Инженерно-геологические изыскания

8.1. Этапы хозяйственной деятельности
и комплексные методы

Как отмечено в параграфе 7.1, более или менее фиксированные наборы частных методов, используемые при проведении инженерно-геологических исследований, принято рассматривать в качестве комплексных методов. Комплексные методы применяют для получения инженерно-геологической информации, необходимой и достаточной для решения инженерной задачи. Вследствие этого каждому этапу хозяйственной деятельности соответствует основной комплексный метод (табл. 8.1).

Таблица 8.1. Этапы хозяйственной деятельности и соответствующие им
комплексные методы получения инженерно-геологической информации

Примечание. В скобках помещены комплексные методы, которые применяют для решения инженерной задачи при обосновании схем развития и размещения, а также проектов некоторых видов сооружений (например, гидротехнических и мелиоративных).

Набор методов, входящих в комплексный, зависит от природных, в том числе геологических, условий (свойств геологической среды) и условий инженерной задачи. Вследствие этого набор методов в различных условиях может несколько изменяться. Однако главные частные методы всегда входят в комплексы (например, метод наземных наблюдений в инженерно-геологической съемке). Комплексный метод нельзя считать механическим соединением частных (или комплексных методов более низкой категории).

Комплексирование методов предполагает: 1) соблюдение установленной последовательности применения методов; 2) учет результатов работ, полученных одним (предыдущим) методом при применении другого, по­следующего метода в части объемов работ и их пространственного размещения; 3) оптимизацию процесса производства инженерно-геологической информации требуемого объема и качества, которые определяются условиями конкретной инженерной задачи. Сведение нескольких частных методов в единый комплекс, систему взаимодействующих методов, обладающую пространственно-временной структурой (последовательность проведения работ, выполняемых разными способами, и их размещение в пространстве), позволяет получить метод более высокого качественного уровня. Новое качество проявляется в продукте инженерно-геологических исследований — оптимуме информации, овеществленном в карте инженерно-геологических условий, отчете об инженерно-геологических исследованиях, расчетной схеме или случайной последовательности состояний сферы взаимодействия, отражающей процесс ее функционирования. В соответствии с нормативами в состав инженерно-геологических изысканий, помимо работ по сбору, анализу и обобщению накопленной информации, входят: инженерно-геологическая рекогносцировка, инженерно-геологическая съемка, инженерно-геологическая разведка [21]. При строительстве ответственных сооружений ведут инженерно-геологические исследования (оперативная инженерно-геологическая разведка, включающая геотехконтроль), а при эксплуатации ПТС проводят инженерно-геологические режимные наблюдения. Перечисленные методы рассматриваются ниже.

8.2. Инженерно-геологическая рекогносцировка

Инженерно-геологическая рекогносцировка — комплексный метод получения информации о геологических условиях строительства. Она выполняется с целью: оценки качества накопленной инженерно-геологической информации о районе предполагаемого строительства и уточнения отдельных вопросов, оставшихся нерешенными; сравнительной оценки инженерно-геологических условий намеченных вариантов; предварительного прогноза изменения геологической (природной) среды, обусловленного взаимодействием с проектируемыми сооружениями. После получения технического задания на рекогносцировку производится сбор и обобщение накопленной информации о районе. На основе этой информации разрабатывается геологическая гипотеза и формулируются вопросы, которые должны быть решены в ходе рекогносцировки. После этого составляют программу работ, содержащую обоснование состава работ и объемов, и смету; выполняют организационно-технические меро­приятия, обеспечивающие проведение рекогносцировки. При обобщении накопленной информации в случае необходимости проводят дешифрирование аэрокосмофотоматериалов (АКФМ) и составляют предварительную схематическую инженерно-геологическую карту с разрезами. Рекогносцировочное обследование территории начинают с аэровизуальных (облет территории) или наземных наблюдений (объезд на наземном транспорте). На основании полученных результатов намечают наземные маршруты. При проведении наземных маршрутов ведут наблюдения и описывают свойства геологической среды — компоненты инженерно-геологических условий. Описание геологических условий строительства проводят и для отрезков маршрута, расположенных между точками наблюдений. Методика аэровизуальных и наземных наблюдений рассмотрена в параграфе 7.2. Маршрутное обследование территории сопровождается проведением отдельных неглубоких горных выработок, мелких скважин, проходимых скоростными методами, геофизическими работами, динамическим (статическим) зондированием, опробованием грунтов и подземных вод, обследованием сооружений, в том числе защитных. Геофизические работы и зондирование применяются в основном для решения отдельных вопросов, поставленных в программе рекогносцировки (нередко для изучения ЭГП). Инженерно-геологическое опробование проводят с целью выборочного определения классификационных показателей свойств грунтов, на основе которых расчленяют геологическую среду на МГТ-1 и МГТ-2, проводят оценку прочностных и деформационных свойств грунтов по таблицам нормативных значений. При изучении ЭГП оконтуривают область с неустойчивой структурой, определяют и описывают внешние и внутренние (геологические) условия процесса, по возможности устанавливают его причину, а также выявляют причины деформации сооружений (если таковая обнаружена при обследовании) и оценивают эффективность защитных мероприятий. По результатам рекогносцировочного инженерно-геологического обследования составляют заключение, которое включает текстовую часть, схематическую инженерно-геологическую карту с разрезами, сводную инженерно-геологическую колонку. К заключению прилагают карту фактического материала. Заключение должно содержать ответы на вопросы, поставленные в программе.

