В главе 9 было показано, как изменяются технологическая схема, методы и объемы работ и требования к изысканиям на различных этапах инженерно-геологических исследований, а в итоге — на разных этапах хозяйственной деятельности. Существует логическая цепочка, определяющая изменение методики на различных этапах инженерно-геологических работ: цель хозяйственной деятельности (инженерная задача) → качества инженерно-геологической информации (замкнутость, полнота, точность и др.) → содержание методики инженерно-геологических исследований (процесса производства инженерно-геологической информации). В главе 1 мы рассмотрели ПТС и показали, что различные ПТС имеют разную структуру и, следовательно, неодинаково взаимодействуют с геологической средой. В ходе взаимодействий развиваются различные инженерно-геологические процессы, для прогноза которых при планировании, проектировании, строительстве и эксплуатации ПТС используется инженерно-геологическая информация. Различные инженерно-геологические процессы изучают разными методами, реализуя при этом различные объемы инженерно-геологических работ. Иными словами, решение инженерной задачи при планировании, проектировании, строительстве и эксплуатации разных сооружений требует различной инженерно-геологической информации. Следовательно, инженерно-геологические изыскания для разных сооружений будут иметь свои особенности.
Ниже рассматриваются специальные методики инженерно-геологических изысканий, выполняемых при планировании, проектировании, строительстве и эксплуатации различных сооружений.
12.1. Стадии планирования и проектирования
промышленных и гражданских сооружений
и этапы инженерно-геологических изысканий
Планирование и проектирование промышленных и гражданских сооружений выполняют последовательно. Каждому этапу хозяйственной деятельности отвечает этап инженерно-геологических изысканий:
· проект генерального плана города (поселка), промышленного комплекса — этап I;
· проект детальной планировки микрорайонов, жилых комплексов, города (поселка) — этап IIа;
· проект застройки микрорайонов, жилых комплексов и строительства отдельных зданий и сооружений — этапы IIб и III.
Размещение новых городов (населенных пунктов) осуществляют в рамках схем расселения, развития и размещения отраслей хозяйства. При составлении схем используют накопленную инженерно-геологическую информацию, полученную главным образом в процессе государственных геологической и инженерно-геологической съемок. Инженерно-геологические изыскания для проекта генерального плана города (поселка) должны обеспечить возможность функционального районирования территории города по видам ее использования и решение вопроса о размещении зданий и сооружений различного назначения, а также проведение инженерных мероприятий по подготовке территории и охране окружающей среды, в том числе геологической. Проект детальной планировки микрорайонов, жилых комплексов города составляют в основном на базе материалов изысканий для генерального плана. При проектировании гражданских и промышленных сооружений, которое проводят в одну или две стадии, инженерно-геологические изыскания направлены на решение инженерной задачи. По содержанию они отвечают этапам IIб и III: изыскания на выбранной строительной площадке и на месте размещения отдельного сооружения в пределах предполагаемой сферы взаимодействия.
В элементарной ПТС сфера взаимодействия имеет простую структуру. Она в большинстве случаев включает одну зону — уплотнения грунтов основания сооружения. При строительстве и во время эксплуатации сооружения развивается процесс уплотнения грунтов, фиксируемый как осадка сооружения. Для расчета этого процесса нужно знать разрез пород основания с детальностью его расчленения на МГТ-3, а также показатели сжимаемости МГТ-3 (расчет по деформациям) или прочности (расчет по несущей способности). Существенно сложнее оказывается инженерная и инженерно-геологическая задача, если основание имеет сложное строение, представлено неоднородными по сжимаемости и прочности, набухающими, просадочными грунтами или если ожидается подтопление территории в период эксплуатации ПТС. Характер процессов взаимодействия сооружения с геологической средой значительно усложняется. При проектировании сооружений следует рассчитать (и учесть конструктивно) величину осадки, которая может быть различной в разных частях основания, или процессы набухания, просадки, подтопления. Для прогноза процессов необходима соответствующая информация, которую получают в ходе инженерно-геологических изысканий.
Рассмотрим методику инженерно-геологических изысканий для промышленного и гражданского строительства.
