16.1 Инженерно-геологические исследования
Проводятся для обоснования проектирования, этапов строительства, разведки месторождений полезных ископаемых. В зависимости от назначения инженерно-геологические исследования выполняют: до проектирования, в период строительства, в период эксплуатации.
На уровне "допроектного" исследования изучают участок для строительства, свойства грунтов, наличие строительных материалов. Делают выводы о глубине заложения фундаментов, допустимое давление на грунт, прогнозируют устойчивость сооружения. В период строительства при отрывке котлованов производят сверку наблюдаемых геологических данных с геологическим материалом, полученным в "допроектный" период. При эксплуатации сооружений проводятся наблюдения за характером и величиной режима грунтовых вод, устойчивостью склонов. Устанавливают причины возникновения деформации зданий. Инженерно-геологические работы, проводимые на всех этапах, разделяют на три группы.
1. Подготовительные работы – это изучение архивов данного района.
2. Полевые работы – это съёмка участка, исследование грунтов, изучение подземных вод.
3. Камеральные работы – это обработка полевых материалов, составление отчетов, составление карт и разрезов.
16.2 Геологические карты и разрезы
Геологические карты представляют собой проекцию геологических структур на горизонтальную плоскость. По картам можно судить о площади распространения и условий залегания горных пород. Все карты подразделяются: на карты коренных пород и четвертичных отложений.
Рис. 16.1. Геологическая карта и геологический разрез при горизонтальном залегании горных пород.
Четвертичные отложения покрывают поверхность земли, скрывая коренные породы.
Геологические карты бывают:
Стратиграфическими – указывают границы распространения пород различного возраста. Породы одного и того же возраста на карте обозначают условными буквенными индексами.
Литологическими – отражают состав пород. Каждую породу обозначают типовым условным знаком.
Инженерно-геологическими – отражают сведения о важнейших инженерно-геологических факторах в пределах изучаемой территории. Инженерно-геологические карты классифицируются на 3 вида: 1) инженерно-геологические карты;; 2) карты инженерно-геологического районирования; 3) инженерно-геологические карты специфического назначения.
Инженерно-геологические карты отражают оценку природных условий места строительства.
Карты инженерно-геологического районирования отражают разделение территории на части.
Инженерно-геологические карты специфического назначения составляют применительно к конкретным видам строительства или сооружения.
Геологические разрезы – это проекция геологического разреза на вертикальную плоскость. На разрезе указывают состав и мощность слоев, гидрогеологические условия. Строятся по данным разведочных выработок и геологическим картам. По выбранной линии разреза строят топографический профиль поверхности. На профиль переносят точки, отражающие места заложения разведочных выработок. Далее на профиль переносят все геологические и гидрогеологические данные. Разрез оформляется в масштабе с указанием всех условных обозначений
К недостаткам этого разреза следует отнести отсутствие на нём информации о несущих физических свойствах пород разреза, отсутствие информации о геологическом возрасте, отсутствие горизонтального масштаба и некоторые другие.
Рис. 16.3. Современный инженерно-геологический разрез
16.3 Инженерно-геологические заключения
Составление отчета является заключительным этапом изысканий. Он состоит из общей части, специальной, графического приложения, инженерно-геологической записки. Общая часть – указывает объем, место исследований, характеристику выполненных работ. Описываются все имеющиеся месторождения, их влияние на строительство, дается оценка качества основания.
