Инженерно-геологические изыскания

7.1. Классификация методов получения
инженерно-геологической информации

Для получения, накопления, хранения и обработки инженерно-геологической информации используют различные методы, которые целесообразно разделить на методы получения информации — M11 и методы ее накопления, хранения и обработки — М12. В соответствии с характером информации (оперативная, накопленная) методы получения информации делятся на методы получения оперативной (М21) и накопленной (M22) инженерно-геологической информации. В практике инженерно-геологических исследований геологическая среда рассматривается либо как неизменная в физическом времени (преимущественно при решении вопросов регионального изучения), либо как объект, структура и свойства которого изменяются в физическом времени (исследование экзогенных геологических процессов). Методы получения информации должны отражать квазистатический и динамический аспекты рассмотрения геологической среды. По отношению ко времени получения оперативной информации методы следует разделить на методы получения информации, соотнесенной к одному моменту времени (сингулярные) — М31, и методы получения информации режимного характера — M32.

В ходе инженерно-геологических исследований обычно изучают набор свойств геологической среды — компонентов инженерно-геологических условий. Для этого требуется сочетать отдельные методы в едином комплексном методе. К комплексным методам принадлежат инженерно-геологическая съемка, рекогносцировка, разведка и др. Частными методами следует считать такие, которые позволяют получить информацию преимущественно об одном свойстве геологической среды. Таким образом, на следующем, четвертом уровне расчленения полного множества методов целесообразно выделить частные методы — M41 и комплексные методы — M42. В инженерной геологии используют общегеологические (наземные и аэровизуальные наблюдения, горные и буровые работы и др.) и специальные методы. Они составляют две подгруппы пятого уровня расчленения полного множества методов — M51 и М52. Наконец, по характеру оценки свойств среды — компонентов инженерно-геологических условий методы целесообразно разделять на прямые М61 и косвенные М62. Прямыми следует считать методы, позволяющие непосредственно фиксировать, оценивать, измерять свойства геологической среды; косвенными — методы, применение которых позволяет получить косвенные данные. На их основании можно оценивать компоненты инженерно-геологических условий (например, метод ландшафтных индикаторов или метод геологических индикаторов).

Схема классификаций методов инженерно-геологических исследований помещена на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Схема классификации методов инженерно-геологических исследований

К настоящему времени выполнена большая работа по техническому нормированию и стандартизации инженерно-геологических исследований. Существует обширная специальная литература методического характера. На большинство методов полевых и лабораторных испытаний грунтов разработаны строительные нормы или государственные стандарты.

Ниже рассматриваются методы получения инженерно-геологической информации.

7.2. Наземные и аэровизуальные наблюдения

Метод наземных визуальных геологических наблюдений — традиционный общегеологический метод. Он сопровождается простейшими измерениями некоторых показателей свойств геологической среды (элементов залегания пород, ориентировки трещин, мощности слоев и др.). Несмотря на простоту, этот метод чрезвычайно информативен. В ходе наземных наблюдений, сопровождаемых описанием свойств геологической среды, изучают:

· геоморфологический облик территории и ее геоморфологическую структуру;

· геологический разрез (путем обследования обнажений) и условия залегания пород, их минеральный и гранулометрический состав, состояние, свойства грунтов (например, угол откоса осыпи);

· гидрогеологические условия, водопроявления, положение УГВ (в колодцах), свойства подземных вод (цвет, запах, вкус, прозрачность и др.);

· проявления экзогенных геологических процессов.

В ходе обследования естественных обнажений пород устанавливают их стратиграфическую принадлежность — происхождение (наличие фауны, характер разреза, структурно-текстурные особенности, характер слоистости, наличие контактов).

Геологическое описание разрезов горных пород позволяет: составить геологический разрез, на котором можно отразить все данные, важные с точки зрения инженерно-геологической оценки изучаемой геологической системы применительно к конкретному строительству (например, показать на разрезе тонкие прослои глин среди песчаных пород, если исследования ведут для проектирования гидротехнических сооружений и возникает сомнение в устойчивости основания напорных сооружений); расчленить исследуемый объем геологической среды на геологические тела, отвечающие таксономическим единицам классификации. Выделение таксономически определенных геологических тел различных категорий предусматривает наличие данных о возрасте и генезисе, составе горных пород и свойствах грунтов.

Описание горных пород ведут в процессе наземных наблюдений (изучение обнажений, расчисток), горных и буровых работ, при отборе образцов пород, в процессе полевых и лабораторных испытаний грунтов. Описываются: выветрелые и зачищенные породы в обнажениях, расчистках; очищенные от шлама куски керна, извлеченные из скважины; образцы, отобранные из горных выработок, очищенные от парафина монолиты грунта (в лабораторных условиях). Примерный порядок описания пород следующий: название породы, цвет (в сухом и влажном состоянии), излом; минеральный и гранулометрический состав, структура и текстура, характер структурных связей минерального уровня, активные элементы и структура изучаемого геологического тела, эффективные структурные связи; включения (форма, состав, количество); пористость, наличие пустот (их размеры, пространственное размещение), трещиноватость (генезис, ориентировка трещин, их пространственное размещение и густота, ширина трещин, характер стенок трещин, заполнитель); размер и форма отдельностей и их размещение на поверхности, наличие флоры и фауны; наличие, состав и распределение органического вещества и легкорастворимых солей; влажность, консистенция, прочность в массиве и в образце; изменение описываемых признаков по разрезу.

При описании отмечается характер контактов геологических тел (особенно различающихся влажностью, консистенцией, прочностью), выявляются слои пород с низкой прочностью, зоны ослабления и другие компоненты разреза, которые могут оказать существенное влияние на характер и интенсивность инженерно-геологических процессов. При визуальных наблюдениях используют простейшие методы инструментальных измерений показателей, характеризующих структуру разреза (элементы залегания пород, ориентировка трещин, углы склонов и др.), а также показателей свойств грунтов (предельное напряжение сдвига, плотность, объемная влажность, относительная прочность). Для оценки показателей свойств грунтов используют микропенетрометры, гамма-гамма-плотномеры, нейтронные измерители влажности, ручные искиметры и другие портативные приборы.

В процессе изучения разрезов пород в ходе инженерно-геологических исследований большое внимание уделяется трещиноватости, поскольку трещины нередко являются границами активных элементов, взаимное перемещение которых при механических взаимодействиях определяет деформирование геологического тела в целом и его устойчивость. Трещиноватостью горных пород обусловлены такие их коллективные свойства, как водопроницаемость и блочность. В процессе изучения трещиноватости выделяют системы трещин, измеряют и описывают параметры трещиноватости: ориентировку, азимут падения плоскости трещины, угол падения плоскости трещины, расстояние между соседними трещинами одной системы, густоту трещин а, ширину раскрытия трещин b, протяженность трещины l в обнажении. Описывают основные черты поверхности стенок, форму трещин, характер заполнителя, налеты на стенках, изменение этих признаков в пространстве. Отмечают ориентировку обнажения или его отдельных плоских частей. По данным измерений параметров трещиноватости подсчитывают среднюю ширину трещин, среднее расстояние между трещинами одной системы и их средние квадратические отклонения. Определяют модуль трещиноватости Мтр. — число трещин на 1 м линии, нормальной к простиранию измеряемой системы трещин, и классифицируют породы по их трещиноватости (табл. 7.1).

Таблица 7.1.Классификация пород по трещиноватости и степени водопоглощения

Для анализа структуры трещиноватости и выявления систем трещин строят круговые диаграммы трещиноватости, предложенные А. Вальтером, Д. Шмидтом, Ф. П. Саваренским. На них условными знаками показывают азимут и угол падения, ширину трещин (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Круговая диаграмма трещиноватости горных пород. I и II —
системы трещин; доля различных трещин (в %): 1 — > 6; 2 — 4–5; 3 — 3–4; 4 — 2–3; 5 — 1–2; 6 — < 1

Совместный анализ обработанных данных наблюдений трещиноватости и др., позволяет решить вопрос о генезисе трещин (литогенетического, тектонического, экзогенного происхождения).