12.2. Инженерно-геологические изыскания
для проекта генерального плана города (поселка)
и проекта детальной планировки микрорайонов
(жилых комплексов)
Генеральный план города (поселка) определяет развитие города на перспективу, развитие промышленности, жилищного хозяйства, транспорта, коммунального хозяйства. Этот план основывается на районировании территории города по видам ее хозяйственного использования. При таком районировании выделяются жилые (селитебные) и промышленные зоны, транспортные полосы, зоны отдыха. Зоны разделяют по характеру и этажности застройки. Разделение территории города на зоны различного назначения предполагает знание природных, в том числе инженерно-геологических, условий и их пространственной и временной изменчивости. Информацию об инженерно-геологических условиях содержит инженерно-геологическая карта — продукт инженерно-геологических изысканий. Зоны отдыха и промышленные зоны располагают не только в пределах территории города, но и в его окрестностях. Поэтому при изысканиях для генерального плана район работ не ограничивается только территорией города, он включает и пригородную зону. При инженерно-геологических изысканиях проводят крупномасштабную инженерно-геологическую съемку территории города (1 : 10 000) и пригородной зоны (1 : 25 000). Глубинность съемки должна быть достаточной для понимания истории формирования компонентов инженерно-геологических условий в пределах возможных границ локальной ПТС и для прогноза будущих инженерно-геологических процессов. В результате проведения инженерно-геологической съемки должны быть составлены карты условий и общего инженерно-геологического районирования территории города в масштабе 1 : 10 000 — типологического, эколого-геологического и геолого-экономического, учитывающего стоимость мероприятий по инженерной подготовке различных частей территории города. Многообразие и широта задач, решаемых генеральным планом города, требует также составления серии крупномасштабных карт специального назначения и серии моделей полей геологических параметров. Например, для обоснования проекта действующего генерального плана г. Москвы рядом инженерно-геологических организаций и вузов составлена серия специальных карт и моделей полей показателей свойств, включающая, в частности: карты четвертичных и дочетвертичных пород, карты-срезы на различных отметках в пределах осваиваемого подземного пространства, несколько типов гидрогеологических карт, карты ЭГП и карты прогноза изменения инженерно-геологических условий, модели полей показателей свойств московской и днепровской морен, флювиогляциальных и аллювиальных отложений.
Проект детальной планировки микрорайонов, жилых комплексов города включает: определение архитектурно-планировочной и технической организации районов первоочередной застройки; организацию благоустройства; планировку улиц, микрорайонов, кварталов, коммуникаций; перспективы освоения подземного пространства города, в частности подземных коммуникаций и путей сообщений. Существующими нормативами при составлении проекта детальной планировки рекомендуется использовать материалы изысканий, выполненные для обоснования генерального плана. Если в ходе разработки проекта детальной планировки возникают отдельные вопросы инженерно-геологического характера, ответы на которые невозможно дать на основании информации, полученной при изысканиях для генерального плана, то проводят инженерно-геологическую рекогносцировку. По ее результатам составляют заключение, содержащее ответы на вопросы проектировщиков.
Инженерно-геологические изыскания для проекта детальной планировки (этап IIа) выполняют в том случае, если после составления генерального плана существенно изменились инженерно-геологические условия территории (активизировались ЭГП, ухудшились свойства грунтов, поднялся УГВ и существует угроза подтопления территории). Проводят крупномасштабную инженерно-геологическую съемку в масштабе 1 : 5000, а в сложных условиях — в масштабе 1 : 2000. При проведении съемки в пределах существующего города важнейшим компонентом съемочных работ должно быть обследование состояния существующих сооружений с целью изучения инженерно-геологических процессов.
Результаты съемки представляют в виде карты инженерно-геологических условий и комплекса карт специального назначения, обеспечивающих решение инженерной задачи. Методика крупномасштабной инженерно-геологической съемки регламентирована СНиП и СП и подробно рассмотрена в [11]. Следует иметь в виду, что рекомендации, касающиеся объемов работ, входящих в состав съемки, научно не обоснованы. Поэтому правильнее рассчитывать объемы и параметры сппинфов в соответствии с указаниями главы 5 настоящей книги.
12.3. Инженерно-геологические изыскания для проекта застройки
микрорайонов (жилых комплексов) и строительства
отдельных зданий и сооружений
После утверждения проекта детальной планировки выдаются технические задания на проведение инженерно-геологических изысканий с целью обоснования проекта первоочередной застройки микрорайонов (жилых комплексов) и строительства отдельных зданий и сооружений. Проектирование сооружений по повторно используемым и типовым проектам ведут в одну стадию — рабочий проект, остальные здания и сооружения, в том числе крупные и сложные, проектируют в две стадии (проект и рабочая документация). Цель проектировщика при одностадийном проектировании заключается в составлении проекта застройки территории микрорайона, жилого (промышленного) комплекса и проектов строительства отдельных зданий и сооружений.