Лекция 17. Закрепления грунтов
17.1 Область применения закрепления грунтов. Техническая мелиорация
Развитие научно-технической деятельности в области строительства обусловило проявление ряда специфических тенденций, среди которых важнейшими являются следующие:
– разнообразные, нередко ответственные сооружения возводятся в сложных, неблагоприятных грунтовых условиях, что приводит в необходимости изменять физико-механические свойства грунтов основания с тем, чтобы они соответствовали предъявляемым требованиям;
– увеличение числа сооружений (ускорителей элементарных частиц, радиотелескопы, АЭС и др.), когда величины допустимых осадок крайне малы, принуждает переходить на искусственные основания, в таких случаях роль и значение технической мелиорации грунтов трудно переоценить;
– увеличение числа сооружений, оказывающих интенсивное и сложное воздействие на горные породы (высокое удельное давление, нагрев, вибрация, пропитка, кислотами и щелочами), заставляет искать пути повышения сопротивляемости грунтов оснований таким специфическим воздействиям;
– изменение характера и интенсивности воздействия на естественные основания сооружений и предприятий в результате их реконструкции обусловливает необходимость искусственного повышения несущей способности грунтов и их устойчивости в условиях, не предусмотренных прежними проектами;
– в настоящее время возникла насущная необходимость освоения так называемых непригодных земель, особенно в районах крупных городов. Такие участки обычно характеризуются распространением слабых не устойчивых грунтов, требующих специальных мероприятий для увеличения их несущей способности;
– постоянно расширяются масштабы использования грунтов для возведения разнообразных земляных сооружений: основания дорожных покрытий насыпи, дамбы, перемычки, плотины и т.п.; местные грунты часто оказываются непригодными или малопригодными для непосредственного применения, и поэтому существенное значение приобретают возможности химической модификации и стабилизации как средства улучшения их технологических свойств;
– развитие горнодобывающей промышленности, подземной урбанистики, проблема захоронения промышленных отходов и подземного складирования некоторых видов сырья ( нефть, газ, и др.) приводят к увеличению масштабов и интенсивности различных видов подземного строительства; подземные работы в сложных инженерно-геологических условиях в свою очередь заставляют прибегать к специальным методам их ведения, среди которых искусственное закрепление пород занимает важное место.
Подобные и некоторые другие тенденции, интенсифицируя воздействие человека на земную кору, неизбежно приводят к увеличению масштабов и значения искусственного улучшения свойств горных пород, используемых в качестве основания, вместилища и материала для сооружений, поскольку соответствующие методы позволяют полнее использовать внутренние ресурсы грунтов, применять разнообразные инженерные решения, строить быстрее и надежнее.
Современные промышленные объекты, предприятия горной промышленности и гидротехнические сооружения все чаще создаются в сложных инженерно-геологических условиях, которые ранее считались малопригодными даже для значительно менее ответственных сооружений. В настоящее время приходится строить на опасных для возводимых сооружений подрабатываемых территориях: просадочных или набухающих грунтах, в оползневых районах, на болотистых заторфованных отложениях, плывунах и других разновидностях неустойчивых и слабых грунтов. При этом необходимо обеспечить надежность и долговечность возводимых зданий и сооружений, не допуская повышения стоимости строительства.
Сложные грунтовые условия мешают нормальному ходу работ, удорожают строительство, удлиняют его сроки. Ошибки, допускаемые при возведении фундаментов, приводят либо к излишним неоправданным затратам, либо укорачивают сроки службы сооружений, вызывают деформации сооружений, вплоть до их разрушения, что также требует в последующем значительных дополнительных затрат, чем наносится большой ущерб населенным пунктам, промышленным предприятиям, железным и шоссейным дорогам хозяйству.
Все это свидетельствует о громадной экономической значимости вопросов, связанных с совершенствованием метода возведений в сложных грунтовых условиях. В связи с этим наиболее полноценное использование строительных свойств грунтов также является актуальнейшим вопросом современной практики.
Недооценка состояния физико-механических свойств пород основания при строительстве различных сооружений нередко приводит к тяжелым последствиям, катастрофам или выводит из эксплуатации объекты на длительное время. Известно много случаев аварий из-за потери несущей способности пород оснований. Несоответствие инженерно-геологических условий требованиям конкретных видов сооружений приводит к необходимости проведения специальных мероприятий по сохранению устойчивости программируемых сооружений и обеспечению их нормальной эксплуатации в течение всего срока службы.