8.3. Инженерно-геологическая съемка

Инженерно-геологическая съемка — комплексный метод получения информации о наборе компонентов инженерно-геологических условий некоторой территории путем наблюдений, описания свойств геологической среды и дешифрирования АКФМ, дополненных другими методами (горно-буровыми, геофизическими, опробованием). Территорией съемки может быть район предполагаемого хозяйственного освоения; вариант трассы линейного сооружения; вариант строительной площадки, реже — выбранная строительная площадка. Съемка ведется с целью:

· обоснования схем развития и размещения отраслей промышленности и народного хозяйства (зонирование территории);

· сравнительной оценки геологических условий строительства сооружений на намеченных вариантах, проводимой для выбора площадки размещения сооружения (трассы);

· решения вопросов размещения отдельных сооружений на строительной площадке;

· решения специальных вопросов, преследующих цель разработки прогноза изменения свойств геологической среды при освоении территории.

В зависимости от цели инженерно-геологическую съемку проводят в среднем или крупном масштабе. Средними считается группа масштабов 1 : 100 000 — 1 : 500 000. Крупными — крупнее 1 : 50 000. Государственная инженерно-геологическая съемка проводится в масштабе 1 : 200 000. В районах с простыми инженерно-геологическими условиями масштаб государственной съемки может быть 1 : 500 000, а со сложными — 1 : 100 000. При отсутствии геологической и гидрогеологической карт выполняется комплексная геологическая, гидрогеологическая и инженерно-геологическая съемка [21]. Государственная инженерно-геологическая съемка — съемка общего назначения, выполняемая для обоснования схем развития и размещения отраслей различной хозяйственной деятельности, схем расселения, а также схем развития и размещения производительных сил. Съемки крупного масштаба, как правило, являются специальными, т. е. проводятся с целью решения задач проектирования отдельных видов строительства. Основным продуктом инженерно-геологической съемки всегда является карта инженерно-геологических условий с пояснительной запиской.

Инженерно-геологическая съемка включает: наземные и аэровизуальные наблюдения, дешифрирование АКФМ, горные и буровые работы, инженерно-геологическое опробование, геофизические работы, некоторые специальные методы (зондирование, пенетрационно-каротажный и др.). Состав работ, входящих в инженерно-геологическую съемку, может несколько изменяться в зависимости от природных, в том числе и геологических, условий и масштаба съемки. Так, например, зондирование или пенетрационно-каротажные методы неприменимы в районах распространения скальных и полускальных пород, а метод ключевых участков не используется при крупномасштабной инженерно-геологической съемке. В ходе инженерно-геологической съемки должна соблюдаться определенная последовательность отдельных видов работ. Это позволяет опираться на результаты ранее проведенных работ при планировании (корректировке методики проведения) последующих. Методики средне- и крупномасштабной инженерно-геологической съемок существенно различаются, поэтому они будут рассмотрены отдельно.

При среднемасштабной инженерно-геологической съемке полевым работам обычно предшествует дешифрирование АКФМ, цель которого за­ключается в составлении предварительной схематической карты инженерно-геологических условий или в худшем случае — схемы размещения отдельных компонентов инженерно-геологических условий; выявлении структуры ландшафта (составление схемы ландшафтного районирования) и установлении местоположения ключевых участков общего (эталонов и граничных) и специального назначения, опорных маршрутов аэропрофилей, наземных и опорных профилей, ориентированных по главным направлениям изменчивости [21]. Затем проводят маршрутное обследование территории и работы на опорных профилях (геофизические методы, зондирование, пенетрационно-каротажный метод). По результатам этих исследований уточняют положение ключевых участков, получают информацию о пространственной изменчивости геологических параметров по главным направлениям, необходимую для установления ширины квазиоднородной зоны и выбора местоположения ключевых участков — эталонов. На ключевых участках и в местах, интересных с геологической точки зрения, проводят наземные наблюдения и описание свойств геологической среды, горно-буровые работы, инженерно-геологическое опробование. Общая глубина освещения компонентов инженерно-геологических условий при съемке должна быть достаточной для вскрытия закономерностей их формирования в процессе геологической истории, для выявления взаимосвязей свойств приповерхностной области литосферы со свойствами нижележащей части и с экзогенными геологическими процессами. Доверительная вероятность среднемасштабной инженерно-геологической съемки не должна превышать 0,8.

В процессе среднемасштабной инженерно-геологической съемки наземные наблюдения, горные и буровые работы и инженерно-геологическое опробование сосредоточивают преимущественно на ключевых участках. Полученная на них инженерно-геологическая информация распространяется на часть территории съемки, квазиоднородную по компонентам инженерно-геологических условий. В ходе экстраполяции данных об инженерно-геологических условиях используют метод ландшафтных индикаторов. Квазиоднородные по компонентам инженерно-геологических условий области устанавливают с учетом ландшафтного районирования территории. На ключевых участках изучают либо наиболее типичные для квазиоднородной области компоненты инженерно-геологических условий, либо отдельные, не типичные, но наиболее отчетливо выраженные компоненты инженерно-геологических условий и проявления геологических процессов. В первом случае говорят о ключевых участках общего назначения, во втором — специального назначения. Участки общего назначения могут быть эталонными и граничными. Граничные располагают в местах сопряжения нескольких природно-территориальных комплексов (ПТК). Местоположение участков-эталонов можно установить по методике, приведенной в параграфе 5.5. Число и положение граничных участков устанавливают на основании анализа ландшафтной структуры территории, определяемой пространственными отношениями ПТК разных категорий. Метод расчета числа ключевых участков разработан М. И. Горальчук и Е. С. Мельниковым [21]. Задачу о числе участков они предлагают решать в два этапа. На первом этапе определяют площадь каждого типа ПТК — fi по схеме ландшафтного районирования (число типов ПТК — т). Оценивают относительную сложность каждого типа ПТК в баллах — ki и устанавливают суммарную площадь ключевых участков Σfky, учитывая объемы работ, которые может выполнить на ключевых участках съемочная партия. Долю площади детальных исследований в пределах территории, занимаемой каждым типом ПТК, определяют из выражения