По данным измерений вычисляют коэффициент трещинной пустотности

где — средняя ширина трещины i-й системы; — среднее расстояние между соседними трещинами; n — число систем трещин.

В ходе наземных наблюдений изучают тектоническое строение (структуру), фиксируют тектонические нарушения, сбросы, зоны тектонического дробления, трещиноватости, исследуют складчатость и измеряют элементы залегания пород.

В процессе наземных наблюдений большое внимание обращают на гидрогеологические условия. Исследуют и описывают все водопроявления: родники, колодцы, участки высачивания подземных вод и др. Отмечается местоположение водопроявления, его геологические и геоморфологические условия; производится классификация водопроявления (группа и тип источника); измеряется дебит и описывается его режим во времени (при возможности получения данных опроса); оцениваются физические свойства и химический состав (при наличии полевой лаборатории). В колодцах (скважинах) измеряют глубину уровня воды.

Наземные наблюдения включают также изучение проявлений ЭГП. По признакам-условиям процесса устанавливаются примерные границы области с неустойчивой структурой, и внутри нее производится поиск признаков-индикаторов того или иного ЭГП. Все индикаторы процессов тщательно изучаются и документируются (измерение, оценка, описание, зарисовка, фотографирование)1. Наблюдается, оценивается и описывается площадь проявления ЭГП, его масштаб и формы, морфологические элементы процесса, приводятся данные о режиме (по результатам опроса) и стадии ЭГП. Описываются и документируются условия процесса, его приуроченность к горным породам и геоморфологическим элементам. Оцениваются внешние и внутренние причины процесса.

Аэровизуальные наблюдения довольно широко используются при инженерно-геологической съемке и рекогносцировке, а также в ходе работ по контролю и уточнению данных дешифрирования аэрофотоматериалов. Наблюдения ведут с самолета или вертолета. Борт-наблюдатель (инженер-геолог) должен иметь топографическую или геологическую карту крупного масштаба. На карте должны быть нанесены линии маршрутов, показаны высота и скорость полета, основные ориентиры, места желательных внеаэродромных посадок. Рационально также использовать в ходе наблюдений предварительно отдешифрированные фотосхемы. Применение фотосхем позволяет уменьшить объем информации, который должен быть получен в процессе наблюдений, поскольку задача в этом случае сводится к дополнению и контролю информации, извлекаемой при дешифрировании АФМ [8, 9].

Масштаб аэровизуальных наблюдений под углом 90° в вертикальном направлении (М90) подсчитывают по формуле:

М90 = 1/4 Н,

где Н — высота полета (в м). При наблюдениях под углом 60° М60 = 1/8 Н. При небольшой высоте (70–100 м) и скорости полета (до 100 км/ч) время наблюдения некоторого объекта не превышает 25–35 сек, поэтому при проведении аэровизуальных наблюдений используют диктофон, а наблюдения рекомендуется проводить одновременно нескольким наблюдателям. Например, один наблюдает и фиксирует геоморфологические признаки, второй — геотектонические, третий — проявления ЭГП [9]. После полета, в тот же день, непременно производится итоговая запись результатов наблюдений «по памяти». Аэровизуальные наблюдения дополняют перспективным фотографированием наиболее интересных в геологическом отношении участков на трассе. Достоинство аэровизуальных наблюдений — возможность последовательного укрупнения их масштаба, позволяющая: провести типизацию территории по ландшафтному строению, выявить и пронаблюдать (или наметить к изучению наземными методами) наиболее представительные естественные обнажения пород, проявления ЭГП; наметить места расположения ключевых участков и трассы опорных съемочных маршрутов. Аэровизуальные наблюдения применяют для проверки результатов дешифрирования аэрофотоматериалов и получения дополнительных сведений о компонентах ландшафта и геологических данных, о составе пород, вскрытых в естественных обнажениях, геоморфологических условиях, проявлениях некоторых ЭГП (оврагообразования, речной эрозии, оползневого, криогенных и др.). При проведении инженерно-геологической съемки аэровизуальные наблюдения предшествуют наземным.

7.3. Аэрокосмофотосъемка и дешифрирование
аэрокосмофотоматериалов

Аэрокосмофотосъемка позволяет получать фотоматериалы с помощью космических (спутники, космические корабли, орбитальные станции) или воздушных (вертолеты, самолеты) носителей. В процессе съемки получают аэрофильм, с которого делают аэрофотоснимки.

Для дешифрирования используют увеличенные аэрофотоснимки и фотосхемы. Фотосхему монтируют из центральных частей фотоснимков. Различают уточненные фотосхемы, смонтированные из трансформированных фотоснимков (на них устранены искажения, обусловленные колебаниями высоты полета и наклоном оси аппарата), и приведенные фотосхемы (все использованные для фотосхемы снимки приведены к одному среднему масштабу аэросъемки или масштабу топографической карты).

Масштабы космических снимков и аэроснимков и области их применения приведены в табл. 7.2.

Таблица 7.2. Масштабы космических и аэроснимков и области их применения

Дешифрирование космоаэрофотоматериалов в инженерно-геологических целях представляет собой процесс получения инженерно-геологической информации. Различают прямое и индикационное дешифрирование. При прямом дешифрировании используют признаки, присущие изображению объектов дешифрирования: геометрические, оптические (тон и цвет изображения), отбрасываемые тени, структура изображения. Процесс индикационного дешифрирования основан на опознании косвенных признаков — индикаторов инженерно-геологических условий. В качестве индикаторов чаще всего используют физические компоненты ландшафта. Под ландшафтом понимают природно-территориальный комплекс, который сформировался на обособленном, едином в генетическом и историко-геологическом отношении участке территории и обладает: 1) более или менее одинаковым геологическим строением, однотипным рельефом, климатом, почвенным и растительным покровом, общим характером поверхностных и подземных вод; 2) определенной структурой, выраженной закономерным сочетанием в пространстве динамически сопряженных природно-территориальных комплексов низких рангов [9]. Ландшафтные индикаторы инженерно-геологических условий относятся к группам признаков геоморфологических, геоботанических, гидрологических, почвенных, искусственных (антропогенных). Наряду с перечисленными группами признаков при дешифрировании используют комплексные индикаторы, и прежде всего структуру ландшафтной оболочки и физиономические компоненты различных категорий. При количественной индикации компонентов инженерно-геологических условий целесообразно представлять комплексные индикаторы в аналитической форме (регрессии, дискриминантные функции). В процессе прямого дешифрирования оценивают проявления экзогенных геологических процессов, морфологическое строение (частично), элементы тектоники, характер горных пород (при наличии крупных обнажений). Другие компоненты инженерно-геологических условий выявляют по ландшафтным индикаторам. Существует обширная научная и справочная литература по ландшафтным индикаторам геологических условий, которой можно руководствоваться при индикационном дешифрировании материалов аэрокосмофотосъемки [9, 6, 8, 18]. Наряду с фотографической в последние годы интенсивно разрабатываются телевизионная, инфракрасная, многозональная, радиофизическая и другие виды съемок, которые позволяют существенно усовершенствовать методику оценки компонентов инженерно-геологических условий дистанционными методами [28].

7.4. Горные и буровые работы

При проведении инженерно-геологических исследований нередко прибегают к проходке горных выработок. Горные выработки проходят с целью: 1) изучения геологического строения, проявлений тектонических процессов и трещиноватости пород; 2) проведения полевых опытных работ; 3) отбора образцов пород с ненарушенной структурой и проб воды; 4) организации наблюдений за режимом подземных вод и экзогенных геологических процессов (например, выветривания). Типы горных выработок и их целевое назначение рассмотрены в табл. 7.3.

Таблица 7.3. Типы и назначение горных выработок

Горные выработки предпочтительнее буровых скважин. С их помощью можно наблюдать разрез горных пород и, следовательно, выявлять все детали его строения, важные в инженерно-геологическом отношении. Из них можно более качественно, с меньшими нарушениями отобрать монолиты. Недостатком горных выработок следует считать трудоемкость их проходки (особенно глубоких шурфов), необходимость в крепежном материале, специальных средствах проходки, средствах водоотлива и т. д. Вследствие этого такие виды горных выработок, как шурфы, дудки и шахты, нередко заменяются альтернативными им буровыми скважинами.

