста­навливается подставка, на которой размещаются два сосуда Мариотта для автоматического поддержания уровня воды в цилиндрах на одинаковой высоте (Н=10 см). На сосудах имеется прозрачная шкала, с помощью которой измеряется объем воды ΔV, профильтровавшейся в грунт зa определенное время Δt.

По мере увеличения глубины промачивания темп изменения фи­гуры увлажнения замедляется, и расход воды на инфильтрацию из шурфа стабилизируется. Однако даже при постоянном расходе ли­нии токов инфильтрационного по­тока не параллельны между со­бой, т.е. площадь горизонталь­ного сечения потока, а значит и его скорость меняются с глу­биной. Влияние растекания ог­раничивают специальной схемой опытных установок или учитыва­ют в расчетных формулах. Таким образам, существующие методы позволяют установить величину коэффициента фильтрации только приблизительно, но с точностью вполне приемлемой для практиче­ских целей.

При инженерных изысканиях используются методы наливов, разрабо­танные А.К.Болдыревым, Н.К.Гиринским, Н.С.Нестеровым, Н.Н.Биндеманом, Н.Н.Веригиным. Всё они предназначены для случая инфильтрации воды из шурфа в однородную толщу, не содержащую гравитационную и капиллярную влагу, при глубине залегания уровня подземных вод свыше 5 м от дна шурфа. Опыты ведут при постоянной высоте столба воды в зумфе щурфа Н =10 см, который обеспечивается специальными регуляторами до дос­тижения установившегося расхода (принимается расход, не отличающийся от среднего за период 2 последних часовых наблюдений более чем на 10%).

Метод Н.С.Нестерова несколько сложнее, но совершеннее других. Он основан на предположении, что благодаря конструкции прибора, состоящего из двух концентрически вдавливаемых в грунт цилиндров, на растекание расходу­ется вода поступающая в грунт т кольцевого зазора, а вода внутрен­него цилиндра просачивается вертикально вниз, т.е. площадь фильтраци­онного патока равна площади внутреннего цилиндра. На основании этого допущения замеряют и регистрируют в журнале опыта расход только из внутреннего цилиндра. Значение коэффициента фильтрации определяется по формуле

k_ф = Q_уст /ω*J

где Q_уст – установившийся расход во внутреннем цилиндре, м³/сут или см³/мин;

ω – площадь поперечного сечения внутреннего цилиндра, м₂;

J – гидравлический уклон (в задании принят равным 1).

Для определения коэффициента фильтрами неводонасыщенных грунтов, т.е. грунтов, залегающих в зоне аэрации, используется метод налива воды в шурф.

Сущность метода заключается в создания вертикального фильтраци­онного потока, просачивающегося через сухой грунт вниз от дна шурфа, измерении площади сечений потока, расхода и гидравлического уклона, т.е. всех параметров закона Дарси кроме k_ф.

Условия движения воды в зоне аэрации существенно отличается от условия ее движения в водонасыщенных грунтах. Вода, поступающая в шурф, впитывается в сухой грунт и движется в нём не только под дей­ствием сил тяжести направленных вниз, но и капиллярных сил, которые могут действовать во всех направлениях. Благодаря действию этих сил вода, просачиваясь из шурфа в сухой грунт, растекается, образуя ув­лажненную зону (фигура увлажнения), форма которой изменяется во вре­мени, вытягиваясь вниз (рис4.5)

Для характеристики водопроницаемости скальных, грунтов по зонам могут применяться опытные нагнетания с избыточным давлением выше устья скважины. Нагнетания, а также некоторые другие опытно-фильтра­ционные работа (расходометрия, метод "меченых" атомов, заряженного тела и др.) на инженерно-геологических изысканиях используется редко, в основном при специальных гидрогеоло­гических исследованиях. При определении направления движения подземных вод необходимы прямые и единовременные наблюдения за уровнем воды с по­мощью бурения скважин. Параллельное изучение коэффициента фильтрации водонасыщенных грунтов позволяет определить действительную скорость фильтрации грунтового потока.

Для характеристики водопроницаемости сухих грунтов, залегающих выше уровня подземных вод, применяются опытные наливы воды в скважины и шурфы.

Опытно-фильтрационные исследования

Опытно-фильтрационные работы в процессе проведения инженерно-геологических изысканий для строительства проводятся с целью определения гидрогеодинамических параметров водоносных горизонтов, таких как коэффициенты фильтрации и водопроводимости. Это необходимо для проектирования дренажных систем и построения достоверных прогнозных гидрогеологических моделей.

Среди полевых методов изучения грунтов опытно-фильтрационные за­нимают одно из важнейших мест. Они предназначены для определения во­допроницаемости грунтов, которая характеризуется коэффициентом фильт­рации. Коэффициент фильтрации используется при гидрогеологических расчетах фильтрационных потерь из каналов и водохранилищ, притока воды в строительные выработки, кривых подпора, фильтрационного дав­ления на сооружения, запасов подземных вод и т.д.