В настоящее время различают мероприятия двух типов. Первый из них – инженерно-строительные мероприятия. Как известно, далеко не всегда можно осуществить выбор площадок с благоприятными условиями, так как местоположение того или иного сооружения диктуется порой более вескими соображениями, чем инженерно-геологическое благополучие участка строительства. В настоящее время возможности выбора более благоприятных мест еще более ограничены и порой совершенно отсутствуют.
К числу мероприятий инженерно-строительного характера относятся операция по замене слабого грунта надежным, обладающим более высокой несущей способностью. В целом ряде случаев(насыпные, заболоченные, лёссовые грунты) целесообразно использовать свайные основания, которые позволяют прорезать слабый грунт и опереть сооружение на слой грунта, обладающий достаточностью и несущей способностью. Увеличение безопасности эксплуатации сооружений, возводимых в сложных инженерно-геологических условиях, может быть достигнуто системой проектных решений и разработок (например, проектирование сооружения в виде плавающей конструкции, конфигурация и размеры фундамента, увеличение пространственной жесткости сооружения и т.п.). Существуют много других способов и приемов (подпорные стенки, анкера и т.д.), которые обуславливают стабильность сооружений и обеспечивают нормальные условия их эксплуатации.
К инженерно-геологическим мероприятиям (второй тип мероприятий) относятся методы борьбы с основными причинами, которые определяют возникновение и развитие процессов, нарушающих нормальные условия эксплуатации сооружений. Известно, что в основе большинства неблагоприятных инженерно-геологических явлений лежат свойства пород. Поэтому проблема предотвращения недопустимых деформаций пород со всеми последствиями сводится по существу к проблеме целенаправленного изменения их физико-механических свойств.
Потребность в проектировании и выполнении искусственного улучшения мелиорации пород возникает обычно из-за неблагоприятных свойств пород, которые влияют на устойчивость сооружений, на условия производства строительных и горных работ и развитие геологических процессов. Основные причины, вызывающие необходимость мелиорации пород, встречающихся в поверхностной зоне земной коры:
– пустотность, трещиноватость, пористость скальных пород и массивов, что повышает их деформируемость, водопроницаемость, растворимость, выветриваемость, а также обуславливает их водоносность и водообильность;
– недостаточная плотность, значительная обводненность при отсутствии структурного сцепления рыхлых несвязных горных пород, что вызывает значительные и неравномерные осадки, обуславливает фильтрационную неустойчивость и склонность переходить в плывунное состояние и определяет существенные притоки воды к строительным котлованам и подземным сооружениям;
– высокая пористость и неводостойкость структурных связей лёссовых пород при низкой естественной влажности–основные причины просадочных явлений и размываемости;
– повышенное влагосодержание, малая плотность и специфика состава, состояния и структурных связей глинистых пород, что обусловливает их малую прочность, низкую несущую способность и деформируемость.
Техническая мелиорация грунтов - раздел современной геологии, связанный с разработкой теории, методики и методов целенаправленного изменения свойств горных пород и массивов для решения различных инженерных задач в области строительного дела.
На основе принципиальных и технологических различий принято выделять два направления:
– улучшения состояния и свойств массивов пород на месте их естественного залегания (мелиорация пород);
– создание грунтовых материалов на основе механической переработки и химической модификации грунтов (технология грунтов).
Мелиорация пород применяется: для защиты поверхностных и подземных выработок; усиления оснований зданий и сооружений; предупреждения деформаций склонов и откосов; устройства профильтрационных завес и экранов; увеличения несущей способности свай и анкерных устройств.
Реализация методов мелиорации пород обусловливает формирование участков геологической среды, выполненных искусственно измененными грунтами с необходимыми для успешного возведения и эксплуатации сооружений комплексом физико-механических и фильтрационных свойств.
Химические способы инъекционного закрепления грунтов наиболее широкое распространение при строительства подземных сооружений с целью создания временных водонепроницаемых перемычек и несущих конструкций в сложных гидрогеологических условиях применяется способ искусственного замораживания грунтов.