В ходе инженерно-геологических исследований применяют способы бурения: 1) позволяющие получить керн в виде столбика грунта с относительно ненарушенной структурой (колонковый, пневмоударный, ударно-канатный с кольцевым забоем, шнековый с кольцевым забоем, вибрационный способы); 2) дающие керн, представляющий собой грунт нарушенного строения (медленно-вращательный, шнековый и ручной ударно-вращательный способы); 3) позволяющие получить полностью разрушенный грунт в виде шлама (ударно-канатное бурение сплошным забоем и роторное) [25].

В процессе бурения инженерно-геологических скважин должна быть обеспечена возможность: полного изучения разреза горных пород и установления положения границ слоев с высокой точностью; отбора образцов грунта требуемого диаметра, сохраняющих ненарушенное сложение и естественную влажность; проведения опытных испытаний грунтов. Вследствие этого предпочтительны способы бурения, указанные выше. Колонковым способом можно бурить скважины глубиной до 100 м и диаметром до 168 мм практически во всех породах. Колонковый способ не позволяет получать образцы пород с ненарушенной структурой из рыхлых несвязных и сильно выветрелых пород. В процессе бурения происходит их истирание и разрушение обломков. В отличие от проходки скважин в геологоразведочном деле инженерно-геологические скважины колонковым способом проходят с ограничением скорости вращения снаряда (60–150 об/мин). Давление на забой не должно превышать 15 МПа. Бурение в обводненных породах ведут «всухую», а в сухих и мерзлых — с продувкой воздухом. Продувка воздухом обеспечивает сохранность песчаных и глинистых пород в стенках скважин, а также рыхлого заполнителя трещин. При использовании ударно-канатного способа бурения предпочтение следует отдавать бурению с кольцевым забоем. При этом можно получать образцы пород для установления разреза и определения классификационных показателей. Способ применим и для проходки скважин в песчано-глинистых породах, находящихся в мерзлом состоянии. Следует иметь в виду, что в процессе бурения скважин ударно-канатным способом могут быть пропущены слои породы мощностью до 0,2 м.

Вибрационное бурение скважин — весьма производительный способ при проходке скважин глубиной до 15 м. Однако в процессе погружения бурового снаряда (особенно в водонасыщенные песчаные породы) под действием вибрации уменьшается пористость и влажность пород (по данным Мосгоргеотреста, соответственно на 2,2 и 0,24 %) и увеличивается объемная масса. Поэтому метод рекомендуется применять для выявления разреза песчано-глинистых пород и отбора образцов без сохранения естественного сложения и влажности.

Для проходки инженерно-геологических скважин шнековым способом пригодна практически модификация бурения с кольцевым забоем. Однако и в этом случае керн, извлекаемый из магазина шнека, имеет нарушенное сложение и не сохраняет естественную влажность.

Медленно-вращательный способ бурения применяют для проходки скважин большого диаметра, при проведении инженерно-геологических изысканий с целью строительства ответственных сооружений.

Данные об условиях применения различных способов бурения содержит табл. 7.4.

Таблица 7.4.Технические данные и условия применимости различных
способов бурения инженерно-геологических скважин

В процессе проходки буровых скважин в условиях сложного разреза, представленного породами разных классов, рационально применять разные способы бурения в комплексе. Одна из задач, реализуемых в процессе бурения инженерно-геологических скважин, заключается в отборе образцов горных пород, в том числе сохранивших естественные структуру и влажность.

Для этого используют грунтоносы разных конструкций. По механизму взаимодействий режущей части снаряда с грунтом различают обуривающие, вдавливаемые, забивные и вибрационные грунтоносы. При отборе монолитов прочных литифицированных глин и глинистых пород твердой и полутвердой консистенции применяют обуривающие грунтоносы. Скорость вращения снаряда не должна превышать 60 об/мин, а давление на забой — 1,5–3,0 кН. Из глинистых пород, находящихся в мягко-, тугопластичной и текучей консистенции, из водонасыщенных органогенных отложений монолиты отбирают вдавливаемым грунтоносом. Если не требуется сохранения естественной структуры и влажности, то используют забивные и вибрационные грунтоносы. Образцы пород в инженерно-геологических целях отбирают с соблюдением требований ГОСТ 12071-2000 (грунты, отбор, упаковка, хранение и транспортирование). На практике применяют конструкции грунтоносов, разработанные разными организациями. Нормальный ряд грунтоносов, обеспечивающий отбор образцов песчано-глинистых пород (табл. 7.5), разработан ПНИИИС.

Таблица 7.5. Нормальный ряд грунтоносов

7.5. Динамическое, ударно-вибрационное
и статическое зондирование,
пенетрационно-каротажный метод

Данные методы относятся к специальным методам инженерной геологии. Они основаны на том, что песчано-глинистые породы в зависимости от их состава и свойств оказывают различное сопротивление режущему профилю, чаще всего коническому наконечнику.

По способу погружения конуса (забивка, вдавливание) различают динамическое и статическое зондирование. Динамическое зондирование предназначено для исследования песчано-глинистых пород, содержащих не более 40 % крупнообломочного материала, на глубину до 20 м. С помощью этого метода можно расчленить разрез пород на слои, отличающиеся сопротивлением динамической пенетрации с высокой точностью (до 0,05 м); установить их степень однородности, определить показатели некоторых свойств и глубину забивки свай.

Зонд, включающий штанги и наконечник, забивают в грунт ударами молота, падающего с фиксированной высоты (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Схема установки динамического зондирования. 1 — конический наконечник;
2 — штанга зонда; 3 — наковальня; 4 — молот; 5 — захват молота;
6 — ограничитель высоты подъема молота

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).

Динамическое сопротивление пенетрации выражают в виде относительной величины, числа стандартных ударов на 10 см погружения зонда, N = 10 n/s, где п — число ударов в залоге; s — осадка зонда от залога. В процессе зондирования, с увеличением глубины испытаний, увеличивается масса зонда (навинчивание новых штанг) и трение по боковой поверхности зонда. Вследствие этого в величину N вносится поправка N1 = N ⋅ k, где N1 — исправленный показатель динамической пенетрации, k — коэффициент, учитывающий приращение массы зонда и трение между зондом и стенками зондировочной скважины. Приведем значения поправочного коэффициента k (табл. 7.6).

Таблица 7.6. Значения поправочного коэффициента k
в зависимости от глубины зондирования

Примечание. В знаменателе помещены значения коэффициента, учитывающего приращение массы зонда, которые используют при отсутствии трения по боковой поверхности зонда.

Интенсивность динамического сопротивления пенетрации, т. е. сила, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения зонда, называется удельным динамическим сопротивлением пенетрации (ω). Величину ω подсчитывают по формуле Г. К. Бондарика и М. И. Войцеховского:

где Р — вес молота, Q — вес зонда, H — высота падения молота, А — площадь поперечного сечения наконечника зонда, F — трение по боковой поверхности зонда (учитывается при зондировании пластичных глинистых и водонасыщенных песчаных грунтов), s — осадка от залога, п — число ударов в залоге. При небольшой глубине зондирования (до 7 м) и при отсутствии трения по боковой поверхности . Условное динамическое сопротивление подсчитывают по формуле

где k — коэффициент учета потерь энергии при ударе молота; А — удельная кинетическая энергия падающего молота; Ф — коэффициент, учитывающий потери энергии на трение штанг о грунт. Величины k, А, Ф определяют (табл. 7.7) в зависимости от типа оборудования (легкое, основное, тяжелое), интервала глубины зондирования и типа грунтов (песчаные, глинистые).

Таблица 7.7.Коэффициенты А, k, Ф

Примечания. 1. Легкое, основное и тяжелое оборудование различается массой молота и высотой его падения. Они составляют соответственно 30, 60, 120 кг и 40, 80, 100 см. 2. А (в Н/см) для оборудования составляет: легкого — 300, основного — 1100, тяжелого — 2800.

