Основные физико-механические свойства горных пород, необходимые для проектирования и строительства. Методы определения абсолютного и отн

Лабораторные методы основаны на изучении скорости движения воды через образец грунта при различных градиентах напора. Все приборы для лабораторного определения коэффициента фильтрации могут быть подразделены на два типа: с постоянным напором и с переменным. Рисунок 1

Принцип работы приборов: В цилиндрический сосуд с двумя боковыми пьезометрами П1 и П2 помещают испытуемый грунт, через него фильтруют воду под напором. Зная диаметр цилиндра F, напорный градиент (I = ΔH/L) и измеряя расход профильтровавшейся воды Q, находим коэффициент фильтрации по формуле kф = QL/F(h1-h2),

Где h1 и h2 – показатели пьезометров; L – расстояние между точками их соединения

Приборы, моделирующие постоянство напорного градиента, т. е. установившееся движение, применимы в основном для грунтов с высокой водопроницаемостью, например для песков. Для суглинков и супесей применяют приборы типа ПВГ (Рисунок 5), позволяющие определять коэффициент фильтрации образцов с нарушенной и ненарушенной структурой. Для глинистых пород наибольшее значение имеет определение коэффициента фильтрации в образцах с ненарушенной структурой, обжатых нагрузкой, под которой грунт будет находиться в основаниях зданий и сооружений.

Приборы, моделирующие переменный напор, характеризующий неустановившееся движение, обычно используют для определения коэффициента фильтрации связных грунтов с малой водопроницаемостью.

Простота и дешевизна лабораторных методов позволяет широко их использовать для массовых определений коэффициента фильтрации.

Полевые методы позволяют определить коэффициент фильтрации в условиях естественного залегания пород и циркуляции подземных вод, что обеспечивает наиболее достоверные результаты.

Коэффициент фильтрации водоносных пород определяют с помощью откачек воды из скважин, а в случае неводоносных грунтов – методом налива воды в шурфы и нагнетанием воды в скважины.

Наилучшим питьевым качеством обладают воды при pH = 6,5…8,5. Химически чистая вода бесцветна. Окраску воде придают механические примеси. Прозрачность воды зависит от цвета и наличия мути. Вкус связан с составом растворенных веществ: соленый – от хлористого натрия, горький – от сульфата магния и т. д. Запах зависит от наличия газов биохимического происхождения (сероводород и др.) или гниющих органических веществ.

Вода для питьевых целей должна быть бесцветна, прозрачна, не иметь запаха, быть приятной на вкус. Количество растворенных солей не должно превышать 1,0 г/л. Не допускается содержание вредных для здоровья человека химических элементов (уран, мышьяк и др.) и болезнетворных бактерий. Последнее в известной мере может быть нейтрализовано обработкой воды ультразвуком, хлорированием, озонированием и кипячением.

Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воздействии растворенных в воде солей на строительные материалы, в частности, на портландцемент. Поэтому при строительстве фундаментов и различных подземных сооружений необходимо уметь оценивать степень агрессивности подземных вод и определять меры борьбы с ней. В существующих нормах, оценивающих степень агрессивности вод по отношению к бетону, кроме химического состава воды, учитывается коэффициент фильтрации пород. Одна и та же вода может быть агрессивной и неагрессивной. Это обусловлено различием в скорости движения воды — чем она выше, тем больше объемов воды войдет в контакт с поверхностью бетона и, следовательно, значительнее будет агрессивность.

По отношению к бетону различают следующие виды агрессивности подземных вод:

Общекислотная – оценивается величиной pH.

Сульфатная – определяется по содержанию иона SO42-

Магнезиальная – устанавливается по содержанию иона Mg2+

Карбонатная – связанная с воздействием на бетоны агрессивной углекислоты (возможен только в песчаных породах)

Агрессивное действие подземных вод на металлы (коррозия металлов). Подземная вода с растворенными в ней солями и газами может обладать интенсивной коррозионной активностью по отношению к железу и другим металлам. Подземные воды обладают коррозионными свойствами при содержании в них также агрессивной углекислоты, минеральных и органических кислот, солей тяжелых металлов, сероводорода, хлористых и некоторых других солей. Мягкая вода действует значительно агрессивней, чем жесткая. Влияние сильнокислых и сильно щелочных вод способствует наибольшему разъеданию металлов. Коррозии способствует повышение температуры воды, увеличение скорости ее движения, электрического поля в грунтовых толщах.