а число участков находят как Σfk y : s, где s — площадь ключевого участка (от 20 до 40 км2). После получения данных детальных исследований на ключевых участках можно уточнить их число и местоположение. Последовательность операций при этом такова:

1) по аэрофотосхемам подсчитывают число контуров ПТК каждого типа — Ni;

2) для наиболее варьирующего классификационного показателя рассчитывают V1i — коэффициент изменчивости для всех ПТК i-го типа; V2i — коэффициент изменчивости среднего арифметического значения того же показателя между ПТК i-го типа;

3) задав величину доверительной вероятности α и относительной точности ρ (%), находят число пунктов получения информации на ключевом участке по формуле:

4) число ключевых участков в пределах территории распространения ПТК i-го типа n2i определяют по формуле:

где (α принимают не выше 0,8, ρ = 10 %).

На ключевых участках исследования проводят в масштабе 1 : 25 000 (при масштабе съемки 1 : 200 000) или 1 : 50 000 (при масштабе съемки 1 : 500 000).

На опорных профилях, ориентированных по главным направлениям изменчивости, проводят геофизические исследования, динамическую или статическую пенетрацию, пенетрационно-каротажные работы. Цель работ на опорных профилях заключается в получении данных, необходимых для составления инженерно-геологических разрезов по ξ1 и ξ2, в получении случайных последовательностей показателей свойств по ξ1 и ξ2, необходимых для оценки режимов их изменчивости, расчета ширины квазиоднородной зоны, расчета параметров сппинфов, уточнения по показателям свойств положения геологических границ в местах сечения их линией профиля. Точки геофизических наблюдений, динамического или статического зондирования располагают на опорном профиле на расстояниях, полученных расчетом. С этой целью на небольшом отрезке опорного профиля длиной 5–7 км реализуют несколько испытаний ВЭЗ или динамическим зондированием и по полученной информации рассчитывают одномерную систему опробования, определяя ∆ξ. Горно-буровые работы и инженерно-геологическое опробование ведут преимущественно на ключевых участках. За пределами ключевых участков эти работы выполняют в местах, интересных и важных в геологическом отношении. На ключевых участках реализуют двумерные регулярные сппинфы, для расчета объема и параметров которых используют данные, полученные на опорных профилях или в процессе рекогносцировочных работ по опробованию.

Глубина горно-буровых выработок устанавливается с таким расчетом, чтобы они вскрыли толщу горных пород до нижней границы возможной сферы взаимодействия геологической среды с сооружением. Обычно глубина выработок при среднемасштабной инженерно-геологической съемке составляет 15–20 м. В процессе опробования отбирают образцы пород с целью определения классификационных показателей. Для выделенных МГТ-1 показатели приводятся в табличных приложениях к карте инженерно-геологических условий в виде размахов значений. Доверительная вероятность, с которой подсчитывают оценки классификационных показателей и число проб, не превышает 0,8. Разрез пород на ключевом участке по данным горно-буровых работ и опробования должен быть расчленен на геологические тела категории МГТ-2. Для каждого тела подсчитывают оценки средних значений классификационных показателей. На ключевых участках проводят ландшафтно-индикационные исследования, в основе которых лежит ландшафтная привязка горно-буровых работ и работ по опробованию к соответствующим компонентам ПТК (рельефу, растительному покрову, элементам гидросети). Данные ландшафтно-индикационных исследований используют для экстраполяции инженерно-геологической информации, полученной на ключевом участке, на квазиоднородную по инженерно-геологическим условиям область, предварительно выделенную по схеме ландшафтного районирования (по АКФМ). Правильность экстраполяции проверяется путем постановки контрольных геологических наблюдений.

При крупномасштабной инженерно-геологической съемке выполняют практически те же работы, что и при среднемасштабной. Однако соотношение работ, выполняемых разными методами, изменяется. Крупномасштабная инженерно-геологическая съемка в подавляющем большинстве случаев является специализированной. Она выполняется с целью получения инженерно-геологической информации, нужной для проектирования конкретных сооружений, для расчетов инженерно-геологических процессов. Возрастает роль количественных оценок в инженерно-геологической информации, повышаются требования к ее точности и доверительной вероятности. Изменение требований к инженерно-геологической информации находит отражение в объемах съемочных работ и методах их выполнения. Возрастает вклад горно-буровых работ и специальных методов инженерной геологии, позволяющих получать количественные оценки компонентов инженерно-геологических условий. При проведении крупномасштабной инженерно-геологической съемки исследования охватывают всю площадь съемки, а не только ключевые участки. Это касается расположения точек наземных наблюдений, горно-буровых работ и опробования, инженерно-геологических специальных работ.

