Инженерно-геологические изыскания для строительства

Проектированием объекта и составлением технического задания занимается инженер-строитель, который должен владеть определенными знаниями по инженерной геологии. Изыскательские работы проводятся организациями, имеющими определенную специализацию по видам строительства (гидротехническому, промышленно-гражданскому, железнодорожному, автодорожному и т. д.). Инженерно-геологические изыскания выполняются на основании нормативных документов СП 47.13330.2012 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11-02-96, и СП 11-105–97, часть I. Общие правила производства работ, где регламентируется порядок, состав, объемы и виды работ на разных этапах проектирования, состав документации и ответственность сторон.

Цель инженерно-геологических изысканий – получение необходимых материалов для проектирования. Основной задачей для инженерно-геологических исследований для промышленного и гражданского строительства является получение информации об инженерно-геологических условиях территории, к которым относятся рельеф, геологическое строение, горные породы и их свойства, гидрогеологические условия, природные геологические и инженерно-геологические процессы, а также прогноз изменения этих условий в процессе строительства и эксплуатации сооружений.

Состав и объем инженерно-геологических изысканий зависят от сложности инженерно-геологических условий, стадии проектирования, степени изученности района и других факторов. При наличии на территории проектируемого объекта опасных геологических и инженерно-геологических процессов (карст, оползни и др.) или при производстве работ в районах распространения специфических (элювиальные, просадочные, набухающие, техногенные) грунтов, изыскания проводятся в соответствии СП 11-105–97 Часть II. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов и СП 11-105-97 Часть III. Правила производства работ в районах распространения специфических грунтов.

Результатами проведения инженерно-геологических изысканий являются:

– выбор благоприятной в геологическом отношении площадки для строительства объекта;

– определение наиболее рациональной конструкции фундамента и технологии производства строительных работ в зависимости от инженерно-геологических условий;

– рекомендации мероприятий инженерной защиты территорий и охране геологической среды при строительстве и эксплуатации сооружений.

Производство инженерно-геологических изысканий подразделяется на три этапа: подготовительный, полевой, камеральный.

Подготовительный этап

Подготовительный этап включает в себя следующие работы:

– подготовка технического задания на проведение изысканий с приложениями (топографическая съемка М 1:1000 или М 1:500, выполненная в течение последних 3 лет; название объекта, местоположение, высотность здания, класс ответственности (I и II), нагрузки на фундамент, глубина заложения фундамента в зависимости от глубины или этажности подземных сооружений, расположение сооружения, отмеченное на генплане и ряд дополнительных условий).

– согласование программы на производство работ, составленное инженером-геологом на основании:

а) технического задания;

б) сбора архивных материалов (результаты ранее выполненных инженерно-геологических изысканий на данном участке или близлежащих, включая климат, гидрографию, рельеф); можно использовать инженерно-геологические материалы «не старше» 3 лет;

в) рекогносцировки (осмотр места, рельефа, обнажений, водопроявлений, инженерно-геологических процессов, при необходимости – маршруты по сложным участкам) – определяется категория сложности;

г) нормативных документов: СП 47.13330.2012 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11-02-96; СП 11-105–97 Часть I Общие правила производства работ; Часть II. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов; Часть III. Правила производства работ в районах распространения специфических грунтов, в которых изложены все необходимые объемы полевых работ.

Объемы работ для получения необходимых для проектирования материалов, должны соответствовать техническому заданию и нормативным документам.

– сметная стоимость проектируемых изысканий согласованная с заказчиком,

– договор и сроки выполнения работ.

Вся перечисленная документация направляется в отдел архитектуры, существующий при каждом административном образовании для получения разрешения на право производства работ на объекте. По окончании работ необходимо представить технический отчет. Необходимым условием для начала полевого периода является согласование точек заложения разведочных выработок со всеми службами, имеющих собственные интересы на обследуемых площадях (сети водоканала, тепло-газо-коммуникации, кабели, и т. д.)

Полевой этап

Полевой этап включает в себя проведение следующих видов работ: инженерно-геологическая съемка, проходка горных выработок, геофизические работы, опытные полевые испытания грунтов, гидрогеологические исследования, ведение стационарных наблюдений, выявление и оконтуривание геологических и инженерно-геологических процессов.

Инженерно-геологическая съемка производится при изысканиях для проектирования крупных объектов (плотины). Масштабы съемки зависят от целей. Для типовых проектов инженерно-геологическая съемка не используется.

Проходка горных выработок имеет особое значение при производстве инженерно-геологических изысканий.

Горная выработка – это полость в земной коре, образовавшаяся в результате проведения горных работ в толще полезного ископаемого или «пустых» горных пород. Горные выработки подразделяются на открытые (расчистки, закопуши, шурфы, канавы, дудки, карьеры) и подземные (штольни, штреки, шахтные стволы).

Шурф – вертикальная горная выработка квадратного или прямоугольного сечения глубиной от первых метров до 20 м. Крепление обязательно, при глубине более 10 м – вентиляция.