Фильтрационные расчеты выполняется методами теории фильтрации, в основе которой лежит закон Дарси

Q=k_ф*ω*J

где Q - расход воды, протекающей в водопроницаемом пласте, м³/сут;

ω - площадь сечения пласта, через которую проходиn расход Q воды;

k_ф - коэффициент фильтрации, м/сут;

J - гидравлический уклон потока или напорный градиент J=(h₁-h₂)/L, где h₁ и h₂ абсолютные отметки уровня подземных вод в двух точках потока, расположенных вдоль вектора скорости, а L – расстояние между точками 1 и 2.

Коэффициент фильтрации представляет собой скорость движения воды в напорном градиенте, равном единице. Значения его определяются структурно-текстурными особенностями пород: размерами слагающих их частиц, соотношением отдельных фракций, пористостью, а для скальных пород также кавернозностью и трещиноватостью.

Методы определения коэффициента фильтрации основаны на измерении расходов воды, пропускаемых грунтом через заданное сечение и при заданном градиенте J. Зная ω и J, по закону Дарси вычисляют коэффициент фильтрации. Методы определения k_ф подразделяются по месту проведения на лабораторные и полевые, причём последние дают более достоверные результаты.

К полевым методам относятся одиночные кустовые опытные откач­ки, нагнетания и наливы, а также способы определения направления к скорости фильтрации подземных вод. Полевые опытно-фильтрационные ра­боты по сравнению с фильтрационными лабораторными испытаниями более трудоемки, дорогостоящи и требуют довольно сложного оборудования и приборов. Достоверность результатов обеспечивается моделированием полупроизводственных условий, которые не нарушают структурные связи, природное напряженное состояние и температуру, а также учитывают не­однородность грунтов в массиве и химический состав подземных вод.

Выбор полевого метода определения водопроницаемости грунтов за­висит от гидрогеологических условий участка и задач исследований. Для определения коэффициента фильтрации любых водоносных грунтов широко используется на всех стадиях изысканий методы опытных откачек. Причем на начальных этапах изысканий они выполняются в процессе бурения инженерно – геологических скважин, позволяющих производить одиночные от­качки по экспресс - методике. Для этих же целей могут использоваться экспресс - наливы в скважину. На заключительных этапах изысканий, ког­да требуются более надежные сведения с коэффициенте фильтрации грун­тов и удельном дебите скважины (дебит при понижении воды в скважине на I м), осуществляются одиночные и кустовые опытные откачки с помощью специально оборудованных гидрогеологических скважин.

Метод динамического зондирования широко используется при проведении инженер­но-геологических изысканий под жилищное и промышленное строительство, строитель­ство дорог, возведение ЛЭП, газо- и нефтепроводов и т.д. Из-за простоты конструкций зондировочных установок, их небольшой массы, удобства в обслуживании (бригада из двух человек) этот метод широко применяется как в России, так и за рубежом.

Динамическое зондирование значительно сокращает стоимость изысканий и срок проведения полевых работ, так как зондировочные испытания выполняется гораздо быст­рее и стоимость их значительно ниже буровых и горнопроходческих работ, лабораторных исследований и других опытных испытаний грунтов. Так, геологический разрез глубиной 10 - 20 м получается в 2-3 разе быстрее, чем с помощью данных бурения, а его стоимость в 3-4 раза дешевле.

Метод динамического зондирования как полевой метод исследования грунтов основан на определении их сопротивления внедрению зонда под действием динамической нагрузки. Динамическое зондирование входит в состав инженерно-геологических изысканий и служит для определения:

расчленение разреза песчано-глинистых грунтов на слои и линзы;

ориентировочная оценка физико-механических свойств грунтов (для промышленно-гражданских сооружений III-IV класса капитальности физико-механические характе­ристики могут являться расчетными, для сооружений 1,11 класса получаемые показатели уточняются лабораторными и полевыми опытными работами);

выбор мест расположения опытных площадок и отбора образцов грунтов для уточ­нения их физико-механических свойств путем лабораторных исследований, штамповых и др. опытов в поле.

По результатам динамического зондирования вычисляют условное динамическое сопротивление грунта Р_Д, МПа (кгс/см²) погружению стандартного зонда.

При испытаниях грунтов динамическим зондированием применяют установки, состоящие из зонда (извлекаемого или неизвлекаемого), ударного устройства, опорной рамы и измерительного устройства.

Динамическое зондирование выполняют с помощью установок динамического зондирования, которые подразделяются на три типа по величине Р_Д.

Динамическое зондирование выполняют последовательно забивая свободно падающим молотом зонд в грунт, одновременно ведётся замер осадок зонда после нанесения нескольких ударов. Число таких ударов (n) называемых залогом, зависит от грунта и выбирается в диапазоне 1¸20. Для рыхлых песчано-глинистых пород оно не превышает 5.

Динамическое зондирование прекращают когда достигнута заданная глубина или когда погружение зонда незначительно (меньшее 2¸3 см за десять ударов). Перерывы в зондировании допускаются только для добавления штанг. По окончании зондирования либо извлекают из грунта весь инструмент (комплект ударных штанг с зондом), либо только комплект штанг в зависимости от применяемой конструкции зонда.