Пункты получения информации в пределах площади съемки располагают во всех местах, интересных с точки зрения геологии, в соответствии с геологическими правилами (см. параграф 5.3), а в пределах квазиоднородных по геологическим условиям участков территории — регулярно. Вопрос о числе точек наблюдений пока не разработан. В нормативных документах число точек наблюдений определяется в зависимости от масштаба и категории сложности инженерно-геологических условий (табл. 8.2).

Таблица 8.2. Число точек наблюдения на 1 км2 площади съемки

Примечание. В знаменателе — число горно-буровых выработок, входящих в число точек наблюдения; в третьей колонке число выработок дано в зависимости от обнаженности местности (хорошая, удовлетворительная, плохая).

Регламентируемое нормативами число пунктов получения информации в лучшем случае представляет собой обобщение опыта и научно не обосновано. Это относится и к числу горных и буровых выработок. По-видимому, как и при оценке сложности инженерно-геологических условий некоторой территории, число пунктов получения информации следует не назначать заранее, а рассчитывать, опираясь на интегральный показатель инженерно-геологических условий и меру его рассеяния по главным направлениям изменчивости. Алгоритм расчета числа точек наблюдений должен быть приведен в нормативных документах.

Число горных и буровых выработок и объемы опробования, реализуемые в рамках регулярных сппинфов, следует получать расчетным путем. Регулярные сппинфы располагают в пределах границ геологических тел в соответствии с геолого-математическими принципами.

Объемы и параметры сппинфов получают расчетом, по формулам, приведенным в параграфе 5.4. Глубина выработок и опробования определяется положением нижней границы возможной сферы взаимодействия геологической среды с сооружениями.

В процессе крупномасштабной инженерно-геологической съемки существенно возрастает значение опробования. В зависимости от масштаба и назначения инженерно-геологической съемки геологическая среда на глубину возможной сферы взаимодействия должна быть расчленена на геологические тела категории МТГ-1, МТГ-2 и даже МТГ-3 (съемка масштаба 1 : 1000 — 1 : 2000), которые должны быть охарактеризованы соответствующими статистиками, отражающими показатели свойств. Доверительная вероятность оценок показателей существенно выше, чем при среднемасштабной инженерно-геологической съемке (не ниже 0,85). Выделение границ геологических тел указанных категорий и характеристику их свойств производят на основании данных о показателях свойств, получаемых полевыми методами и в лабораторных условиях. В состав полевых инженерно-геологических работ по съемке включают, помимо динамического и статического зондирования, вращательный срез, прессиометрию, искиметрию, позволяющие оценить прочностные и деформационные свойства грунтов, которые будут находиться в пределах сферы взаимодействия.

Гидрогеологические работы преследуют цель установления условий залегания и распространения, режима и химического состава подземных вод, определения гидрогеологических параметров водоносных горизонтов в пределах возможной сферы взаимодействия, выявления взаимосвязей подземных и поверхностных вод. В простейшем случае следует изучить первый от поверхности водоносный горизонт грунтовых вод, его уровень (колебания УГВ), распространение, направление движения, химический состав и агрессивность грунтовых вод. При некоторых видах специальных крупномасштабных съемок (например, для гидротехнического строительства или мелиорации земель) проводят большой объем опытно-фильтрационных работ (наливов, нагнетаний, откачек и др.) с целью получения исходных данных, нужных для расчета гидрогеологических процессов: фильтрации, подтопления, заболачивания, водопритоков в выемки, прорыва напорных вод и др.

Горные и буровые, геофизические, специальные инженерно-геологические и гидрогеологические работы ведут при изучении экзогенных геологических процессов. Целями работ при этом являются: выявление и оконтуривание областей с неустойчивой структурой, выявление условий процесса (геологических и внешних), внешних и внутренних его причин и по возможности получение данных о его режиме. В процессе проведения инженерно-геологической съемки получают данные, нужные для составления карты инженерно-геологических условий (см. главу 10).

8.4. Инженерно-геологическая разведка

Инженерно-геологическая разведка — комплексный метод получения информации об инженерно-геологических условиях некоторой области литосферы путем проведения горно-буровых, опытных инженерно-геологических и гидрогеологических работ, инженерно-геологического опробования и лабораторных работ, документации строительных выемок и режимных инженерно-геологических наблюдений. В отличие от инженерно-геологической съемки в состав разведки не входят наземные и аэровизуальные наблюдения, дешифрирование АКФМ. Инженерно-геологическая разведка в зависимости от ее целевого назначения, предопределяемого этапом хозяйственной деятельности (стадией проектирования), разделяется на предварительную, детальную и оперативную (табл. 8.3).

Таблица 8.3. Виды инженерно-геологической разведки и их назначение

Разные виды инженерно-геологической разведки довольно существенно различаются составом, объемами работ, их пространственным размещением и характером получаемой информации. Вследствие этого они рассматриваются по отдельности.