Результаты динамического зондирования представляют в виде графиков (рис. 7.4): зависимости показателя зондирования N, ω, pд от глубины ξ3. Рядом специалистов (В. А. Дуранте, Г. К. Бондарик, И. Оде и др.) были предложены различные классификации плотности сложения (или плотности грунта) песчаных пород разного генезиса. Они учтены в классификации, помещенной в приложении к СП 11-105-97 (табл. 7.8). По показателям динамического зондирования можно определять приближенные значения показателей свойств.

Рис. 7.4. Графики статического (1) и динамического (2) зондирования

Таблица 7.8. Классификация песков по плотности сложения

Для расчленения разреза песчано-глинистых пород на слои, однородные по величине динамического сопротивления пенетрации и оценки среднего значения показателя пенетрации однородного слоя, удобно использовать палетку, предложенную М. И. Горальчук (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Палетка для интерпретации графика динамического зондирования

На палетке выделены зоны безразличия, отвечающие средним значениям показателя пенетрации Rk. Накладывая палетку на график накопленных сумм показателя пенетрации вида Σ(N, ω, pд) = f (ξ3), легко и объективно по формальным данным расчленяют разрез на слои. На рис. 7.5 индекс m — число испытаний. Слой считают однородным по показателю пенетрации и характеризующимся некоторым средним значением (например, pдi), если характеризующий слой отрезок графика Σpд = f (ξ3) проходит внутри i-й зоны безразличия (между соответствующей парой параллельных прямых) палетки. Точка выхода отрезка графика за пределы i-й зоны безразличия является границей однородного слоя. При последующем наложении палетки эта точка принимается за начало графика зондирования. Палетку строят до начала зондирования, все величины берутся в масштабе графика зондирования.

Для динамического зондирования применяют серийно выпускаемую установку УБП-15М Гидропроекта и другие установки. Их конструкции и технические характеристики приведены в специальной литературе [30].

В России чаще всего используют зонд со штангами диаметром 42 мм и коническим наконечником (угол раскрытия конуса 60°) диаметром 74 мм.

Виброударное зондирование основано на погружении зонда в грунт вибромолотом массой 350 кг с частотой ударов от 300 до 1200 в минуту. В процессе зондирования измеряют (записывают) скорость погружения зонда. Условное динамическое сопротивление вычисляют по формуле

рд = (240 · kb) : V,

где V — скорость зондирования; kb — коэффициент учета потерь энергии.

По данным испытаний песков виброударным зондированием определяют плотность их сложения и другие характеристики.

Статическое зондирование основано на вдавливании зонда в грунт статической нагрузкой (рис. 7.6). Оно применяется для испытания немерзлых и талых песчано-глинистых грунтов, содержащих не более 25 % частиц крупнее 10 мм (ГОСТ 19912-2001).

Рис. 7.6. Схема погружения зонда при статическом зондировании.
1 — винтовые анкерные сваи; 2 — рама; 3 — зонд; 4 и 5 — динамометры;
6 — домкрат; 7 — направляющая

Сопротивление, оказываемое грунтом вдавливанию зонда, называют общим сопротивлением пенетрации R. Общее сопротивление пенетрации включает статическое сопротивление пенетрации Q (часть общего сопротивления, обусловленную силами реакции грунта на вдавливание наконечника) и трение по боковой поверхности зонда F: R = Q + F.

Интенсивность статического сопротивления пенетрации, т. е. сила, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения наконечника зонда, называется удельным статическим сопротивлением пенетрации pq. Интенсивность трения, т. е. сила трения, приходящаяся на единицу площади боковой поверхности зонда, называется удельным трением рf.

По величине pq определяют плотность сложения песков (см. табл. 7.8), консистенцию глинистых грунтов, устанавливают нормативное давление на грунт. По pq и рf определяют несущую способность свай. На рис. 7.4 приведен график статического зондирования.

Для испытаний используют установки различных конструкций [30], но со стандартным зондом (наконечник диаметром 36 мм, с углом раскрытия конуса 60°, на штангах диаметром 36 мм). В зависимости от конструкции установки измеряют раздельно величины R и Q или Q и F. Данные статического зондирования регистрируются визуально, по показаниям приборов или автоматически записываются на ленту.

Более достоверен, чем динамическое и статическое зондирование, метод определения глубины забивки и несущей способности свай с помощью испытания натурных свай. Испытания ведут по схемам: погружения натурной сваи динамической (ударной, вибрационной) или статической нагрузкой; выдергивания сваи осевой статической нагрузкой; испытание сваи статической горизонтальной нагрузкой. Испытания проводят на стадии рабочей документации (РД) ответственных сооружений.

Пенетрационно-каротажный метод основан на совмещении статического зондирования с радиоизотопным каротажем, что позволяет одновременно с показателями статической пенетрации получить информацию о других свойствах грунтов без бурения скважин [24]. В процессе вдавливания зонда, оснащенного соответствующими датчиками, получают в виде непрерывных записей распределенные по глубине данные о естественном гамма-фоне, плотности грунта (по γ−γ каротажу), объемной влажности (по нейтрон-нейтронному каротажу), пористости, об удельном сопротивлении пенетрации, о трении по боковой поверхности зонда (рис. 7.7).

Рис. 7.7. Графики записи результатов пенетрационного каротажа (по В. И. Ферронскому).
1 — песок мелкозернистый; 2 — супесь; 3 — суглинок: а — имп/мин ·103 (γ-каротаж);
б — γ, г/см3 (g-g каротаж); в — W, % (нейтрон-нейтронный каротаж); г — пористость,
%; д — удельное сопротивление пенетрации, МПа

С помощью этих данных можно расчленить разрез песчано-глинистых пород на слои, выбрать по нормативам характеристики свойств грунтов основания, нужные для проектирования сооружения. При проведении испытаний грунтов пенетрационным каротажем применяют станции пенетрационного каротажа (СПК), в том числе станции для проведения испытаний на акваториях (ПСПК).

Краткие сведения о них содержатся в табл. 7.9.

Таблица 7.9. Техническая характеристика пенетрационно-каротажных станций

При проведении инженерно-геологических исследований наряду с глубинным используют и поверхностное зондирование. Для этого применяют различные конструкциии ударников и пенетрометров (ДОРНИИ, ПРОКТОРА, РОКОСА, ДИИТ). Наиболее распространен микропенетрометр ВСЕГИНГЕО МВ-2 (рис. 7.8). Он предназначен для опробования пород в обнажениях, выделения грунтов с низкой прочностью. По данным испытаний определяют величину предельного напряжения сдвига

где P — нагрузка на конус; h — глубина погружения конуса; k — коэффициент, зависящий от угла раскрытия конуса (при α = 30°, k = 1).

Рис. 7.8. Микропенетрометр ВСЕГЕНГЕО МВ-2. 1 — ручка; 2 — корпус,
3 — шток; 4 — пружина; 5 — движок; 6 — опорная плита; 7 — сменный конус

7.6. Искиметрия

Метод заключается в резании с помощью прибора, оснащенного специальным режущим профилем (ножом), песчано-глинистых пород в стенках буровых скважин. Метод применяется при содержании крупных включений не более 30 %. В процессе испытаний производится непрерывное измерение и запись величины сопротивления резанию.

Схема скважинного искиметра конструкции Г. К. Бондарика и Ю. В. Семенова показана на рис. 7.9. Нож искиметра в сложенном виде (рис. 7.10, а), укрепленный на штанге, вдавливают на требуемую глубину или опускают на тросе в скважину. Глубина испытаний до 100 м. Над устьем скважины устанавливают искиметр и, в зависимости от его конструкции, вручную или при помощи мотора вытягивают трос, на котором находится нож, со скоростью 0,5–2,0 м/мин. При этом нож раскрывается и его лезвия занимают рабочее положение (рис. 7.10, б). Когда встречаются прослои прочных пород, валунов, гальки, сопротивление резанию которых превышает некоторое предельное значение, лезвия отгибаются вниз, обеспечивая подъем ножа (рис. 7.10, в). В ходе испытаний на ленте самописца записывается непрерывный график «сопротивление резанию — глубина». Время проведения испытаний пород искиметром в скважине глубиной 10 м не превышает 30 мин.