В процессе зондирования необходимо контролировать вертикальное положение зонда. Наращивание штанг выполняется с помощью штангового ключа посредством поворота погруженного зонда по часовой стрелке. Усилия при повороте штанг описываются в журнале, как и другие наблюдения, и учитываются при расчётах.

Условное динамическое сопротивление в соответсвии с ГОСТ 19912-81 Р_Д вычисляют по формуле:

Р_Д =А∙K∙Ф∙n / h

где А - удельная энергия зондирования, Н/см (кгс/см), для лёгких установок А =280 H/см, для средних – 1120 H/см, для тяжёлых – 2800 H/см;

К – табличный коэффициент, определяющий потери энергии при ударе молота, вызванной инерционностью снаряда;

Ф – коэффициент, определяющий потери энергии на трение штанг о грунт; равен 1 при крутящем моменте меньше 5 кНсм; определяется опытным путём, когда крутящий момент колеблется от 5 до 15 кНсм. Если данные трения штанг о грунт отсутствуют, то используют табличные значения коэффициента Ф;

n - количество ударов в залоге;

h - глубина погружения зонда за залог.

Результаты динамического зондирования оформляют в виде непрерывного ступенчатого графика. На графике видны изменения значений условного динамического сопротивления Р_Д по глубине. Далее график усредняют. По усреднённому графику определяют средневзвешенные показатели зондирования для каждого инженерно-геологического элемента. Одна из характерных особенностей метода динамического зондирования заключается в том, что эпюры условного динамического сопротивления, характеризующие изменение свойств пород по разрезу, могут быть использованы для расчленения толщи пород на слои. В том случае, когда условное динамическое со­противление внедрению зонда примерно одинаково, т.е. индикационная линия приближается к прямой или слабо изогнутой кривой, слой считается однородным.

Если же этот показатель меняется (индикационная кривая графика - ломаная), то слой неоднороден.

Расчленение разреза на отдельные слои с последующим выделением инженерно-геологических элементов производится осреднением значений условного динамического сопротивления зондированию, нахождением среднего абсолютного отклонения и среднего квадратичного отклонения с помощью методов математической статистики.

По результатам расчетов средних значений условного динамического сопротивления зондированию по таблицам определяют плотность сложения песков.

Рис. 4.3

На графике «нагрузка-осадка»(Рис 4.3) этот момент отмечается перегибом кривой. При достижении критического давления P_кр испытание прекращается.

После окончания опыта производят разгрузку штампа, которая ведётся ступенями вдвое большими, нежели нагрузка. После каждой ступени разгрузки один час ведут наблюдения за деформациями грунтов. Отсчёты берут через 30 минут. После снятия всей нагрузки эти наблюдения продолжают в течение 3-х часов.

После окончания опыта из-под штампа берётся проба грунта на влажность и плотности: выработка углубляется на глубину больше 2-х м штампа для проверки однородности грунта.

В ходе проведения опыта ведётся следующая документация:

1) вычерчивается геологический разрез скважины с уловным местоположением штампа;

2) ведётся журнал проведения опыта;

3) составляются графики зависимости осадки от времени и осадки от нагрузки;

4) составляется схема проведения опыта или прикладывается фотоснимок смонтированной установки с обозначением отдельных узлов.

Дальше переходят к обработке результатов измерений. Модуль деформации определяется тангенсом угла наклона линии S=F(P).

Если ступени нагрузок назначены правильно и испытание проведено правильно, то огибающая, проведённая по точкам графика S=S(P), на его начальном этапе имеет вид прямой, близкой к прямой линии. Это начало прямолинейного участка принимают значение удельной нагрузки P₀, равное природному давлению P_S, в данной точке и соответствующее ему значение осадки S₀. За конечные значения P_n и S_n принимаются значения P_i и S_i, соответствующие концу прямолинейного участка графика. Если при давлении P_i приращение осадки будет в два раза больше, чем для предыдущей ступени P_i, а при последующей ступени P_i+1 приращение будет равно или больше приращение осадки при P_i, за конечные значения P_n и S_n следует принимать P_i-1 и S_i-1. При этом количество включаемых в осреднение точек не должно быть меньше 3-х.

Для прямолинейного участка проводят усредняющую прямую методом наименьших квадратов или графически. Количество опытных точек для построения усредняющей прямой не должно быть меньше 4-х.

Построенная таким образом усредняющая прямая используется для вычисления численного значения модуля деформации E₀.

E₀=(1-m 2)∙w∙d∙P/S,

где P=P_n-P₀ – приращение удельной ступени нагрузки на штамп между P_n и P₀=P_s, МПа;

S – приращение осадки штампа, соответствующее P, см;

m - коэффициент Пуассона (для песка равен 0.30, для супеси – 0.32, для – суглинка – 0.35, для глины – 0.42);

w- безразмерный коэффициент, равный 0.8;

d – диаметр штампа, см.