Предварительную инженерно-геологическую разведку проводят в пределах границ выбранной для строительства площадки. Главная цель строительного проектирования заключается в компоновке сооружений на площадке, включающей проведение предварительных расчетов их оснований. Следовательно, проектировщик должен располагать информацией о геологическом разрезе, свойствах грунтов, положении УГВ и их составе практически в любом месте площадки предполагаемого строительства. Отсюда вытекают требования к размещению работ. Они должны более или менее равномерно охватить всю строительную площадку, с тем чтобы в случае необходимости можно было получить инженерно-геологический разрез по любому выбранному направлению, со свойствами грунтов, положением УГВ и другими сведениями, нужными для составления расчетной схемы и предварительных расчетов оснований. Требованию равномерного размещения отвечают двумерные регулярные сппинфы, которые рассчитывают до проведения разведки в соответствии с геолого-математическими принципами и ориентируют по главным направлениям изменчивости (или по направлениям экстремальных значений градиентов геологических параметров). В случае однородного по минеральному и гранулометрическому составу разреза пород в пределах глубины будущей сферы взаимодействия реализуют трехмерный сппинф, рассчитывая шаги ∆ξ1 и ∆ξ2 и интервал опробования ∆ξ3. Если накопленная информация, необходимая для расчета объема и параметров сппинфа, отсутствует, то ее получают в процессе предварительной разведки на первом этапе. Для этого горно-буровые, геофизические или инженерно-геологические работы, например зондирование, располагают на взаимно перпендикулярных профилях по ξ1 и ξ2 или по направлениям экстремальных градиентов геологических параметров. Напомним, что для расчета двумерного сппинфа нужно иметь значения По получают объем сппинфа с требуемой доверительной вероятностью, а по мерам рассеяния геологического параметра по ξ1 и ξ2 (или по направлению экстремумов его градиента) определяют модуль анизотропности и по формулам рассчитывают параметры сппинфа (см. параграф 5.4). Глубина исследований определяется сферой взаимодействия проектируемых сооружений. В простейшем случае она отвечает активной зоне наиболее тяжелого сооружения.

В процессе проведения предварительной инженерно-геологической разведки геологическая среда должна быть расчленена на геологические тела категории МТГ-2. Следовательно, в ходе опробования требуется определять в основном классификационные показатели свойств грунтов. Они необходимы для выявления закономерностей пространственной изменчивости свойств геологической среды; выделения МТГ-2; подсчета для каждого МТГ-2 оценок средних значений классификационных показателей, на основе которых выбирают нормативные значения показателей, используемые при предварительных расчетах оснований. Объем инженерно-геологического опробования рассчитывают исходя из необходимости получения оценок классификационных показателей для МГТ-2 с доверительной вероятностью 0,85 при расчетах оснований по деформациям и 0,95 — при расчетах по несущей способности.

Инженерно-геологическая разведка включает проведение гидрогеологических работ. Цель работ состоит в получении данных о гидрогеологических условиях строительной площадки, нужных для разработки их прогноза при строительстве и эксплуатации сооружений, возможного подтопления территории, загрязнения и изменения химического состава подземных вод. В ходе гидрогеологических исследований устанавливают положение УГВ в горных выработках и скважинах, отбирают пробы воды с целью определения химического состава и агрессивности, определения водопроводимости, производят одиночные откачки из скважин и наливы в шурфы, ведут наблюдения за режимом УГВ и химическим составом. Если обнаружены проявления ЭГП, то в изучение процесса включают организацию наблюдений за его режимом.

Детальную инженерно-геологическую разведку проводят в пределах предполагаемой сферы взаимодействия геологической среды с сооружением, на стадии РД. Границы предполагаемой сферы взаимодействия и границы входящих в нее зон выделяют до начала детальной разведки, на основании геологической информации и технических данных о сооружении и условиях его работы.

Детальная инженерно-геологическая разведка включает горные и буровые работы, полевые определения прочностных и деформационных свойств грунтов (сдвиги, обрушения, выпирание призм, прессиометрию, опытные нагрузки на штамп, на сваю и др.), инженерно-геологическое опробование, гидрогеологические работы. Перечисленные работы выполняют только внутри границ предполагаемой сферы взаимодействия сооружения, размещая те или иные виды работ внутри соответствующих зон. Например, нагрузки на штампы располагают внутри контуров зоны уплотнения грунтов, полевые испытания грунтов для оценки их прочности — в зоне сдвига или в зоне нарушения устойчивости откоса, опытные гидрогеологические работы — в зоне фильтрации или в зоне подтопления и т. д. Поскольку для каждой зоны сферы взаимодействия при проектировании сооружения на стадии РД производят окончательный расчет соответствующего инженерно-геологического процесса (напомним, что зоны выделяют по процессам), то работы внутри зон располагают по расчетным сечениям. Расчетным сечением следует называть вертикальное сечение зоны сферы взаимодействия, для которого составляют расчетную схему. Расчетные сечения устанавливают, учитывая конструктивные особенности сооружения (размеры, конфигурацию в плане, распределение и характер нагрузок), особенности его взаимодействия с основанием и свойства геологической среды. В простейшем случае расчетными являются сечения по осям (контурам) сооружения (для зоны уплотнения грунтов основания) или сечения, перпендикулярные к направлению движения фильтрационного потока (зона фильтрации). Таким образом, при детальной инженерно-геологической разведке состав входящих в нее работ определяется структурой сферы взаимодействия, видом, числом и пространственными отношениями зон. Работы проводят по расчетным сечениям, при установлении которых руководствуются конструктивными соображениями и свойствами геологической среды внутри предполагаемой сферы взаимодействия. Глубина исследований определяется нижней границей соответствующей зоны сферы взаимодействия. Например, деформационные свойства грунтов основания изучают до нижней границы активной зоны (зоны уплотнения грунтов). Это обстоятельство отражено в действующих нормативах, которыми предписывается границы инженерно-геологической разведки устанавливать с учетом размеров сферы взаимодействия. Глубину зоны определяют расчетом, используя информацию, полученную при предварительной инженерно-геологической разведке.