График искиметрических испытаний используют для расчленения разреза на слои, отличающиеся по величине сопротивления резанию, выделения ослабленных прослоев и приближенной оценки прочности песчано-глинистых пород.

Величину сопротивления сдвигу τ определяют по формуле Ю. Остермана:

где sk — удельное сопротивление резанию (отношение сопротивления резанию Р к площади поперечного сечения ножа А, т. е. sk = P : A, — сопротивление сдвигу при природном давлении на глубине h; γ — плотность; ξ — коэффициент бокового давления; L — показатель структурной прочности.

По значениям τ строят график зависимости τ = f(h), по которому оценивают изменчивость прочностных свойств песчано-глинистых пород по разрезу.

Рис. 7.9. Скважинный искиметр конструкции Г. К. Бондарика, Ю. В. Семенова,
В. Г. Сироткина. 1 — нож; 2 — трос; 3 — ролик; 4 — динамометр; 5 — самописец; 6 — лебедка

Рис. 7.10. Схема работы ножа искиметра: а — положение при погружении
в скважину (при вдавливании); б — рабочее положение при проведении испытаний;
в — положение при холостом подъеме, после встречи прочных включений
(валунов, прочных прослоев)

7.7. Испытания грунтов статическими
нагрузками в шурфах и скважинах

Испытания грунтов жесткими штампами проводят с целью определения деформационных характеристик песчано-глинистых 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, дудках, скважинах и при строительстве ответственных сооружений — в котлованах. Схема установки для испытания грунтов представлена на рис. 7.11; сведения о форме и размерах штампов содержит табл. 7.10.

Рис. 7.11. Схема испытаний грунта статическими нагрузками на штамп.
1 — штамп; 2 — гидравлический домкрат; 3 — индикаторная установка;
4 — продольная упорная балка; 5 — винтовые анкерные сваи

Таблица 7.10. Данные о форме, размерах и условиях применения штампов (ГОСТ 20276-99)

Примечание. Типы штампов: I — круглый, с плоской подошвой с площадью 2500 и 5000 см2; II — то же, площадью 1000 см2 с кольцевой пригрузкой по площади, дополняющей площадь штампа до 5000 см2; III — круглый, с плоской подошвой с площадью 600 см2; IV — винтовой, площадью 600 см2.

Таблица 7.11. Примерные величины ступеней нагрузки и их режим (ГОСТ 20276-99)

После монтажа установки в шурфе (дудке) или скважине штамп нагружают ступенями до стабилизации осадки от каждой ступени нагрузки. Условная стабилизация считается достигнутой, если приращение осадки штампа за время, указанное в табл. 7.11 (А, Б, В), не превышает 0,1 мм. Наблюдения за осадкой штампа в первый час после приложения нагрузки ведут через 10 + 10 + 10 + 15 + 15 мин, далее через 30 мин. Минимальная точность измерения осадки 0,1 мм. Число ступеней нагружения должно быть не менее 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, штамп нагружают до достижения предела несущей способности, который устанавливают: 1) по появлению валика выпирания или образования трещин вокруг штампа, 2) деформированию грунта с постоянной скоростью, продолжающемуся не менее суток, 3) резкому приращению осадки при незначительном увеличении нагрузки (в пять раз и более по сравнению с осадкой от предыдущей ступени).

При необходимости, определяемой программой, проводят разгрузку штампа в ходе испытаний (при давлениях 0,1–0,3 МПа) или после их завершения. Разгрузка позволяет изучить упругие свойства грунта. Ее ведут теми же ступенями. Наблюдения проводят в течение 1 ч после снятия ступени нагрузки, а на последней ступени разгружения штампа — в течение 3 ч. В ходе проведения испытаний на каждой ступени строят график функции s = f(t), где s — осадка штампа, t — время. После испытаний строят график s = F(P), где Р — нагрузка (рис. 7.12). Е. Шультце предлагает составлять диаграмму испытаний, объединяющую графики: «время — нагрузка», «время — осадка», «осадка — нагрузка», полностью характеризующую испытания грунтов штампом (рис. 7.13).

Рис. 7.12. График осадки грунта под штампом при его нагружении.
SA и SB — осадка, отвечающая началу и концу ступени нагружения

Рис. 7.13. Диаграмма испытаний грунта штампом (по Е. Шультце)

Значения модуля деформации определяют по одной из формул.

1. Формула Буссинеска:

где Е — модуль деформации, Р — полная нагрузка на штамп (берется по прямолинейному участку графика P = f(s); d — диаметр круглого штампа или круга, равновеликого площади квадрата или прямоугольного штампа (см. табл. 7.10); s — конечная осадка, соответствующая нагрузке Р; µ — коэффициент Пуассона (для грубообломочных грунтов — 0,27, для песков и супесей — 0,30, суглинков — 0,35, глин — 0,42).

При наличии на графике s = f(P) участков с различными наклонами:

где Рn и Рn+1 — начальная и конечная нагрузки на рассматриваемом участке графика; sn и sn+1 — отвечающие им осадки.

2. Формула:

где Kp — коэффициент, принимаемый в зависимости от заглубления штампа h/D (h — глубина расположения штампа относительно поверхности грунта, см); K1 — коэффициент, принимаемый равным 0,79 для жесткого круглого штампа; D — диаметр штампа; ∆р — приращение давления на штамп, МПа, равное рn – p0; ∆s — приращение осадки штампа, соответствующее ∆р, см, определяемое по осредняющей прямой. Величина Кр приведена в табл. 7.12.

Таблица 7.12. Значения Кр

3. Формула Шлейхера:

где F — площадь штампа, ω — коэффициент, зависящий от формы штампа (для круглого — 0,96; для квадратного — 0,95).

4. Формула НИИ Оснований: E = ak · P/s, где а — коэффициент, учитывающий различие деформаций грунта при испытании в шурфах (а =1,0) и скважине (а = 0,7);

При F = 5000 см2 k равно для песчаных грунтов 0,0115, глинистых — 0,0103; при F = 600 см2 — соответственно 0,0331 и 0,0297.

7.8. Прессиометрия

Метод предназначен для оценки деформационных и прочностных свойств песчано- и щебенисто-глинистых (с содержанием щебня до 30 %) грунтов, вскрытых в стенках буровых скважин. Существуют конструкции прессиометров, предназначенные для испытаний скальных грунтов (песчаников, известняков, доломитов, мела, мергелей и др.). Схема прессиометра представлена на рис. 7.14. В табл. 7.13 приведена обобщенная техническая характеристика скважинных прессиометров.

Рис. 7.14. Схема прессиометра конструкции Фундаментпроекта.
1 — баллон со сжатым газом; 2 — кран нагнетания воды; 3 — кран остановки давления;
4 — выпускной кран; 5 — кран для подачи газа; 6 — соосная нагнетательная труба;
7 — измерительный цилиндр; 8 — напорный шланг; 9 — рабочая камера; 10 — вспомогательная камера

Таблица 7.13. Технические характеристики скважинных прессиометров

Существо метода заключается в приложении давления к грунтам, вскрытым в стенках скважины и измерении их деформации (рис. 7.15). В скважину опускают камеру прессиометра с эластичными стенками. Затем рабочую камеру заполняют водой (гидравлический прессиометр) и создают давление при помощи газа. Деформацию грунта измеряют мерным цилиндром; получают среднюю величину деформации рабочей камеры. В конструкциях пневмоэлектрических прессиометров (например, ИГП-21) деформации измеряют при помощи датчиков-преобразователей в трех точках центрального сечения снаряда, расположенных под углом 120°. Нагрузку прикладывают ступенями (табл. 7.14). Каждую ступень нагрузки выдерживают до условной стабилизации (деформирование породы не превышает 0,1 мм за время условной стабилизации, устанавливаемой по табл. 7.14).