Дудка – вертикальная горная выработка круглого сечения.

Канава – горизонтальная выработка, чаще вытянутой формы (в районах новостроек для укладки коммуникации), при относительно небольшой глубине (первые метры) имеют значительную протяженность до нескольких километров. При поисковых и разведочных работах на полезные ископаемые канавы проходят вкрест простирания для бороздового опробования.

Подземные горные выработки.

Шахтный ствол – вертикальная или наклонная горная выработка сечением 2х3, 3х4 и более м, проходимая с поверхности или из подземной горной выработки.

Штольня – горизонтальная подземная выработка, имеющая выход на дневную поверхность.

Штрек – горизонтальная подземная выработка, не имеющая выхода на дневную поверхность.

Бурение скважин является наиболее эффективным методом позволяющим изучать недра земли. Скважина – это цилиндрическая выработка в земной коре, имеющая поперечное сечение малой величины при относительно большой протяженности. Начало скважины называется устьем, боковая поверхность – стенками, дно – забоем. По назначению скважины (бурение) – геологоразведочные, эксплуатационные, технические.

Значение скважин для инженерно-геологических изысканий:

– установление геологического разреза с точностью установления границ – 0,25–0,5 м;

– определение залегания уровня грунтовых вод;

– отбор образцов (керн) и монолитов грунта для определения физических (плотность, влажность – не менее 10 образцов на каждую разность), физико-механических свойств (не менее 6 образцов) и не менее 3 проб воды на химический состав каждого водоносного горизонта (плотность мерзлых грунтов обычно определяется на месте бурения).

– проведение полевых опытных испытаний,

– проведение гидрогеологических исследований;

– ведение стационарных наблюдений;

– выявление и оконтуривание геологических и инженерно-геологических процессов.

Виды бурения: колонковое, ударно-канатное, вибрационное, роторное, ручное, шнековое.

Колонковое бурение – вид быстровращательного бурения, при котором разрушение породы происходит по кольцу, а не по всей площади забоя. Внутренняя часть породы в виде керна, при этом, сохраняется. Данная разновидность бурения является основным техническимх средством изысканий для строительства и разведки месторождений твердых полезных ископаемых.

Породоразрушающий инструмент применяемый при буровых работах – шарошечное и крестовое долото, буровые коронки различной твердости, пневмоударники. Основные диаметры бурения при проведении изысканий составляют от 50 мм до 500 мм.

Бурение может производиться с отбором и без отбора керна (сплошным забоем). Полевая документация заносится в буровые журналы (дата, время, глубины залегания слоев и уровня грунтовых вод, отметки, номера и глубины отбора образцов). Ликвидационный тампонаж скважины проводится после завершения работ.

Геофизические работы (магниторазведка, гравиразведка, сейсморазведка, электроразведка, каротаж в сочетании с другими видами работ) решают многочисленные проблемы в инженерной геологии.

Сейсморазведка – метод исследований, основанный на измерении скорости прохождения продольных волн по глубине (V ₂ > V ₁).

Электроразведка – метод исследований, основанный на измерении кажущихся сопротивлений грунтов по глубине (ρ₂ > ρ₁), измеряется в Ом/м.

Каротаж скважин (электро-, сейсмо-, радиометрический) позволяет изучать пространство вокруг них, различные свойства грунтов (влажность, плотность, трещиноватость т. д.) в естественном залегании.

Значение геофизических работ: определение мощности рыхлых отложений, выявление тектонических нарушений, зон повышенной трещиноватости и обводненности, определение гидрогеологических параметров (уровня залегания грунтовых вод, водоупорных пород, направление движения подземных вод), определение состава и состояния свойств грунтов.

Полевые исследования грунтов следует проводить при изучении массивов грунтов (в основном песчано-глинистые грунты) в естественном залегании с целью:

– расчленение геологического разреза, оконтуривание прослоев и линз слабых грунтов,

– определение физико-механических свойств грунтов в условиях естественного залегания,

– оценки пространственной изменчивости свойств грунтов,

– оценка возможности погружения свай в грунты и несущей способности свай.

Полевые штамповые испытания – эталонный метод деформационных испытаний грунтов на сжимаемость

Штамп – квадратная или круглая плита, площадью 5000 см², служащая для передачи давления на грунт при полевых испытаний грунтов методом опытных нагрузок. Давление создается домкратами или платформами с грузом и производится ступенями с выдержкой определенное время до стабилизации осадки. Строится график зависимости осадки штампа от давления и осадки штампа во времени по ступеням нагрузки, определяют деформационные свойства (модуль деформации Е, МПа). Штамповые испытания могут проводиться в скважинах со штампом площадью 600 см², давление создается платформой с грузом через штангу.

Статическое и динамическое зондирование (пенетрация) – определение сопротивления песчаных и глинистых грунтов вдавливанию (статическое) или забивке (динамическое) конусовидного металлического наконечника (зонда) на глубину. По результатам испытаний определяют однородность грунтов по глубине и приближенную количественную оценку свойств грунтов.