Ориентировочная глубина горных и буровых выработок для различных типов фундамента приведена в табл. 8.4.

Таблица 8.4. Глубина горных и буровых выработок для различных типов фундамента

* Для каркасных зданий и сооружений с нагрузкой на куст висячих свай более 3000 кН или при сплошном свайном поле 50 % выработок углубляют не менее чем на 10 м ниже острия.

Если в пределах сферы взаимодействия залегают скальные породы, то выработки проходят на 2 м ниже кровли слабо выветрелых пород или подошвы фундамента при его заложении на скале. Элювиальные отложения вскрывают выработками до глубины не менее 2 м ниже кровли слабо выветрелых пород при площадной коре выветривания и не менее 3–5 м ниже кровли слабовыветрелых пород при линейной коре выветривания. В процессе строительства на насыпных грунтах выработки заглубляют не менее чем на 5 м ниже подошвы насыпи.

Параметры двумерного сппинфа (в плоскостях ξ1, ξ3 и ξ2, ξ3) рассчитывают, определяя расстояние между выработками по расчетному сечению (шаг ∆ξ1 или ∆ξ2) и интервал опробования ∆ξ3. В ходе детальной разведки определяют показатели свойств грунтов в пределах предполагаемой сферы взаимодействия. Для проведения окончательных расчетов основания проектировщику нужны данные о показателях свойств грунтов, которые используются при расчетах соответствующих процессов. Это в основном показатели сжимаемости, прочности, водопроводимости и др. Они должны быть представлены в виде оценок средних значений, характеризующих выделенные по данным горно-буровых работ и инженерно-геологического опробования МГТ-3. Расположенные внутри границ сферы взаимодействия МГТ-3, статистически однородные по показателям, используемым в расчетах, следует рассматривать как инженерно-геологические элементы. Последние при составлении расчетной схемы основания с учетом принятого метода расчета инженерно-геологического процесса объединяют в расчетные элементы.

Показатели свойств грунтов получают полевыми или лабораторными методами, предполагающими отбор образцов грунта с ненарушенными структурой и влажностью в ходе опробования. Число образцов пород отвечает объему сппинфа. Оно рассчитывается по методике, рассмотренной в параграфе 5.4, с требуемой доверительной вероятностью и точностью, предусмотренной государственными стандартами. Объемы полевых испытаний грунтов и число образцов, требуемые для подсчета оценок средних значений показателей свойств, характеризующих инженерно-геологические элементы, рассчитывают одним из методов, рассмотренных выше. Рекомендации нормативных документов, относящиеся к числу образцов, следует считать чисто ориентировочными, пригодными только для предварительных оценок. В ходе дальнейшей инженерно-геологической разведки ведут наблюдения за УГВ, отбирают пробы воды для определения химического состава и агрессивности, а в сложных условиях (УГВ выше отметки подошвы фундамента, возможность развития процесса подтопления и др.) проводят опытные гидрогеологические работы. По результатам детальной инженерно-геологической разведки составляют инженерно-геологическое заключение.

В процессе одностадийного проектирования (рабочий проект) должны быть решены вопросы компоновки сооружений на площадке и проведен окончательный расчет их оснований. Вследствие этого предварительная, и детальная инженерно-геологическая разведка сливаются воедино. Сначала инженерно-геологические исследования проводят на территории всей площадки будущего строительства, а после выбора мест размещения сооружений на этих местах — в пределах предполагаемой сферы взаимодействия.

Оперативную инженерно-геологическую разведку проводят в процессе строительства ответственных сооружений, сооружений I класса и уникальных. Ее цели заключаются в получении информации о фактических свойствах геологической среды и инженерно-геологических процессах, развивающихся в период формирования сферы взаимодействия под влиянием строительных работ; проведении наблюдений за производством строительных работ в части взаимодействия с геологической средой и контроле выполнения требований проекта производства работ, в том числе по возведению земляных сооружений (геотехконтроль).

Оперативная инженерно-геологическая разведка включает: документацию строительных выемок, режимные наблюдения за свойствами геологической среды — компонентами инженерно-геологических условий (за инженерно-геологическими процессами); инженерно-геологическое опробование; наблюдения (и контроль) за производством строительных работ, в том числе опытно-строительных. Работы сосредоточивают в пределах развивающейся сферы взаимодействия геологической среды с сооружениями: в строительных котлованах, подземных выработках, внутри контура депрессии, формирующейся при глубинном водопонижении, и т. д.

Документация строительных выемок заключается в описании, зарисовке (фотографировании) обнажений горных пород, пространственных отношений геологических тел (геологического строения), трещиноватости, элементов тектоники, гидрогеологических проявлений, проявлений экзогенных геологических, в том числе инженерно-геологических, процессов. Особое внимание при этом обращается на выявление и описание тех аспектов инженерно-геологических условий, которые не удалось выявить в процессе инженерно-геологических изысканий, проведенных в рамках проектирования сооружений; описание характера взаимодействий между орудиями труда и геологической средой и описание результатов взаимодействий, проявляющихся как инженерно-геологические процессы. Документируются откосы и дно строительных котлованов и открытых выемок, стенки, кровля и подошва подземных выработок. Масштаб документации 1 : 20 — 1 : 500. Документация выемок оформляется в виде: 1) разверток основания, стенок (и кровли подземных выработок) или их частей без искажения масштабов; 2) описания инженерно-геологической ситуации. В ходе оперативной инженерно-геологической разведки ведут опробование грунтов, вскрытых выемками. Опробуются важнейшие инженерно-геологические элементы, оказывающие существенное влияние на устойчивость сооружений, их осадку и процессы фильтрации. Так, в обязательном порядке опробуются грунты, залегающие вблизи отметок заложения фундаментов, в кровле и подошве подземных выемок и т. д. Объем опробования должен быть достаточным для получения оценок средних значений показателей, использованных в расчетах инженерно-геологических процессов, при этом доверительная вероятность и точность должны соответствовать доверительной вероятности и точности аналогичных оценок, содержащихся в проектных материалах.