Одно испытание штампом может проводиться в течение целого дня и более, а по техническим причинам может потребоваться его повторение. Из-за уникальности объекта строительства, его технических особенностей, из-за неоднородности инженерно-геологического разреза количество испытаний штампами может значительно возрасти. Это очень сложный и ответственный метод определения модуля деформации E₀, с большой трудоёмкостью подготовительных работ, громоздкостью оборудования и дороговизной опытов. Но главное, что именно этот метод позволяет получить наиболее достоверные значения модуля деформации E₀.

испытания для каждой ступени нагрузки должен строиться график осадки во времени. Отсчёты после приложения нагрузки каждой очередной ступени берутся при испытании песчаных грунтов через каждые 10 минут в течение первого получаса и через каждые 15 минут в течение второго получаса и далее каждые 30 минут до условной стабилизации осадки; и при испытании глинистых грунтов – через каждые 15 минут в течение 1-го часа и 30 минут – в течение второго часа, и далее через 1 час до условной стабилизации осадки.

За условную стабилизацию осадки принимают приращение осадки штампа, не превышающее 0.1 мм за время от 0.5 до 3 ч в зависимости от плотности песчаных грунтов и показателя консистенции для глинистых грунтов. Время выдержки каждой предыдущей ступени давления не должно быть меньше времени выдержки предыдущей ступени. По мере увеличения давления на грунт увеличивается его осадка. Вначале осадка развивается пропорционально прилагаемой нагрузке, но в какой-то момент она может резко увеличиться при незначительном возрастании нагрузки. Давление, при котором происходит подобное явление, называют предельным (критическим), признаками которого являются:

1) выпирание грунтов из-под штампа и образование вокруг него трещин (в случае испытание в шурфе);

2) резкое увеличение осадки при незначительном увеличении нагрузки;

3) длительная (в течение 24 ч), не затухающая осадка.

большее чем на десять сантиметров. Стенки выемки нужно укреплять. В случае затруднений с планировкой грунта под штампом устраивают подушку из мелкого или средней крупности маловлажного песка толщиной 1÷2 см для глинистых и 5 см – для крупнообломочных пород. Песчаную подушку толщиной 2-3 см укладывают и при испытании просадочных пород с замачивание; такая подушка обеспечивает дренирование воды в породу.

Испытание проводится плавным приложением нагрузки к штампу. Нагрузка на грунт производится ступенями давлений от 0.025 до 0.5÷0,1 МПа в зависимости от показателя консистенции для глинистых грунтов и плотности для песчаных грунтов. Необходимо выполнить не менее 4-х ступеней давления, соответствующих природному P_S на отметке испытания. В ходе испытания для каждой ступени нагрузки должен строиться график осадки во времени. Отсчёты после приложения нагрузки каждой очередной ступени берутся при испытании песчаных грунтов через каждые 10 минут в течение первого получаса и через каждые 15 минут в течение второго получаса и далее каждые 30 минут до условной стабилизации осадки; и при испытании глинистых грунтов – через каждые 15 минут в течение 1-го часа и 30 минут – в течение второго часа, и далее через 1 час до условной стабилизации осадки.

За условную стабилизацию осадки принимают приращение осадки штампа, не превышающее 0.1 мм за время от 0.5 до 3 ч в зависимости от плотности песчаных грунтов и показателя консистенции для глинистых грунтов. Время выдержки каждой предыдущей ступени давления не должно быть меньше времени выдержки предыдущей ступени. По мере увеличения давления на грунт увеличивается его осадка. Вначале осадка развивается пропорционально прилагаемой нагрузке, но в какой-то момент она может резко увеличиться при незначительном возрастании нагрузки. Давление, при котором происходит подобное явление, называют предельным (критическим), признаками которого являются:

1) выпирание грунтов из-под штампа и образование вокруг него трещин (в случае испытание в шурфе);

2) резкое увеличение осадки при незначительном увеличении нагрузки;

3) длительная (в течение 24 ч), не затухающая осадка.

Рис. 4.3

На графике «нагрузка-осадка»(Рис 4.3) этот момент отмечается перегибом кривой. При достижении критического давления P_кр испытание прекращается.

После окончания опыта производят разгрузку штампа, которая ведётся ступенями вдвое большими, нежели нагрузка. После каждой ступени разгрузки один час ведут наблюдения за деформациями грунтов. Отсчёты берут через 30 минут. После снятия всей нагрузки эти наблюдения продолжают в течение 3-х часов.

После окончания опыта из-под штампа берётся проба грунта на влажность и плотности: выработка углубляется на глубину больше 2-х м штампа для проверки однородности грунта.

В ходе проведения опыта ведётся следующая документация:

1) вычерчивается геологический разрез скважины с уловным местоположением штампа;

2) ведётся журнал проведения опыта;

3) составляются графики зависимости осадки от времени и осадки от нагрузки;

4) составляется схема проведения опыта или прикладывается фотоснимок смонтированной установки с обозначением отдельных узлов.

Дальше переходят к обработке результатов измерений. Модуль деформации определяется тангенсом угла наклона линии S=F(P).