Инженерная задача при одностадийном проектировании состоит в: 1) компоновке зданий и сооружений на строительной площадке (территория микрорайона, жилого массива, промышленного комплекса), производимой на базе предварительных расчетов оснований сооружений; 2) проведении окончательных расчетов оснований отдельных зданий и сооружений, размещенных на строительной площадке в соответствии с утвержденным вариантом компоновки.
Таким образом, при одностадийном проектировании в ходе инженерно-геологических изысканий должна быть получена информация, отвечающая этапам IIб и III инженерно-геологических работ (этапы совмещены). На строительной площадке производится предварительная инженерно-геологическая (этап IIб) и детальная инженерно-геологическая (этап III) разведка. Техническое задание на изыскания должно содержать возможные варианты компоновочного решения и технические данные о сооружениях. По имеющимся данным о геологическом строении площадки, характеристиках свойств грунтов и их пространственной изменчивости при составлении программы (проекта) инженерно-геологических изысканий рассчитывают объем и параметры двумерного сппинфа, согласно которым в ходе предварительной разведки размещают горные и буровые выработки, точки зондирования, геофизические измерения. Глубину разведки определяют расчетом (глубина сферы взаимодействия плюс 2–3 м). При наличии в разрезе в пределах сферы взаимодействия скальных пород выработки углубляют в них на 0,5–1 м (в ответственных случаях — до 5 м). Если информации, накопленной для расчета параметров сппинфа, недостаточно, то в программе работ оговариваются проходка и опробование выработок или проведение полевых опытных работ (геофизических, зондирования) на двух взаимно перпендикулярных поперечниках, ориентированных по ξ1 и ξ2 или по направлениям экстремальных значений градиентов геологических параметров. Результаты работ используют для расчета параметров сппинфа.
На основании материалов предварительной инженерно-геологической разведки геологическая среда на глубину предполагаемой сферы взаимодействия должна быть расчленена на геологические тела категории МГТ-2, а на предполагаемых местах постройки сооружений — на МГТ-3. Вследствие этого опробование предусматривает отбор образцов грунта для определения в лабораторных условиях классификационных показателей, а также небольшого числа определений показателей прочности и сжимаемости (в зависимости от схемы расчета основания). После разработки компоновочного решения предварительная инженерно-геологическая разведка (этап IIб) перерастает в детальную (этап III). Выработки располагают в пределах предполагаемых сфер взаимодействия отдельных зданий и сооружений по их осям (контурам), по расчетным сечениям. Опробование направлено на выделение МГТ-3 и получение данных о показателях прочности и сжимаемости, нужных для окончательного расчета оснований. На местах размещения сооружений проводят опытные нагрузки на штампы, опытные нагружения свай (если предусматриваются свайные фундаменты) и другие опытные работы. В процессе предварительной разведки наряду с проходкой горных выработок и буровых скважин и их опробованием используют динамическое зондирование и пенетрационный каротаж для оценки пространственной изменчивости разреза пород и геологических параметров, геофизические методы (например, электропрофилирование с целью определения мощности рыхлых пород). Широко используют статическое зондирование, искиметрию, вращательный срез для решения следующих задач:
· оценка геологического строения и свойств грунтов, их пространственной изменчивости;
· установление мощности рыхлых и выветрелых пород;
· определение глубины забивки и несущей способности свай;
· определение прочностных и деформационных свойств грунтов.
Гидрогеологические работы проводятся с целью получения данных: об УГВ, проницаемости пород, гидрогеологических параметрах, необходимых для оценки процесса подтопления территории (при эксплуатации ПТС), о движении подземных вод, их химическом составе и агрессивности по отношению к строительным материалам. В рамках предварительной инженерно-геологической разведки проводят гидрогеологические наблюдения при бурении скважин и гидрогеологическое опробование; опытные откачки из скважин, а при мощной зоне аэрации — опытные наливы (при необходимости оценки фильтрационных свойств грунтов).