Опробование проводят в пределах отдельных, сравнительно небольших площадок, в стенках (откосах) или дне строительных выработок, реализуя двумерный регулярный сппинф. При расчете его объема и параметров используют информацию, содержащуюся в проектных материалах или полученную уже в ходе оперативной разведки.

Важнейшей составной частью оперативной инженерно-геологической разведки являются режимные инженерно-геологические наблюдения. Они включают наблюдения: 1) за инженерно-геологическими процессами, развивающимися в результате взаимодействий орудий труда (землеройной техники, водопонизительных установок, буровзрывных работ и т. д.) и строящихся сооружений с геологической средой; 2) за проведением строительных работ преимущественно нулевого цикла; 3) за работами по возведению земляных сооружений; 4) за проведением опытно-строительных работ и их эффективностью (проходка опытных котлованов, опытные работы по технической мелиорации грунтов, устройство опытных цементационных завес и т. д.). Наблюдения включают инструментальные методы измерения параметров процессов. К их числу принадлежат, например, наблюдения за уплотнением (осадкой, просадкой) грунтов по реперам; смещениями грунтов в откосах; поровым давлением в основании и в теле земляных сооружений; уровнем и напорами подземных вод; горным давлением и изменением параметров вывалов.

Данные наблюдений документируются в виде описаний, графиков, зарисовок, временных рядов. Получаемая в процессе оперативной разведки информация незамедлительно обрабатывается и сразу же передается авторскому надзору. Представители авторского надзора (проектирующей организации) на основании полученной информации в случае необходимости корректируют рабочие чертежи и проект производства строительных работ (принимают меры по соблюдению проекта строительной организацией).

8.5. Режимные инженерно-геологические наблюдения

Режимные наблюдения представляют собой комплексный метод получения информации об изменении состояния геологической среды во времени; об экзогенных геологических и инженерно-геологических процессах, определяющих ее развитие. В процессе наблюдений получают информацию существенно режимного характера, привязанную к различным моментам физического времени. Подобная информация используется для разработки инженерно-геологических прогнозов или корректировки прогнозов, составленных ранее. В зависимости от уровня ПТС (региональный, локальный, элементарный), функционирование которой изучается, пункты проведения режимных инженерно-геологических наблюдений охватывают регион, область взаимодействия комплекса сооружений или сферу взаимодействия элементарной ПТС. Наблюдения за изменением состояний геологической среды в границах региональной и локальной ПТС осуществляют в рамках литомониторинга, его подсистемы режимных наблюдений. Их цель заключается в решении проблемы оптимизации взаимодействий человеческого общества с геологической средой (рациональное использование геологической среды). Наблюдения за изменением состояний во времени сферы взаимодействия направлены на оптимизацию функционирования элементарной ПТС в части взаимодействия подсистем «сооружение» и «сфера взаимодействия». Наблюдение за функционированием элементарной и нередко локальной ПТС начинают в процессе строительства сооружений (они входят в состав оперативной разведки) и продолжают в течение всего периода развития ПТС до момента относительной стабилизации инженерно-геологических процессов, а также в период эксплуатации.

О состоянии геологической среды внутри границ сферы взаимодействия или области взаимодействия комплекса сооружений можно судить на основании данных измерения некоторого параметра, характеризующего геологические процессы (естественного или искусственного происхождения) или свойства геологической среды. В процессе рассматриваемых работ ведут наблюдения: за уплотнением грунтов основания сооружения (за осадкой сооружения); просадкой лёссовых грунтов; разуплотнением грунтов в дне строительных котлованов; перемещением масс геологической среды в склонах; горным давлением; оседанием земной поверхности под влиянием сработки подземных вод, добычи твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых; уровнем грунтовых вод, пьезометрическими напорами, поровым давлением, температурой, влажностью и другими параметрами. В процессе наблюдений используют поверхностные и глубинные реперы и марки, динамометры и тензометрические датчики, поропьезометры и другие приборы и приспособления, рассмотренные в предыдущей главе.

Вопрос о размещении в пространстве пунктов получения информации, их числе и режиме наблюдений во времени рассмотрен в литературе [5]. Можно утверждать, что пространственная структура сппинфа должна быть адекватной структуре взаимодействий, определяющих изменение состояний наблюдаемой области литосферы. Режим наблюдений должен в целом отвечать режиму наблюдаемого процесса, а частота наблюдений должна удовлетворять условию получения временного ряда наблюдаемого геологического параметра с заданной точностью. При организации наблюдений за режимом инженерно-геологических условий региона система наблюдений литомониторинга в пространственном отношении отражает размещение ЭГП (включая инженерно-геологические), т. е. в итоге соответствует структуре взаимодействий. В большинстве случаев это пространственная композиция регулярных сппинфов, каждый из которых отвечает области с неустойчивой структурой или сфере взаимодействия.