Если ступени нагрузок назначены правильно и испытание проведено правильно, то огибающая, проведённая по точкам графика S=S(P), на его начальном этапе имеет вид прямой, близкой к прямой линии. Это начало прямолинейного участка принимают значение удельной нагрузки P₀, равное природному давлению P_S, в данной точке и соответствующее ему значение осадки S₀. За конечные значения P_n и S_n принимаются значения P_i и S_i, соответствующие концу прямолинейного участка графика. Если при давлении P_i приращение осадки будет в два раза больше, чем для предыдущей ступени P_i, а при последующей ступени P_i+1 приращение будет равно или больше приращение осадки при P_i, за конечные значения P_n и S_n следует принимать P_i-1 и S_i-1. При этом количество включаемых в осреднение точек не должно быть меньше 3-х.

Для прямолинейного участка проводят усредняющую прямую методом наименьших квадратов или графически. Количество опытных точек для построения усредняющей прямой не должно быть меньше 4-х.

Построенная таким образом усредняющая прямая используется для вычисления численного значения модуля деформации E₀.

E₀=(1-m 2)∙w∙d∙P/S,

где P=P_n-P₀ – приращение удельной ступени нагрузки на штамп между P_n и P₀=P_s, МПа;

S – приращение осадки штампа, соответствующее P, см;

m - коэффициент Пуассона (для песка равен 0.30, для супеси – 0.32, для – суглинка – 0.35, для глины – 0.42);

w- безразмерный коэффициент, равный 0.8;

d – диаметр штампа, см.

Одно испытание штампом может проводиться в течение целого дня и более, а по техническим причинам может потребоваться его повторение. Из-за уникальности объекта строительства, его технических особенностей, из-за неоднородности инженерно-геологического разреза количество испытаний штампами может значительно возрасти. Это очень сложный и ответственный метод определения модуля деформации E₀, с большой трудоёмкостью подготовительных работ, громоздкостью оборудования и дороговизной опытов. Но главное, что именно этот метод позволяет получить наиболее достоверные значения модуля деформации E₀.

- Испытание грунтов методом зондирования.

Метод динамического зондирования как полевой метод исследования грунтов основан на определении их сопротивления внедрению зонда под действием динамической нагрузки. Динамическое зондирование входит в состав инженерно-геологических изысканий и служит для определения:

расчленение разреза песчано-глинистых грунтов на слои и линзы;

ориентировочная оценка физико-механических свойств грунтов (для промышленно-гражданских сооружений III-IV класса капитальности физико-механические характе­ристики могут являться расчетными, для сооружений 1,11 класса получаемые показатели уточняются лабораторными и полевыми опытными работами);

выбор мест расположения опытных площадок и отбора образцов грунтов для уточ­нения их физико-механических свойств путем лабораторных исследований, штамповых и др. опытов в поле.

По результатам динамического зондирования вычисляют условное динамическое сопротивление грунта Р_Д, МПа (кгс/см²) погружению стандартного зонда.

При испытаниях грунтов динамическим зондированием применяют установки, состоящие из зонда (извлекаемого или неизвлекаемого), ударного устройства, опорной рамы и измерительного устройства.

Динамическое зондирование выполняют с помощью установок динамического зондирования, которые подразделяются на три типа по величине Р_Д.

Динамическое зондирование выполняют последовательно забивая свободно падающим молотом зонд в грунт, одновременно ведётся замер осадок зонда после нанесения нескольких ударов. Число таких ударов (n) называемых залогом, зависит от грунта и выбирается в диапазоне 1¸20. Для рыхлых песчано-глинистых пород оно не превышает 5.

Динамическое зондирование прекращают когда достигнута заданная глубина или когда погружение зонда незначительно (меньшее 2¸3 см за десять ударов). Перерывы в зондировании допускаются только для добавления штанг. По окончании зондирования либо извлекают из грунта весь инструмент (комплект ударных штанг с зондом), либо только комплект штанг в зависимости от применяемой конструкции зонда.

В процессе зондирования необходимо контролировать вертикальное положение зонда. Наращивание штанг выполняется с помощью штангового ключа посредством поворота погруженного зонда по часовой стрелке. Усилия при повороте штанг описываются в журнале, как и другие наблюдения, и учитываются при расчётах.

Условное динамическое сопротивление в соответсвии с ГОСТ 19912-81 Р_Д вычисляют по формуле:

Р_Д =А∙K∙Ф∙n / h

где А - удельная энергия зондирования, Н/см (кгс/см), для лёгких установок А =280 H/см, для средних – 1120 H/см, для тяжёлых – 2800 H/см;

К – табличный коэффициент, определяющий потери энергии при ударе молота, вызванной инерционностью снаряда;

Ф – коэффициент, определяющий потери энергии на трение штанг о грунт; равен 1 при крутящем моменте меньше 5 кНсм; определяется опытным путём, когда крутящий момент колеблется от 5 до 15 кНсм. Если данные трения штанг о грунт отсутствуют, то используют табличные значения коэффициента Ф;

n - количество ударов в залоге;

h - глубина погружения зонда за залог.