9. Опишите методы инженерно-геологических  исследований (бурение скважин, определение  устойчивости склонов).

Буровая скважина – представляет собой круглые вертикальные или наклонные выработки малого диаметра, выполненные специальным буровым инструментом. Диаметр скважины от 100 до 150 мм. Для лабораторных испытаний нужны образцы диаметром не менее 100 мм. В буровых скважинах различают устье, стенки и забой.

Бурение применяется в основном для исследования горизонтальных или пологопадующих пластов. С помощью бурения выясняют состав, свойства, состояние грунтов, условия их залегания. Вся эта работа основывается на исследовании образцов пород, которые непрерывно извлекаются из скважины по мере ее углубления в процессе бурения. В зависимости от способа бурения и состава пород образцы могут быть ненарушенной, (такая структура называется керн) и нарушенной структуры.

Преимущество бурения перед другими способами – высокая скорость, возможность достижения больших глубин (нескольких километров, при поисках нефти, газа) высокая механизация, мобильность.

Недостатки – малый диаметр скважины не позволяет производить непосредственный осмотр стенок, размер образцов ограничен диаметром скважины, по одной скважине невозможно определить элементы залегания слоев. Проходка скважины бывает затруднена в слабых водонасыщенных породах вследствие обваливания или оплывания стенок. Для их крепления применяют стальные обводные трубы, которые опускают в скважины и продолжают бурение.

По мере проходки скважины, оформляется ее геологическая документация в виде геолого-литологической колонки, по которой видно, как залегают слои, их мощность, литографический тип, глубина залегания уровня грунтовых вод, место отбора пород в виде керна, возраст пород в индексах.

Отбор пород: пробы берут послойно на всю глубину выработки, но не реже, чем каждые 0,5-1 м. Наиболее детально обследуют слой, который будет несущим основанием. Обязателен отбор монолитов, т.е. слоев с сохранением структуры. Это особенно важно при отборе слоев из связных дисперсных пород (глины суглинки), в которой кроме структуры необходимо сохранить природную влажность. Монолиты немедленно парафинируют, т. е. обматывают слоем марли пропитанной парафиногудронной смесью, подогретой до 60-65 оС. Рекомендуемые размеры монолитов в скважине – цилиндры высотой 20-30 см. Помимо монолитов, отбирают образцы нарушенной структуры и образцы рыхлых пород, Вес каждой пробы составляет до 0,5 кг.

Пробы воды берут из каждого водоносного горизонта в объеме от 0,5 до 2 литров. Вода набирается в чистую специальную емкость и тщательно закупоривается.

Для оценки устойчивости склона инженерно-геологические изыскания следует проводить, как правило, на всей площади опасного (потенциально опасного) склона и прилегающих к его верхней бровке и подошве зон (до предполагаемой границы устойчивой части склона). Для береговых склонов - с обязательным охватом их подводных частей, в том числе в случаях, когда территория проектируемого объекта занимает только часть склона. Границы обследуемой территории необходимо определять с учетом ожидаемого негативного техногенного воздействия (при хозяйственном освоении площадки проектируемого строительства и прилегающей территории) и развития оползне- и обвалообразующих процессов (боковой и донной эрозии, абразии, выветривания и др.)

При изысканиях на оползне- и обвалоопасных склонах необходимо устанавливать типы и подтипы склоновых процессов по механизму смещения пород, условия их возникновения и характер проявления. Выявлять взаимосвязь оползневых деформаций с рельефом, геологическим строением, воздействием подземных вод, инженерно-геологическими процессами (эрозия, абразия, выветривание, подтопление, осушение и др.), а также с результатами хозяйственной деятельности (подрезка, пригрузка склонов, изменение уровня подземных вод, уничтожение древесной растительности, динамические нагрузки и т.п.). Возможны промежуточные типы опасных склоновых процессов, а также наличие сложного (комбинированного) механизма их проявления.

