2.5 Испытания грунтов статическими нагрузками в шурфах и скважинах

Испытания грунтов жесткими штампами проводят с целью определения деформационных характеристик песчано-глннистых и крупнообломочных грунтов.

Сущность метода заключается в натурном моделировании процесса деформирования (уплотнения) достаточно большого (по сравнению с лабораторной пробой) объема грунта под нагрузкой, отвечающей нагрузке проектируемого сооружения. Ис­пытания проводят в шурфах, скважинах и при строитель­стве ответственных сооружений — в котлованах. Сведения о форме и размерах штампов содержит табл. 18.

После монтажа установки в шурфе или скважине штамп нагружают ступенями до стабилизации осадки от каждой ступени нагрузки. Условная стабилизация считается достигну­той, если приращение осадки штампа за время не превышает 0,1 мм.

Наблюдения за осадкой штампа в первый час после приложе­ния нагрузке ведут через 10+10+ 10+ 15 + 15 мин, далее через 30 мин. Минимальная точность измерения осадки 0,1 мм. Число ступеней нагрузки не более 5. Первую ступень нагрузки принимают равной природному давлению на отметке заложения штампа (не менее 0,05 МПа), предпоследняя ступень должна отвечать проектной нагрузке. В отдельных случаях, предусмотренных проектом штампа нагружают до предела несущей способности, который устанавливается по появлению валика вытирания или образованию трещин вокруг штампа. В ходе проведения испытаний на каждой ступени график S=f(t), где S – осадка штампа, мм; t – время. После испытаний строят график S=F(P), где P – нагрузка. По результатам определяют модуль деформации, например по формуле Буссинеска:

E=(1- µ²)*P/Sd, где

Е – модуль деформации;

Р – полная нагрузка на штамп. Берется по прямолинейному участку графика P=f(s);

d – диаметр штампа;

S – конечная осадка, соответствующая нагрузке Р;

µ - коэффициент Пуассона для грубообломочных грунтов – 0,27; песков и супесей – 0,30; суглинки – 0,35; глины – 0,42.

2.6. Лабораторные методы получения данных о свойствах горных пород и грунтов

Методы получения инженерно-геологической информации включают обширный комплекс лабораторных методов определения физико-механических свойств пород изученных ранее.

A. Основные методы лабораторных определений физико-механических 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.

Б. Методы определения физико-механических свойств скальных пород.

Многие физико-механические показатели скальных пород определяются в лабораторных условиях аналогично связным группам. Ниже рассматриваются только важнейшие, рекомендуемые для выполнения массовых испытаний:

1) определение водно-физических свойств пород: плотности, объемной массы, влажности, водонасыщенности, водопоглащения, пористости;

2) определение прочностных свойств: предел прочности на растяжение, сжатие и изгиб;

3) определение упругих свойств, твердости, пластичности, хрупкости.

Рассмотрим основные положения, на которых базируются требования к методам определения показателей свойств грунтов в лабораторных условиях. Набор показателей свойств и объем лабораторных испытаний должны быть оптимальными и точно отвечать инженерной задаче. Наборы показателей свойств и число определений некоторого свойства грунтов изменяются на различных этапах хозяйственной деятельности в зависимости от цели, для достижения которой используются показатели.

А) При составлении схем размещения и развития отраслей промышленности 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 в разных частях изучаемой территории. С целью решения перечисленных задач достаточно иметь в распоряжении главным образом показатели, характеризующие состав пород, и показатели свойств, называемые классификационными. Оценки показателей могут быть подсчитаны с вероятностью, не превышаю­щей 0,7—0,8.

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 на геологические тела; выбора на основании оценок классификационных показателей нормативных значений показателей сжимаемости и прочности грунтов, необходимых для предварительного расчета оснований, выполняемого в рамках компоновки сооружений; со­ставления проекта проведения строительных работ и проекта защитных мероприятий.

В процессе инженерно-геологических изысканий на стадии рабочей документации показатели свойств должны обеспечить расчленение геологической среды внутри предполагаемой сферы взаимодействия 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 деформациям и 0,95 при расчете оснований по несущей способности. Для сооружений 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 доверительной вероятности оценок показателей свойств.

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПРИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

С помощью геофизических методов можно решить ряд важных инженерно-геологических задач. При проведении инженерно-гео­логических исследований часто используют электроразведочные методы — вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) и электропрофилирование, а также сейсморазведку по методу пре­ломленных 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 коллективные свойства (пористость, трещиноватость, водонасыщенность упру­гие свойства).

Методом ВЭЗ устанавливают положение границ между геоло­гическими телами, различающимися электрическим сопротивле­нием и поляризуемостью. В процессе инженерно-геологических съемок, для определения положения границ в латеральной плос­кости применяют электрическое профилирование. Нередко в ходе решения какой-либо задачи сочетают ВЭЗ и электрическое про­филирование (например, при выявлении оконтуриваний пере­углублений в речных долинах).

Для установления положения границ между геологическими телами, выявления и трассирования зон тектонических нарушений и зон трещиноватости, определения положения уровня грунтовых вод (УГВ) применяется сейсморазведка МПВ. С ее помощью устанавливают границу между рыхлыми поверхностными отложе­ниями и коренными породами, выявляют древние эрозионные врезы (погребенные речные долины, озерные котловины и др.), приближенно определяют мощность площадной коры выветрива­ния и выявляют границы линейных кор. Таким образом, приме­нение геофизических методов наиболее часто преследует цель получения геометрических моделей исследуемой области геоло­гической среды, гидрогеологического и геологического строения и др. Электроразведочные методы применяют и в ходе изучения ЭГП, главным образом карстового и оползневого.