Результаты динамического зондирования оформляют в виде непрерывного ступенчатого графика. На графике видны изменения значений условного динамического сопротивления Р_Д по глубине. Далее график усредняют. По усреднённому графику определяют средневзвешенные показатели зондирования для каждого инженерно-геологического элемента. Одна из характерных особенностей метода динамического зондирования заключается в том, что эпюры условного динамического сопротивления, характеризующие изменение свойств пород по разрезу, могут быть использованы для расчленения толщи пород на слои. В том случае, когда условное динамическое со­противление внедрению зонда примерно одинаково, т.е. индикационная линия приближается к прямой или слабо изогнутой кривой, слой считается однородным.

Если же этот показатель меняется (индикационная кривая графика - ломаная), то слой неоднороден.

Расчленение разреза на отдельные слои с последующим выделением инженерно-геологических элементов производится осреднением значений условного динамического сопротивления зондированию, нахождением среднего абсолютного отклонения и среднего квадратичного отклонения с помощью методов математической статистики.

По результатам расчетов средних значений условного динамического сопротивления зондированию по таблицам определяют плотность сложения песков.

Метод динамического зондирования широко используется при проведении инженер­но-геологических изысканий под жилищное и промышленное строительство, строитель­ство дорог, возведение ЛЭП, газо- и нефтепроводов и т.д. Из-за простоты конструкций зондировочных установок, их небольшой массы, удобства в обслуживании (бригада из двух человек) этот метод широко применяется как в России, так и за рубежом.

Динамическое зондирование значительно сокращает стоимость изысканий и срок проведения полевых работ, так как зондировочные испытания выполняется гораздо быст­рее и стоимость их значительно ниже буровых и горнопроходческих работ, лабораторных исследований и других опытных испытаний грунтов. Так, геологический разрез глубиной 10 - 20 м получается в 2-3 разе быстрее, чем с помощью данных бурения, а его стоимость в 3-4 раза дешевле.

- Испытания грунтов динамическим зондированием лёгким забивным зондом ЛЗЗ

ЛЗЗ позволяет быстро и достаточно точно определять плотность грунтов, глубина зондирования определяется длиной штанги зонда (0,7 -1 м, это его главный недостаток), но в случаях, когда ведётся контроль укладки слоёв (он был для этого создан) грунта контролируется каждый слой, поэтому получается что в этом случае можно изучить весь искусственный массив.

Зонд, включающий штанги и наконечник, забивают в грунт ударами молота, падающего с фиксированной высоты (рис. 4.4.). При забивке зонда фиксируют число ударов и глубину погружения зонда от одного залога, который устанавливают в зависимости от сопротивления грунта. Сопротивление, оказываемое грунтом зонду, называется динамическим сопротивлением пенетрации. Оно включает сопротивление грунта прониканию наконечника и силу трения по боковой поверхности зонда (между грунтом и штангами).

Рис. 4.4. Схема установки динамического зондирования.
1 — конический наконечник; 2 — штанга зонда; 3 — наковальня; 4 — молот; 5 — захват молота; 6 — ограничитель высоты подъема молота.

Длина штанги в зависимости от модификации зонда ЛЗЗ-1, ЛЗЗ-2, ЛЗЗ-3 – от 0,7м до 1м. Груз массой 2,5кг, высота сбрасывания груза 20см. Это обеспечивает уменьшение инерции удара пропорционально уменьшению диаметра конуса. ЛЗЗ создан для контроля плотности укладки намывных в насыпных искусственных песчаных грунтов и процессе их укладки, т.е. при подготовке искусственных оснований, возведении дамб, плотин и др. земляных сооружений. Контроль, выполненный послойно по мере укладки или намыва грунта, позволяет оперативно и дешево охарактеризовать плотность грунтов, являющуюся одним из главных показателей качества строительства. Последовательное послойное зондирование позволяет оценить искусственный грунтовый массив на всю мощность. Недостаток зонда – малая длина, что исключает его применение при изысканиях естественных оснований сооружений.

Согласно ГОСТ 19921-81, в качестве показателя динамического зондирования используется условное динамическое сопротивление Р_Д (МПа). При работе с ЛЗЗ рекомендуется применять более простой показатель динамического зондирования N(уд/дм), представляющий собой число ударов молота, необходимое для погружения зонда на 10 см

N =10n/h

где n – число ударов в залоге, т.е. условно принятое число ударов, после которого производится замер осадки зонда;

h – глубина погружения зонда от залога, см.

Некоторые правила работы с ЛЗЗ

- зонд забивать строго вертикально;

- вынимать зонд из грунта без раскачки усилием, направленным строго вверх и приложенным только к наковальне;

- перед очередным зондированием каждый раз затягивать резьбовые соединения конуса со штангой, штанги с наковальней, наковальни с направляющей молота и ручкой;

- глубину погружения фиксировать по штанге относительно пластинки или линейки, положенной на поверхность грунта.