Рис. 7.15. Поле напряжений в грунте вокруг рабочей (А)
и вспомогательных (Б) камер прессиометра

Таблица 7.14. Режим прессиометрических испытаний (ГОСТ 20276-74)

Примечания. 1. При испытании искусственно уплотненных, насыпных и намывных грунтов время условной стабилизации деформации должно назначаться так же, как и для соответствующих типов песчаных и глинистых грунтов в зависимости от степени влажности и показателя текучести.

2. При применении прессиометров с погрешностью измерения перемещений меньше 0,1 мм время условной стабилизации деформации уменьшается пропорционально увеличению точности измерения стенки скважины.

Конечную ступень нагружения устанавливают на 25–50 % меньше предыдущей ступени, при которой наблюдался скачок в приращении деформаций. В случае необходимости оценки прочностных свойств грунтов нагружение доводят до предела их несущей способности (формирование зон пластических деформаций вблизи концов камеры). О начале фазы разрушения грунта судят по незатухающей деформации при постоянной нагрузке. При проведении подобных испытаний следует учитывать технические характеристики прессиометра (предельную деформацию стенок рабочей камеры). Наблюдение за деформацией песчаных грунтов ведут через 5 + 5 + 5 + 15 + 15 мин., глинистых — через 10 + 10 + 10 + 30 + 30+ … мин., при медленном режиме испытаний — через 1 + 1 + 1 + 3 +3 + 3+ ... мин. и при быстром режиме —2 + 2 + 2 + 6 + 6 + 6 + … мин. Для органоминеральных и органических грунтов деформацию измеряют через 15 мин. В течение первого часа, далее через 30 мин при медленном режиме испытаний; при быстром режиме — через 2 мин в течение первых 10 мин, далее через 10 мин. По окончании испытаний производят разгрузку ступенями, равными двойным ступеням нагружения. По данным испытаний пород составляют график (рис. 7.16).

Модуль деформации Е определяют по формуле Ляме:

где dP — приращение давления на участке пропорциональных деформаций графика функции r = f(P), dr — соответствующие ему приращения радиальных деформаций, r0 — начальный радиус скважины, µ — коэффициент Пуассона.

При обработке данных испытаний грунтов гидравлическим прессиометром для расчета модуля деформации удобно пользоваться уравнением

где λ — постоянная прессиометра (определяется при тарировке прибора); приращение: dP — давления, dV — объема.

В соответствии с ГОСТ 20276-99 модуль деформации получают по формуле:

где k — корректирующий коэффициент, определяемый при расчете или по результатам параллельных испытаний грунтов штампом и прессиометром.

Показатели прочностных свойств оценивают по формулам

при глубине > 5 м

где с — сцепление, φ — угол внутреннего трения, Pz — природное давление; пределы: Pe — пропорциональности (см. рис. 7.16), Pt — прочности. Для оценки величины φ можно воспользоваться номограммами (рис. 7.17). При использовании результатов испытаний следует учитывать анизотропность грунтов в отношении прочности и сжимаемости.

Рис. 7.16. График зависимости осадки от нагрузки при испытании
грунтов прессиометром: 1 — тарировочный, 2 — испытаний

Рис. 7.17. Графики-номограммы для определения угла внутреннего
трения грунта по данным его испытания прессиометром:
глубина испытаний: а — > 5 м; б — < 5 м

7.9. Испытание грунтов на срез в скважинах

Метод применяется для определения прочностных свойств: песков разного гранулометрического состава (кроме крупных), глинистых пород полутвердой — текучей консистенции, иловатых и органогенных грунтов. Содержание крупных (до 10 мм) включений не должно превышать 10 %.

Различают три модификации испытаний: вращательный, кольцевой и поступательный срез. Все они основаны на срезе, который производят лопастями рабочего органа в горизонтальном (или вертикальном) направлении грунтов, обнаженных в стенках скважины или залегающих ниже ее забоя при природном давлении (вращательный срез) или заданной нормальной нагрузке (кольцевой и поступательный срез).

Техническая характеристика испытаний приведена в табл. 7.15.

Таблица 7.15. Условия применения методов вращательного,
поступательного и кольцевого среза

При вращательном срезе производится срезание крыльчаткой глинистых грунтов текучей — мягкопластичной — консистенции. При этом одновременно измеряется крутящий момент, затрачиваемый на срез. Метод кольцевого среза заключается в создании при помощи эластичной камеры нормального давления на грунт, обнаженный в стенке буровой скважины, и его срезании крыльчаткой при трех нормальных давлениях с измерением соответствующих крутящих моментов. Метод применяют для испытаний тугопластичных и полутвердых глинистых грунтов, залегающих выше уровня грунтовых вод.

При поступательном срезе к грунту в стенке скважины прикладывают нормальное давление, срезают грунт горизонтальной лопастью и измеряют сопротивление сдвигу. В процессе испытаний срез проводят при трех нормальных давлениях. Поступательный срез применяют в основном для испытания песков, залегающих выше уровня грунтовых вод. Схемы взаимодействия грунтов с рабочими снарядами при испытаниях на срез показаны на рис. 7.18.

Рис. 7.18. Схемы взаимодействия грунтов с рабочими снарядами
при вращательном (а), кольцевом (б), поступательном (в) срезах

При проведении испытаний грунтов вращательным срезом крыльчатку вдавливают в грунт на 0,1–0,5 м ниже забоя скважины. Затем ее поворачивают и измеряют крутящий момент, затрачиваемый на срез грунта, и установившийся момент, отвечающий сопротивлению грунта срезу с нарушенной структурой. В некоторых конструкциях установок (например, в конструкции Г. П. Корчагина) предусмотрена автоматическая запись угла поворота крыльчатки и крутящего момента, что позволяет по данным испытаний получить график функции M = f (αшт.) (рис. 7.19) и вычислить показатели прочности грунтов. Сдвигающее усилие t вычисляют по формуле τ = M/B, где В — постоянная крыльчатки:

где h — высота, d — диаметр крыльчатки.

Рис. 7.19. Графики, получаемые при записи испытаний грунта
вращательным срезом. Срез при типе разрушений:
1 — хрупком, 2 — пластичном, 3 — хрупко-пластичном

В большинстве конструкций установок вращательного среза h = 2d. Для них

Расчет показателей прочности ведут по формулам Г. П. Корчагина.

При хрупком и хрупко-пластичном типах деформационного поведения грунта

где РZ — природное давление на глубине проведения опыта.

с = [(mα – 1) + ( 1 – L) (1 – tgφ) ] τЅ ;

здесь L — показатель структурной прочности; — показатель структурной прочности хрупких связей.

При пластическом типе деформационного поведения грунта

c = τc — σc ⋅ tg φ;

τ c= mα ⋅ τs;

σc = τ c ⋅ nc + ξPz;

где αp — угол поворота крыльчатки, соответствующий состоянию среза грунта (при Мmaх).

Для приближенного определения модуля деформации можно воспользоваться формулой Г. К. Бондарика.

где ω — коэффициент, зависящий от соотношения высоты крыльчатки и ее диаметра (при h = 2d, ω = 0,85); µ — коэффициент Пуассона; Мe — крутящий момент, соответствующий пределу деформаций грунта, пропорциональный нагрузке; τе — сопротивление сдвигу; d — диаметр крыльчатки; h — высота крыльчатки; l — величина перемещения лопасти: l = αe ⋅ d/2.

Учитывая, что в большинстве крыльчаток h = 2d, формулу определения модуля деформации можно привести к виду:

Аналогичную структуру имеет формула Г. П. Корчагина

где для четырехлопастной крыльчатки.

При проведении испытаний грунтов методом кольцевого среза на заданной глубине создают нормальное давление распорным штампом. Давление прикладывают ступенями по 0,01 МПа до достижения заданного нормального давления. К вертикальной лопасти прикладывают срезающую нагрузку и фиксируют крутящий момент. Испытания проводят при разных величинах нормального давления, что позволяет определить показатели прочности грунтов. В ходе обработки результатов испытаний определяют сдвигающее усилие τ, соответствующее заданному нормальному давлению,

где d — диаметр кольцевой поверхности среза, Н — высота штампа. Далее, используя уравнение Кулона, вычисляют величины с и φ.