При наличии протяженных карстовых полостей электроразве­дочные профили располагают в нескольких сечениях перпендику­лярно к длинной оси полости и при корреляции данных измере­ний на профилях оконтуривают полость. Для выявления элементов ориентировки зон карстовых полостей можно применять круговое электрическое зондирование. Простирание зоны, к которой; при­урочены карстовые полости, выявляется с помощью круговых диаграмм, на которых оно соответствует длинной оси

Тело оползня и несмещенные породы за пределами поверхности отделения различаются электрическими и сейсмическими свойствами, что определяет возможность применения геофизических методов при изучении оползневого процесса. Задачи, ре­шаемые при этом, можно сформулировать следующим образом.

1. Картирование оползневых отложений.

1. Установление положения поверхности отделения и скольжения.

2. Определение положения УГВ.

3. Выявление структуры поля влажности.

4. Изучение режима влажности тела оползня и оползневых накоплений.

Задачи 1, 2, 3 решаются методами сейсморазведки МПВ и ВЭЗ. Задачи 4 и 5 могут быть решены методами сопротивлений, естественных потенциалов и термометрии. С точки зрения прог­ноза оползневого процесса чрезвычайно важно изучение режима оползневого склона в стадию подготовки оползневого смещения. Уменьшение прочности пород при подготовке оползня сопровож­дается увеличением скорости продольных и поперечных волн и коэффициентов их затухания. Это обстоятельство позволяет ис­пользовать сейсморазведку МПВ для получения данных о режиме свойств пород оползневого склона и в итоге — о режиме коэффи­циента устойчивости.

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. Плотность грунта определяется с точностью ±0,01 г/см³.

Рис 4.1. 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.

Р ис 4.3. Схема гамма-плотномера.

1 – источник излучения; 2 – экран; 3 – детектор; 4 – корпус; 5 – зона измерения (полевая проба грунта)

методом определения плотности является метод рассеянного γ-излучения. Интенсивность рассеянного γ-излучения зависит от плотности среды, энергии потока γ-частиц и расстояния между источником γ-лучей и детектором. Измеряется интенсивность рассеянного γ-излучения. В условиях стабилизации двух последних факторов можно определять плотность грунта.

ОБСЛЕДОВАНИЕ СООРУЖЕНИЙ

Известно, что сооружение и некоторая область геологической среды, называемая сферой взаимодействия, реагируют между со­бой. Их взаимодействие реализуется в форме инженерно-геологи­ческих процессов и процессов, происходящих в сооружениях (наклоны, перекосы, прогибы, образование трещин и др.).

Вследствие этого обследование сооружений, а точнее ПТГ, проводимое в ходе строительства и в период эксплуатации с целью установления их состояния анализа причин, представляет со­бой важный метод получения информации, используемой для со­ставления прогноза и разработки мероприятий по оптимальному управлению ПТГ. Состояние сооружений зависит не только от свойств геологической среды, но и от качества проекта и качества строительства. Установление причин процессов, происходящих в сооружениях, практически всегда очень ответственно, особенно когда сооружение находится в аварийном состоянии и тре­буется дать экспертное заключение о причинах его деформации. Задачи обследования сооружений заключаются в выявлении инженерно-геологических процессов, с которыми связаны их деформации, в оценке эффективности конструктивных меро­приятий по борьбе с инженерно-геологическими процессами.

Обследованию предшествует сбор и изучение инженерно-гео­логических материалов, а также материалов о типах и кон­струкциях сооружений, типах фундаментов, нагрузках, условиях проведения строительных работ по вскрытию котлованов, орга­низации водопонижения и др. Обследуются сооружения, находя­щиеся в аварийном состоянии, испытавшие существенные дефор­мации, наиболее крупные и ответственные, расположенные в не­благоприятных геологических условиях (сложное гидрогеологи­ческое строение, склоны, участки распространения слабых и сильно изменчивых в пространстве пород); имеющие усиленную жест­кость, обеспечивающую устойчивость сооружений; однотипные, расположенные на разных геоморфологических элементах; лю­бого класса в малозастроенных районах.

Обследование заключается в осмотре сооружений и оценке состояния стен, перекрытий, внутренних помещений, подвальных помещений оконных и дверных проемов, отмосток, откосов. Со­провождается оно описанием, зарисовками, фотографированием (документация). Особое внимание обращается на трещины в со­оружениях и на анализ причин их возникновения. Осматри­вается местность вокруг сооружения, описываются и документи­руются искусственные изменения природных условий (распашка земли, уничтожение растительности, изменение рельефа путем подрезки склона, подсыпки, планировки, устройство водоотвода, проявления инженерно-геологических процессов — оседание по­верхности, выпирание, разжижение пород и др.). В случае необ­ходимости в процессе обследования вблизи фундаментов соору­жения закладывают выработки, вскрывают фундамент, отбирают образцы для проведения лабораторных испытаний. По результа­там обследования составляют заключение о причинах деформации (аварии) сооружения (дефекты проекта строительных работ, неправильная эксплуатация сооружения или плохое качество инженерно-геологических исследований).