Опытно-фильтрационные исследования

Опытно-фильтрационные работы в процессе проведения инженерно-геологических изысканий для строительства проводятся с целью определения гидрогеодинамических параметров водоносных горизонтов, таких как коэффициенты фильтрации и водопроводимости. Это необходимо для проектирования дренажных систем и построения достоверных прогнозных гидрогеологических моделей.

Среди полевых методов изучения грунтов опытно-фильтрационные за­нимают одно из важнейших мест. Они предназначены для определения во­допроницаемости грунтов, которая характеризуется коэффициентом фильт­рации. Коэффициент фильтрации используется при гидрогеологических расчетах фильтрационных потерь из каналов и водохранилищ, притока воды в строительные выработки, кривых подпора, фильтрационного дав­ления на сооружения, запасов подземных вод и т.д.

Фильтрационные расчеты выполняется методами теории фильтрации, в основе которой лежит закон Дарси

Q=k_ф*ω*J

где Q - расход воды, протекающей в водопроницаемом пласте, м³/сут;

ω - площадь сечения пласта, через которую проходиn расход Q воды;

k_ф - коэффициент фильтрации, м/сут;

J - гидравлический уклон потока или напорный градиент J=(h₁-h₂)/L, где h₁ и h₂ абсолютные отметки уровня подземных вод в двух точках потока, расположенных вдоль вектора скорости, а L – расстояние между точками 1 и 2.

Коэффициент фильтрации представляет собой скорость движения воды в напорном градиенте, равном единице. Значения его определяются структурно-текстурными особенностями пород: размерами слагающих их частиц, соотношением отдельных фракций, пористостью, а для скальных пород также кавернозностью и трещиноватостью.

Методы определения коэффициента фильтрации основаны на измерении расходов воды, пропускаемых грунтом через заданное сечение и при заданном градиенте J. Зная ω и J, по закону Дарси вычисляют коэффициент фильтрации. Методы определения k_ф подразделяются по месту проведения на лабораторные и полевые, причём последние дают более достоверные результаты.

К полевым методам относятся одиночные кустовые опытные откач­ки, нагнетания и наливы, а также способы определения направления к скорости фильтрации подземных вод. Полевые опытно-фильтрационные ра­боты по сравнению с фильтрационными лабораторными испытаниями более трудоемки, дорогостоящи и требуют довольно сложного оборудования и приборов. Достоверность результатов обеспечивается моделированием полупроизводственных условий, которые не нарушают структурные связи, природное напряженное состояние и температуру, а также учитывают не­однородность грунтов в массиве и химический состав подземных вод.

Выбор полевого метода определения водопроницаемости грунтов за­висит от гидрогеологических условий участка и задач исследований. Для определения коэффициента фильтрации любых водоносных грунтов широко используется на всех стадиях изысканий методы опытных откачек. Причем на начальных этапах изысканий они выполняются в процессе бурения инженерно – геологических скважин, позволяющих производить одиночные от­качки по экспресс - методике. Для этих же целей могут использоваться экспресс - наливы в скважину. На заключительных этапах изысканий, ког­да требуются более надежные сведения с коэффициенте фильтрации грун­тов и удельном дебите скважины (дебит при понижении воды в скважине на I м), осуществляются одиночные и кустовые опытные откачки с помощью специально оборудованных гидрогеологических скважин.

Для характеристики водопроницаемости скальных, грунтов по зонам могут применяться опытные нагнетания с избыточным давлением выше устья скважины. Нагнетания, а также некоторые другие опытно-фильтра­ционные работа (расходометрия, метод "меченых" атомов, заряженного тела и др.) на инженерно-геологических изысканиях используется редко, в основном при специальных гидрогеоло­гических исследованиях. При определении направления движения подземных вод необходимы прямые и единовременные наблюдения за уровнем воды с по­мощью бурения скважин. Параллельное изучение коэффициента фильтрации водонасыщенных грунтов позволяет определить действительную скорость фильтрации грунтового потока.

Для характеристики водопроницаемости сухих грунтов, залегающих выше уровня подземных вод, применяются опытные наливы воды в скважины и шурфы.

- Определение коэффициента фильтрации методом Нестерова

Для определения коэффициента фильтрами неводонасыщенных грунтов, т.е. грунтов, залегающих в зоне аэрации, используется метод налива воды в шурф.

Сущность метода заключается в создания вертикального фильтраци­онного потока, просачивающегося через сухой грунт вниз от дна шурфа, измерении площади сечений потока, расхода и гидравлического уклона, т.е. всех параметров закона Дарси кроме k_ф.