Процесс испытания грунтов поступательным срезом предусматривает последовательное выполнение следующих операций. Снаряд опускают в скважину на заданную глубину, вдавливают лопасти в грунт. С помощью распорного штампа создают нормальное давление. Лопасть перемещают в вертикальном направлении, измеряют максимальную величину нагрузки, при которой производится срез, и величину перемещения лопасти.

В процессе обработки результатов испытаний вычисляют сдвигающие усилия при трех нормальных давлениях по формуле , где Pmax — максимальное срезающее усилие, f — площадь горизонтальной лопасти. По величинам нормальных нагрузок и соответствующих сдвигающих усилий находят с и φ.

7.10. Круговой срез грунтов в шурфах и на поверхности земли

Метод применяют для определения прочностных свойств глинистых грунтов полутвердой — текучей консистенции. Он заключается в срезе грунта по круговой поверхности при разных нормальных давлениях.

Схема установки кругового среза помещена на рис. 7.20. Стойку-анкер ввинчивают в грунт, используя упорную балку как рычаг. С помощью нагрузочного устройства вдавливают поворотное кольцо в грунт и при нормальном давлении P1 с помощью рычага с динамометром срезают его по торцу кольца, фиксируя вращательный момент M01, затрачиваемый на срез по круговой поверхности и на трение между кольцом и грунтом. После среза снимают крышку поворотного кольца, извлекают из кольца срезанный грунт (кольцо оставляют на месте), устанавливают крышку и поворачивают кольцо. При этом измеряют момент, реализуемый на трение (МТ) .

Рис. 7.20. Схемы установки кругового среза (а) и взаимодействия грунта
с поворотным кольцом (б). 1 — аутригер; 2 — стойка анкер; 3 — упорная балка;
4 — нагрузочное приспособление; 5 — динамометр для измерения нагрузки,
нормальной к плоскости среза; 6 — поворотный рычаг с динамометром;
7 — поворотное кольцо

Затем на том же месте поворотное кольцо вдавливают в грунт и повторяют срез при вертикальном давлении Р2, фиксируя крутящий момент М02. Момент, реализуемый на круговой срез при нормальном давлении Р1, будет равен:

Mk1 = M01 – МТ.

Показатели прочности находят по формулам Г. К. Бондарика:

где Mk1 и Mk2 — вращательные моменты, затрачиваемые на круговой срез при нормальных давлениях P1 и Р2; В — постоянная поворотного кольца, равная πd3 / 16 при хрупком типе разрушения грунта и πd3 / 12 — при пластическом; d — диаметр кольца; А — коэффициент, равный 4 при хрупком и хрупко-пластичном типах разрушения грунта и 3 — при пластическом.

7.11. Испытания на срез целиков грунта

Для получения показателей прочности грунта в шурфах нередко производят опытные сдвиги, обрушения, раздавливания и выпирания целиков грунта. Испытания проводят с целью определения прочности: 1) не­однородных грунтов, из которых невозможно отобрать монолиты (трещиноватые, несвязные песчано-глинистые породы); 2) грунтов, показатели прочности которых, получаемые лабораторными методами, недостоверны (глинисто-щебенистые или песчано-гравелистые отложения, плотные трещиноватые глинистые породы с ясно выраженной комковатой, плитчатой, листоватой текстурами, явно неоднородные в отношении структурно-текстурных особенностей песчано-глинистые отложения).

Сдвиг целиков грунта в шурфах. Схема установки для сдвигов целиков помещена на рис. 7.21. В установках для среза обычно имеются три кольца-обоймы для сдвига целиков при трех различных нормальных давлениях. Площадь среза 600 см2. Кольцо-обойму врезают на останец грунта и через штамп ступенями по 0,05–0,1 МПа прикладывают вертикальное давление. Нагрузку увеличивают через 1–1,5 ч в зависимости от влажности грунта. Стабилизация вертикальной деформации считается наступившей, если за сутки она не превышает 0,1 мм. После наступления стабилизации производят срез останца. В ходе испытаний срезают 3–4 останца при различных вертикальных нагрузках. В процессе среза останца ведут наблюдения за горизонтальной деформацией. Отсчеты смещений берут по индикатору через 1–2 мин. После среза снимают кольцо-обойму, а из целика вблизи плоскости среза отбирают образец для определения плотности и влажности грунта. Строят график Кулона τ = f(P), где τ — сопротивление сдвигу, Р — вертикальная нагрузка. По графику определяют с и φ. Показатели прочности можно подсчитать по формулам

где Pi и τi — соответственно нормальное давление и срезающее усилие при испытаниях i-го целика, п — число испытаний (останцов).

Рис. 7.21. Установка для сдвига целиков грунта конструкции Фундаментпроекта
(по Ю. Г. Трофименкову). 1 — кольцо-обойма; 2 — штамп; 3 — съемный упор;
4 — гидравлический домкрат; 5 — упорные балки; 6 — винтовые анкерные сваи; 7 — опорная плита

7.12. Испытания целиков грунта методами
обрушения, раздавливания, выпирания

Методы применяются для определения показателей прочности глинистых грунтов твердой и тугопластичной консистенции, особенно трещиноватых, глинисто-щебенистых, мергелей, слабых песчаников и грубообломочных выветрелых грунтов.

Метод обрушения. Испытания заключаются в последовательном обрушении 2–3 прямоугольных призм, целиков пород размером 0,4 ⋅ 0,4 ⋅ 0,8 м, прислоненных к стенке шурфа (рис. 7.22). Отношение высоты призмы Н к ее ширине а не менее 1,5. Нагрузка, при которой происходит обрушение призмы, составляет 25–70 кН. После обрушения целика обнажают поверхность скольжения, строят в масштабе 1 : 5–1 : 10 кривую обрушения, сдвинутую часть целиков разбивают на блоки и составляют уравнения равновесия:

где N — нормальное давление, Т — сдвигающее усилие, f — коэффициент внутреннего трения, с — сцепление, А1 и А2 — площади поверхности скольжения первого и второго целиков. Решив систему уравнений, получают показатели сдвига.

Рис. 7.22. Испытание грунтов методом обрушения. 1 — поверхность сдвига;
2 — обрушаемый массив; 3 — штамп; 4 — домкрат; 5 — динамометр;
6 — горизонтальная упорная плита; 7 — груз

Всесоюзным научно-исследовательским институтом горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ) разработана модификация метода обрушения. Для проведения испытаний в породе делают прорезь, в которую помещают плоский домкрат Д (рис. 7.23). Размеры обрушаемого (выпираемого) целика составляют 0,5 ⋅ 0,5 ⋅ 0,7 м и более. Площадь среза в зависимости от способа испытаний равна 2300, 2850, 4000 и 10 000 см2. Сдвигающее усилие создается гидравлическим домкратом. Давление на плоскость среза определяют по формуле: P = Dst + ∆P , где D — давление жидкости в домкратах при срезе, s — рабочая площадь цилиндра домкрата, t — коэффициент передачи давления (определяется при тарировке домкрата), ∆Р — поправка на массу призмы обрушения и домкрата. В соответствии с предложением Г. К. Бондарика в одном и том же грунте проводят 2–3 испытания, прикладывая к призме нагрузку обрушения в вертикальном направлении и под некоторым углом к вертикали. Показатели прочности находят путем решения системы уравнений:

где P1 и P2 — давление на призму грунта в направлении, перпендикулярном рабочей поверхности домкрата соответственно в опытах 1 и 2 (рис. 7.23); β — угол наклона поверхности призмы к горизонту; α1 и α2 — углы наклона поверхности среза к горизонту в опытах 1 и 2; F1 и F2 — площади среза.