Сппинф локальной ПТС чаще всего также нерегулярный. Он должен соответствовать пространственной структуре инженерно-геологических процессов. Пункты получения информации при наблюдении за состоянием сферы взаимодействия размещают в пространстве, учитывая конструкцию сооружения и свойства сферы взаимодействия, совместно определяющие набор и пространственное размещение инженерно-геологических процессов. Режим наблюдений устанавливают в соответствии с соображениями, изложенными в параграфе 5.4.

8.6. Инженерно-геологическое опробование

Инженерно-геологическое опробование — метод, включающий методы установления объема и параметров сппинфов, способы отбора образцов грунтов и их консервации. Этот метод совместно с другими методами (горно-буровыми, специальными полевыми и лабораторными) обеспечивает получение информации требуемого качества о составе и свойствах горных пород или о свойствах грунтов [19].

Инженерно-геологическое опробование входит в состав инженерно-геологической съемки, рекогносцировки, разведки и решает различные задачи (табл. 8.5).

Таблица 8.5. Задачи, решаемые методом инженерно-геологического опробования

Опробование включает методы установления объемов работ (число полевых испытаний грунтов, число разведочных выработок, число образцов грунта); методы установления пространственного размещения пунктов получения инженерно-геологической информации (методы определения типов сппинфа и расчета его параметров); методы отбора и консервации образцов грунтов [19].

Методы опробования должны учитывать состав горных пород и свойства грунтов, характер их пространственной изменчивости, анизотропность мер рассеяния показателей свойств в пределах квазиоднородных областей, а также целевое назначение инженерно-геологических исследований (тип и класс сооружений, этап хозяйственной деятельности, в том числе стадия изысканий).

Инженерно-геологическое опробование включает три последовательно выполняемых этапа работ. Структура опробования приведена в табл. 8.6.

Таблица 8.6. Структура инженерно-геологического опробования

* Проводятся в случае отсутствия (или недостаточного объема) информации, требуемой для расчета сппинфа.

В процессе инженерно-геологического опробования сначала тем или иным способом устанавливают число точек получения информации, затем выбирают систему опробования (сппинф) и рассчитывают его параметры. Если исходные данные, нужные для расчета, отсутствуют, то проводят рекогносцировочные работы по опробованию. Они преследуют цель получения информации, требуемой для расчета числа точек опробования или объема сппинфа, выбора его ориентировки и расчета параметров. После расчета объемов опробования и параметров сппинфа проводят горно-буровые работы, полевые испытания грунтов и работы по отбору образцов и их консервации, если геологические параметры определяют лабораторными методами.

Рекогносцировочные работы по опробованию ведут при помощи геофизических методов (преимущественно электроразведочных) или специальных инженерно-геологических (динамическая и статическая пенетрация, пенетрационный каротаж, крыльчатое зондирование, искиметрия). Применение перечисленных методов позволяет установить главные направления изменчивости геологических параметров или проверить правильность выводов об их ориентировке, полученных ранее на основании анализа геологических данных; выделить квазиоднородные по изучаемым свойствам геологические тела, применительно к которым рассчитывают сппинфы, системы опробования; получить количественные данные, нужные для оценки структуры полей геологических параметров в сечениях, ориентированных по главным направлениям изменчивости (режимов пространственной изменчивости); получить данные о мерах рассеяния геологических параметров (средние квадратические отклонения, коэффициенты изменчивости), требуемые для расчетов объемов и параметров систем опробования. Если в процессе предыдущих исследований на более ранней стадии изысканий полученной информации достаточно для решения перечисленных задач, то необходимость в проведении рекогносцировочных работ отпадает.

После расчета объемов и параметров сппинфов реализуют рассчитанные системы опробования в натуре путем проведения горно-буровых работ или полевых испытаний грунтов (эти методы не входят в состав инженерно-геологического опробования); намечают способы отбора образцов (точечный, бороздовый, валовой или их комбинации); проводят отбор образцов и их консервацию [19].

Образцом грунта следует считать любой объем грунта, отобранный с целью его дальнейшего изучения. В зависимости от цели изучения и способа отбора образца грунта его структура, текстура, плотность и естественная влажность могут быть сохранены такими же, как в массиве, iп situ, или изменены в ходе отбора. Образец грунта, в котором сохранены структура, текстура, плотность и естественная влажность, называется монолитом.

Под пробой грунта понимают более или менее строго фиксированный объем грунта, отделенный или не отделенный от его массива, взаимодействующий в ходе его испытаний с лабораторным прибором (оборудованием) или с рабочим устройством полевого прибора (установки). В первом случае пробу строго фиксированного или приближенно определенного в соответствии с требованиями нормативов объема (массы) вырезают из образца грунта. Такую пробу называют лабораторной. При испытании грунтов полевыми методами с рабочим органом полевого прибора взаимодействует некоторая фиксированная область грунта, залегающего iп situ в массиве (аналог сферы взаимодействия геологической среды с сооружением). Подобная проба называется полевой. Наряду с лабораторной и полевой пробой грунта следует различать статистическую пробу. Под статистической пробой следует понимать объем грунта в массиве, равный области автокорреляции опробуемого геологического параметра1. Статистическая проба регламентирует максимальную густоту опробования геологического тела. Методы отбора и консервации образцов регламентированы ГОСТ 12071-84.

---