Цель состава и объема изыскательских работ является определение:

типов склоновых процессов, развитых в районе, времени (возраста) и причин их возникновения; стадии (фазы) развития, характера деформаций в имеющихся на склоне зданиях и сооружениях; состояния сооружений инженерной защиты и эффективности их работы; приуроченности склоновых процессов к определенным геологическим образованиям, тектоническим структурам и геоморфологическим элементам; влияния гидрогеологических, гидрологических и метеорологических условий на возникновение склоновых процессов; влияния рельефа, крутизны и экспозиции склона на проявления оползней и обвалов; роли хозяйственной деятельности в активизации склоновых процессов; наличия других видов современных экзогенных геологических процессов (выветривание, эрозия, абразия и т.п.) и определения степени их влияния на устойчивость склонов и, в частности, на возникновение и развитие на них оползней, осыпей и обвалов разных типов

Состав работ:

Сбор и обработка материалов изысканий и исследований прошлых лет. В результате анализа и обработки собранных материалов и данных рекомендуется определять количественные показатели степени развития склоновых процессов

Маршрутные наблюдения в процессе рекогносцировочного обследования и оползневой съемки. Это описание и оценка состояния поверхности склона и его характерных особенностей на отдельных оползневых, осыпных и обвальных участках; выявление визуальных проявлений оползневых, осыпных и обвальных процессов на поверхности склона; выявление проявлений свежей эрозионной или абразионной подсечки склонов и т. д. В процессе маршрутных наблюдений следует намечать места размещения горных выработок, пункты (створы) проведения других видов работ, в том числе геофизических исследований и стационарных наблюдений. Выбор вида, способов, конструкции и

технологий проходки буровых скважин

Геофизические исследования осуществляют определение фактических и потенциально возможных зон оползневого смещения, комплексом методов электроразведки и электропрофилирования, а также сейсморазведки; выделения зон разной степени выветрелости, определения мощности оползневых масс грунтов, осыпей и обвальных отложений и т.д.

Полевые исследования выявляют условия залегания, мощности и распространения в плане и по глубине ослабленных зон в толще склоновых отложений (перемятых грунтов, суффозионного разуплотнения и т.п.), оценки динамической устойчивости песчаных грунтов, возможности их разжижения (статическое и динамическое зондирование); оценки прочностных свойств слабых разновидностей грунтов, имеющих определяющее значение в оползневом процессе (вращательный и поступательный срезы в скважинах); оценки прочностных свойств неоднородных, слоистых трещиноватых или крупнообломочных пород (срез целиков грунтов по заданным плоскостям, контактам, поверхностям напластования, трещинам в шурфах и котлованах).

Гидрогеологические исследования выполняются с целью оценки величин сезонных колебаний уровней подземных вод и гидродинамического давления по всем водоносным горизонтам оказывающим воздействие на устойчивость рассматриваемого склона; выявления и установления характера взаимосвязей между

режимом подземных вод и оползневыми процессами; установления источников питания подземных вод, в том числе техногенного происхождения (утечки производственно-хозяйственных вод, поливы и т.п.); выявления водоносных горизонтов, играющих определяющую роль в оползневом процессе; установления взаимосвязи между водоносными горизонтами и поверхностными водами;

Лабораторные исследования грунтов для изучения оползневых процессов следует проводить в основном на образцах, отобранных из грунтов основного деформируемого горизонта. Обязательному опробованию подлежат грунты в зоне плоскостей смещения, ослабленных, перемятых, разуплотненных и водонасыщенных слоев грунта, зон тектонических нарушений и др. При выполнении лабораторных исследований методы подготовки грунтов к испытаниям должны учитывать предполагаемые воздействия различных факторов на исследуемый грунт: изменения его напряженного состояния и степени уплотнения при снятии нагрузки, оползневых или обвальных смещениях, выветривании и других воздействиях. Лабораторные исследования проб подземных вод, отобранных для выявления источников обводнения оползней, следует осуществлять по стандартному комплексу с выполнением при необходимости дополнительных анализов.

Камеральная обработка материалов инженерно-геологических изысканий и составление технического отчета о выполненных изысканиях должны дополнительно включать оценку устойчивости склонов с учетом возможного развития склоновых процессов

Устойчивость склона определяется соотношением сил, стремящихся столкнуть массу пород вниз по склону, и сил, которые сопротивляются этому процессу. Рисунок 6

Устойчивость земляных масс на склонах выражается уравнением

 

T=Ntgφ+CF

Где T – сдвигающая составляющая веса массива; N – нормальная составляющая веса; F – поверхность скольжения оползня; С – сцепление; tgφ – коэффициент внутреннего трения

Степень устойчивости склона определяется коэффициентом

 

Kуст= Ntgφ+CF)/T

 Числитель отражает сумму  сил, которые сопротивляются возникновению  оползня, в знаменателе – сталкивающие  силы.