Условия движения воды в зоне аэрации существенно отличается от условия ее движения в водонасыщенных грунтах. Вода, поступающая в шурф, впитывается в сухой грунт и движется в нём не только под дей­ствием сил тяжести направленных вниз, но и капиллярных сил, которые могут действовать во всех направлениях. Благодаря действию этих сил вода, просачиваясь из шурфа в сухой грунт, растекается, образуя ув­лажненную зону (фигура увлажнения), форма которой изменяется во вре­мени, вытягиваясь вниз (рис4.5)

Рис. 4.5 Зона увлажнения

а - различные интервалы времени: 1-t₁, 2- t₂, 3- t₃

б – линии тока воды при её инфильтрации из шурфа

По мере увеличения глубины промачивания темп изменения фи­гуры увлажнения замедляется, и расход воды на инфильтрацию из шурфа стабилизируется. Однако даже при постоянном расходе ли­нии токов инфильтрационного по­тока не параллельны между со­бой, т.е. площадь горизонталь­ного сечения потока, а значит и его скорость меняются с глу­биной. Влияние растекания ог­раничивают специальной схемой опытных установок или учитыва­ют в расчетных формулах. Таким образам, существующие методы позволяют установить величину коэффициента фильтрации только приблизительно, но с точностью вполне приемлемой для практиче­ских целей.

При инженерных изысканиях используются методы наливов, разрабо­танные А.К.Болдыревым, Н.К.Гиринским, Н.С.Нестеровым, Н.Н.Биндеманом, Н.Н.Веригиным. Всё они предназначены для случая инфильтрации воды из шурфа в однородную толщу, не содержащую гравитационную и капиллярную влагу, при глубине залегания уровня подземных вод свыше 5 м от дна шурфа. Опыты ведут при постоянной высоте столба воды в зумфе щурфа Н =10 см, который обеспечивается специальными регуляторами до дос­тижения установившегося расхода (принимается расход, не отличающийся от среднего за период 2 последних часовых наблюдений более чем на 10%).

Метод Н.С.Нестерова несколько сложнее, но совершеннее других. Он основан на предположении, что благодаря конструкции прибора, состоящего из двух концентрически вдавливаемых в грунт цилиндров, на растекание расходу­ется вода поступающая в грунт т кольцевого зазора, а вода внутрен­него цилиндра просачивается вертикально вниз, т.е. площадь фильтраци­онного патока равна площади внутреннего цилиндра. На основании этого допущения замеряют и регистрируют в журнале опыта расход только из внутреннего цилиндра. Значение коэффициента фильтрации определяется по формуле

k_ф = Q_уст /ω*J

где Q_уст – установившийся расход во внутреннем цилиндре, м³/сут или см³/мин;

ω – площадь поперечного сечения внутреннего цилиндра, м₂;

J – гидравлический уклон (в задании принят равным 1).

Конструкция прибора Нестерова

Прибор состоит из двух цилиндров диаметром 25 и 50 см и высотой 20-25 см, располагаемых концентрически на дне шурфа. Цилиндры вдавли­вают в дно на 5-8 см для защиты от размыва. На внешний цилиндр уста­навливается подставка, на которой размещаются два сосуда Мариотта для автоматического поддержания уровня воды в цилиндрах на одинаковой высоте (Н=10 см). На сосудах имеется прозрачная шкала, с помощью которой измеряется объем воды ΔV, профильтровавшейся в грунт зa определенное время Δt.

- Определение коэффициента фильтрации методом кустовой откачки

Метод кустовой откачки - основной, и наиболее распространённый метод опытно-фильтрационных исследований водонасыщенных грунтов. При кустовой откачке бурят центральную скважину, но которой производится откачка воды насосом, и ряд наблюдательных скважин, по которым следят за изменением уровня воды во время откачки (например, так как показано на рисунке). Наблюдательные скважины располагаются на нескольких лучах, сходящихся к центральной скважине и на разных расстояниях от центральной скважины. Это позволяет определять гидравлический уклон в ходе опыта на разных направлениях.

Рис. 4.6 План опытной кустовой откачки.

ЦС – центральная скважина с насосами и фильтрами;

Н-1-11 – наблюдательные скважины оборудованные фильтрами.

Откачки обычно проводятся при двух-трех понижениях уровня воды в центральной скважине. Величина каждого понижения в центральной сква­жине в сильноводопроницаемых грунтах не менее 1м, в средне- и маловодопроницаемых - 1,5-2 м. Продолжительность откачки при одном понижении в однородных грунтах определяется реальными гидрогеологическими условиями и изменяется от нескольких часов до нескольких месяцев.

Методы обработки результатов опытных откачек основаны на решении фильтрации по определенным расчетным схемам, учитывающим геологиче­ское строение участка, степень и характер вскрытия пласта скважиной и расположение в ней фильтра, вид откачки.

Кустовая с двумя наблюдательными скважинами Рис. 4.7

Куст скважины включает центральную опытную скважину, закреплен­ную обсадной трубой с фильтром и погружённым насосом для откачки воды из неё и наблюдательные скважины, также закреплённые трубами с фильт­рами (на фотографии). Из центральной скважины откачивается вода, а в наблюдательных фиксируется снижение уровня в водоносном слое.

Для замеров уровней воды применяются электроуровнемеры или хло­пушки. Расход откачиваемой воды измеряется, с помощью водомера, уста­новленного на выходном патрубке погружного насоса или с помощью мер­ного бака и секундомера.