Технологическая переработка грунтов применяется при создании дорожно-строительных материалов, а также при устройстве экранов и стенок; при этом широко используются грунты в качестве основного местного материала. Изменение свойств грунтов в этом случае сопровождается рядом последовательных технологических операций: размельчение грунта, введение воды и вяжущих веществ, перемешивание и уплотнение смеси. Переработка дисперсных грунтов в результате совокупного воздействия добавок вяжущих (цемента, битума, извести), химических реагентов и комплекса технологических мероприятий обеспечивает формирование материала с высокой прочностью и устойчивостью в условиях переменного увлажнения - высыхания и замораживания - оттаивания. В настоящее время технологической обработке в строительных целях ежегодно подвергаются сотни тысяч кубических метров разнообразных грунтов. Значительный объем работ с применением укрепленных грунтов выполняется при строительстве аэродромов в различных климатических зонах.
Техническая мелиорация представляет собой науку о законах и методах управления физическим состоянием и свойствами главным образом структурно неустойчивых грунтов, таких, как слабые водонасыщенные, набухающие, просадочные, трещиноватые и выветрелые, растворимые, органические и т. п. Она находится на стыке нескольких областей науки и техники и поэтому наибольших успехов можно ожидать только на основе достижений:
- Геологии (грунтоведение, механика грунтов, инженерная геодинамика, гидродинамика, гидрогеохимия, геохимия, геофизика);
- Физической и коллоидной химии (химическая термодинамика и кинетика, учение о растворах, поверхностные процессы, устойчивость коллоидных систем, массоперенос);
- Технологической науки (технология вяжущих, технология гидротранспорта и приготовление смесей, геотехнология);
- Строительного дела (основания и фундаменты, производство работ, строительные материалы, машины и механизмы).
Развитие теоретических представлений, методики и практических приложений в области моделирования тесно связано с разработкой современных методов контроля качества закрепления и натурных определений параметров формирующих систем.
В области совершенствования и обновления важнейших технологий представляется целесообразным отметить прогрессивность разработок в следующих направлениях.
1 .Армирование и предварительное напряжение грунтов и грунтовых масс на основе специфических конструктивных решений с использованием различных технологий. К числу таких конструкций относятся свайные и траншейные стены и противофильтрационные диафрагмы из различных материалов, буронабивные и буроинъекционные сваи и анкеры, пространственные конструкции из крупнообломочных и закрепленных грунтов, армирование и предварительное напряжение грунтовых масс.
2.Создание принципиально новых типов отечественного инъекционного оборудования, позволяющего успешно осуществлять инъекцию быстро – твердеющих, кислых, аэрированных и вспененных растворов, в том числе на основе органических и органосиликатных композиций. Создание и обновление технических средств ведения инъекционных работ как на больших глубинах в условиях повышенного давления и температуры, так и в приповерхностных условиях в целях распространения этого прогрессивного метода на объекты автодорожного, железнодорожного и других видов поверхностного строительства. Качественные технологические изменения в области инъекции грунтов тесно связаны с процессом в синтезировании инъекционных растворов и гелей, применяемых в сложных лито– и гидрохимических условиях, и обладающих высокими технологическими свойствами.
3.Совершенствование и обновление методов технической мелиорации
грунтов, основанных на реализации комплексного воздействия (электросиликатизация, электрохимическое закрепление, термохимическое упрочнение, комплексные вяжущие). Осуществление параллельной или последовательной обработки грунтов физическими реагентами обычно позволяет резко улучшить качество закрепления, а также расширяет область применения за счет грунтов, не поддающихся мелиорации при использовании каждого индивидуального типа воздействия. Процесс в этой весьма перспективной области сдерживается в настоящее время главным образом из-за недостаточной разработки теории происходящих процессов, а также в силу недостатка специализированного серийного оборудования, приспособленного для реализации комплексных методов. Понятно, что эти две причины взаимосвязаны, и потому приоритет необходимости фундаментальных научных исследований в данном случае очевиден.