Рис. 7.23. Схема испытаний грунтов методом обрушения

Метод раздавливания. Сущность метода заключается в разрушении призмы грунта вертикальной нагрузкой в условиях свободного бокового расширения. Испытывается призма квадратного сечения со стороной 0,4 м. Отношение высоты призмы к ее ширине должно быть не менее 1,5. Ширина призмы в 5–6 раз должна превышать размер наиболее крупных включений. Схема испытаний помещена на рис. 7.24. Нагружение призмы до разрушения ведут ступенями по 0,01–0,02 МПа, выдерживая ступень в течение 20 мин. Удельное сопротивление сдвигу вычисляют по формуле: τ = P / 2F, где Р — нагрузка, при которой произошло разрушение; F — площадь призмы. При пластическом типе разрушения грунта принимают φ = 0 и τ = с. При хрупко-пластичном типе разрушения (тугопластическая, полутвердая, твердая консистенция) измеряют угол наклона плоскости среза к горизонту. Показатели прочности получают по формулам:

Рис. 7.24. Схема испытаний грунтов методом раздавливания призмы.
1 — упорная балка с винтовыми анкерными сваями; 2 — динамометр;
3 — домкрат; 4 — штамп; 5 — призма грунта

φ = 2α – 90°,

Рекомендуется проводить несколько испытаний в одних грунтах, по результатам которых можно подсчитать оценки средних значений с и φ.

Метод выпирания. Метод предложен Екатеринбургским НИИ по строительству. Он состоит в том, что блок грунта призматической формы выпирается под действием горизонтальной нагрузки. Схема испытаний приведена на рис. 7.25, а. Высота призмы 0,35–0,5 м, ширина ее до 1,5 м. Высота должна превышать размер наиболее крупных включений не менее чем в пять раз. Размер вертикальной подвижной стенки составляет 1–1,25 от высоты призмы. Нагрузку прикладывают ступенями по 0,05–0,1 МПа через 15–30 мин до выпирания призмы. Отмечают максимальную сдвигающую нагрузку Pmax и продолжают испытание до выпирания призмы по поверхности скольжения на величину 0,08–0,1 от ширины призмы.

Отмечают установившуюся нагрузку Pmin, необходимую для преодоления сил трения, возникающих при движении призмы. После среза измеряют координаты поверхности скольжения не менее чем в трех сечениях. Строят сечение сдвинутой призмы и составляют условие предельного равновесия.

Сцепление определяют по разности усилий сдвига — Рmax и перемещения – Pmin.:

где F — площадь поверхности среза,

где A — ширина призмы, gi — вес блока, коэффициент; — вес призмы, αi — угол между составляющей веса блока и нормалью к поверхности скольжения (см. рис. 7.25, 6).

Рис. 7.25. Схема испытаний грунтов методом выпирания призмы грунта (а)
и усилий, действующих при выпирании грунта (б).
Стенка: 1 — упорная; 2 — вертикальная подвижная; 3 — домкрат; 4 — динамометр;
5 — прорези; 6 — сечения, по которым строится поверхность скольжения

7.13. Полевой метод определения
величины порового давления

При оценке прочности глинистых грунтов необходимо, в соответствии с принципом эффективных напряжений К. Терцаги, учитывать поровое давление. Его измеряют в склонах и откосах, основаниях сооружений при их строительстве и в период развития ПТC, в теле земляных сооружений, а также в лабораторных условиях при определении прочности водонасыщенных глинистых грунтов. Для полевого измерения порового давления применяют поропьезометры, пьезометры, приборы с дистанционными манометрами и электродинамометрами. Приборы помещают или в шурф, или скважину, или в грунт при отсыпке земляного сооружения. Для измерения порового давления в приборах используют дистанционные манометры с сильфонами, струнные тензометры, диафрагменные датчики. Точность измерений в лучших конструкциях до 0,002 МПа при расходе воды до 0,01 см3. Конструкции приборов разработаны Гидропроектом, ВНИИГ (Всесоюзный научно-исследовательский институт гидротехники им. Веденеева), ДИИТ (Днепропетровский институт инженеров железнодорожного транспорта) и другими организациями (рис. 7.26).

Рис. 7.26. Дистанционный точечный пьезометр ПТН-3 конструкции
ВНИИГ им. Веденеева. 1 — струнный электротензометр ДГС-118;
2 — капилляр, заполненный вязкой жидкостью; 3 — фильтр
(перфорированная трубка, латунная сетка); 4 — наконечник

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

Методы получения инженерно-геологической информации включают обширный комплекс лабораторных методов, рассматриваемых в грунтоведении. Вследствие этого в настоящем разделе обсуждаются основные положения, на которых базируются требования к методам определения показателей свойств грунтов в лабораторных условиях. Опираясь на принцип цели (см. параграф 5.1), можно утверждать, что 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.

При составлении схем размещения и развития отраслей промышленности, схем расселения, экологических и технико-экономических обоснований (ЭТЭО), 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 свем распоряжении данные главным образом о показателях, характеризующих состав пород, и показателях 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 площадки на глубину сферы взаимодействия наиболее тяжелого сооружения на геологические тела категории МГТ-2; 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 МГТ-3; выделение инженерно-геологических элементов; получение для них оценок прочностных и деформационных свойств грунтов, необходимых для окончательного расчета основания сооружения. Oценки 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.

Лабораторные испытания грунтов проводятся в соответствии с государственными стандартами РФ.

7.15. 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 — вертикальное электрическое 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 геологическое 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 и оконтуривании 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. По данным А. А. Огильви [30], при самом благоприятном соотношении электрических сопротивлений карстовые полости изометрической формы можно обнаружить, если их центры расположены на глубине, не превышающей двух их диаметров.

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 делает возможным применение геофизических методов при изучении оползневого процесса.

Задачи, решаемые при этом, можно сформулировать следующим образом.

1. Картирование оползневых отложений.

2. Установление положения поверхности отделения и скольжения.

3. Определение положения УГВ.

4. Выявление структуры поля влажности.

5. 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. Объем полевой пробы — 0,015 м3. Метод реализован в виде трех схем (рис. 7.27).

Рис. 7.27. Схема приборов для определения плотности грунта
методом поглощения излучения: а — в параллельных скважинах; приборы типа:
б — щуп; в — вилка. 1 — источник квантов; 2 — детектор; 3 — пучок квантов;
4 — вилка; 5 — штанга с источником излучения; 6 — радиометр

Другим методом определения плотности является метод рассеянного γ-излучения. Интенсивность рассеянного 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.

Принципиальная схема γ-плотномера, работающего по методу рассеянного γ-излучения, помещена на рис. 7.28. Существуют конструкции приборов для оценки плотности грунта в скважине, на поверхности обнажения (выработки), в процессе вдавливания зонда. Точность измерения ±0,03 г/см3.

Рис. 7.28. Схема гамма-плотномера. 1 — источник излучения; 2 — экран;
3 — детектор; 4 — корпус; 5 — зона измерения (полевая проба грунта)

Влажность грунта можно установить методом рассеянного нейтронного излучения. В основе метода лежит эффект замедления атомами водорода, содержащимися в воде, быстрых нейтронов, испускаемых источником, до тепловой энергии. Число медленных нейтронов, фиксируемых счетчиком, пропорционально влажности грунта. Эффект реализован в нейтронных измерителях влажности (НИВ-2, УР-70 и др.). В грунт тем или иным способом (скважина, вдавливаемый зонд) погружают источники быстрых нейтронов (полониево-бериллиевый, радиево-Д-бериллиевый, радиево-бериллиевый) и детектором медленных нейтронов фиксируют интенсивность нейтронного излучения. Радиоизотопные методы подробно изложены в работах [24, 32]. Задачи, решаемые геофизическими методами, перечислены в приложении к СП 11-105-97.

7.16. 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, ПТС, проводимое в ходе строительства и в период эксплуатации сооружений с целью установления их состояния и анализа причин процессов, представляет собой важный метод получения информации, используемой для составления прогноза функционирования ПТС и разработки мероприятий по оптимальному управлению этими системами. 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 важно, 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 деформации, в оценке эффективности конструктивных мероприятий по борьбе с этими 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 мало застроенных 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).

---