Прессиометрия определяет деформационные свойства глинистых грунтов. Прессиометр – резиновая цилиндрическая камера, устанавливаемая на необходимой для обследования глубине в скважине и расширяющаяся за счет увеличения давления жидкости или газа нагнетаемого в камеру. Замеряется давление и радиальное перемещение грунта в стенках скважины, что позволяет рассчитать модуль деформации.

Крыльчатка(метод вращательного среза) позволяет определить прочностные свойства слабых грунтов и представляет собой четырехлопастной зонд, который опускают в забой скважины, вдавливают и поворачивают вокруг своей оси. Замеряют крутящий момент, что позволяет рассчитать сопротивление грунта сдвигу, величину внутреннего трения φ и удельного сцепления С, МПа.

Гидрогеологические исследования (опытно-фильтрационные работы) выполняются в случае распространения или возможности формирования подземных вод в сфере взаимодействия проектируемого объекта с геологической средой (загрязнение, истощение, прогноз подтопления, возможность ухудшения свойств грунтов), для решения вопросов водоснабжения и защиты при строительстве.

Гидрогеологическими исследованиями определяются коэффициент фильтрации к _ф и радиус влияния скважины (депрессионной воронки) в условиях естественного залегания пород и циркуляции подземных вод.

Коэффициент фильтрации для обломочных грунтов определяется откачками воды из скважин. В зависимости от поставленных задач различают: экспресс-откачка (до 0,5 суток), пробные, опытные, опытно-эксплуатационные; одиночные и кустовые откачки из скважин. Строится график откачки (зависимость понижения (S) от времени (t) в полулогарифмическом масштабе).

Откачки производятся глубинными или  поверхностными насосами (2–2,5 л/с) или эрлифтом «air» – воздух, «lift» – подъем (до 10 л/с). Приборы для замеров глубины залегания уровня подземных вод в скважинах – электроуровнемеры, «хлопушки», манометры для фонтанирующих скважин.

Для определения к _ф для супесей и суглинков применяют методы налива в шурфы и нагнетание воды в скважины.

Стационарные наблюдения (режимные) необходимо выполнять для изучения:

– динамики развития опасных геологических процессов (карст, оползни, сели, переработка берегов, выветривание и пр.),

– изменений состояния свойств грунтов,

– изменения уровня, температуры, химического состава подземных вод;

– деформации грунтов оснований.

Продолжительность не менее одного гидрологического года или сезона проявления процесса с частотой регистрации экстремальных значений.

Камеральный этап

В течение камерального периода выполняются лабораторные работы, производится обработка результатов полевых работ и лабораторных анализов, составляется отчет.  Назначение и состав лабораторных испытаний.

– определение физических свойств грунтов: плотность, влажность, пределы пластичности, плотность минеральной части и пр.;

– определение механических свойств грунтов: деформационных (модуль деформации Е₀ (МПа), прочностных (угол внутреннего трения φ, град, сцепление С, МПа), предела прочности на одноосное сжатие для скальных грунтов (R ₀,МПа),

– определение агрессивности подземных вод и коррозионной активности грунтов;

– определение коэффициента фильтрации.

Результатом изысканий является составление инженерно-геологического отчета с текстовыми и графическими приложениям (инженерно-геологическая карта для крупных объектов, геологические колонки и разрезы, паспорта лабораторных анализов грунтов и воды и т. д.).

Вопросы для самопроверки.

1. Какие карты являются основой для построения инженерно-геологичес-ких, гидрогеологических и других карт, используемых при строительстве?

2. Как называется проекция геологического строения на вертикальную плоскость, построенная по геологической карте и по данным геологоразведочных выработок?

3. Какие работы проводятся во время подготовительного этапа?

4. Какие работы проводятся во время полевого этапа изысканий?

5. Какие существуют виды бурения, при каких видах бурения можно отобрать монолиты грунта ненарушенной структуры?

6. Для определения, каких свойств грунтов необходим отбор монолитов грунта (с сохраненной структурой)?

7. Как называются методы исследования, основанные на свойствах горных пород (удельном электрическом сопротивлении, скорости распространения упругих сейсмических волн, радиоактивности, магнитной восприимчивости и др.)?

8. Для каких грунтов наливы в шурфы и нагнетания в скважины позволяют определить коэффициент фильтрации?

9. Какие свойства грунтов определяют методом штамповых испытаний?

10. Какие свойства для слабых грунтов определяют методом вращательного среза (крыльчатка)?

11. На каком этапе изысканий выполняется обработка полевых материалов и результатов лабораторных анализов, составление инженерно-геологического отчета?

12. Какой документ является основанием для начала производства инженерно-геологических изысканий?

13. Какие горные выработки проходят при инженерно-геологических исследованиях? Охарактеризуйте возможности их использования и задачи, которые решаются с их помощью.