Цель лабораторных работ — определение классификационных показателей и показателей прочности и сжимаемости. Объем лабораторных испытаний для каждого МГТ-2 и число показателей прочности и сжимаемости для МГТ-3 устанавливают расчетным путем на основании данных о величине дисперсии показателей свойств (накопленная информация) и требуемой доверительной вероятности. По данным о показателях свойств грунтов уточняют границы МГТ-2 и МГТ-3 (последние выделяют только в пределах контуров зданий и сооружений) внутри границ предполагаемой сферы взаимодействия.
По данным инженерно-геологических изысканий составляют технический отчет (инженерно-геологическое заключение), содержащий описание инженерно-геологических условий строительной площадки, серию инженерно-геологических разрезов, секущих строительную площадку по ξ1 и ξ2, таблицы с оценками средних значений классификационных показателей и показателей состояния для всех МГТ-2 и показателей сжимаемости (прочности) для всех МГТ-3, модели полей показателей свойств грунтов.
При двухстадийном проектировании составляют проект застройки микрорайона (жилого комплекса), а затем, во вторую стадию, разрабатывают проекты отдельных зданий и сооружений — так называемую рабочую документацию (РД). Инженерно-геологические изыскания для обоснования проекта застройки микрорайона (жилого или промышленного комплекса) рассмотрены выше, поэтому целесообразно обсудить методику инженерно-геологических изысканий, обеспечивающих инженерно-геологической информацией стадию РД, — проекты отдельных зданий и сооружений.
После утверждения проекта застройки микрорайона (жилого, промышленного комплекса) выдается техническое задание на проведение инженерно-геологических изысканий для проектирования отдельного сооружения (этап III). Задание должно содержать общие сведения о сооружении (назначение, тип, конструкция) и сведения технического характера: этажность, размеры в плане, конфигурация, глубина заложения, размещение и типы фундаментов, распределение нагрузок, размещение фундаментов с динамическими нагрузками, наличие подземных помещений различного назначения, особые условия эксплуатации.
В отдельных случаях проектировщик совместно с инженером-геологом составляет расширенное техническое задание, заменяющее программу изысканий. Расширенное техническое задание наряду с данными о сооружении содержит краткое описание инженерно-геологических условий места «посадки» сооружения, состава и объемов инженерно-геологических работ (число шурфов и скважин, их глубина, расположение, способ проходки, виды и объемы опытных работ и лабораторных испытаний грунтов, график работ). Оно содержит также перечень отчетных материалов, представляемых проектировщику, и сроки их представления. К расширенному техническому заданию прилагают план площадки (трассы сооружения) с местами размещения проектируемых работ, копию технического задания, разрешение на производство инженерно-геологических изысканий.
На площадке размещения сооружения в границах предполагаемой сферы взаимодействия проводят детальную инженерно-геологическую разведку. Инженерная задача состоит в проведении окончательного расчета основания сооружения. Она предопределяет методику детальной инженерно-геологической разведки в части размещения работ.
В качестве доказательства этого положения рассмотрим последовательность операций: окончательный расчет основания сооружения → составление расчетной схемы основания → получение информации о геологическом строении, свойствах грунтов и их пространственной изменчивости в расчетных сечениях (по осям и контурам сооружения) с детальностью, достаточной для выделения инженерно-геологических элементов в разрезах, проведенных по расчетным сечениям.
Производство информации, нужной для составления расчетной схемы, предполагает размещение пунктов ее получения (горных выработок, буровых скважин, мест отбора образцов и др.) по тем сечениям, по которым ведут расчет основания, по осям или контурам сооружения, на глубину сферы взаимодействия. Таким образом, в процессе детальной инженерно-геологической разведки реализуется положение о размещении работ в соответствии с конструктивными соображениями, точнее, исходя из условий проведения расчета основания. Объем опробования, число образцов (скважин) рассчитывают, учитывая требуемую нормативами доверительную вероятность используемой в расчете оценки среднего значения показателя.
В состав детальной инженерно-геологической разведки включают опытные гидрогеологические и инженерно-геологические работы, позволяющие определить гидрогеологические параметры и показатели сжимаемости и прочности грунтов основания. При детальной разведке участков размещения сооружений I и II класса капитальности используют: статические нагрузки на штампы, прессиометрию (показатели сжимаемости), вращательный срез в скважинах, круговой срез, раздавливание, выпирание и обрушение призм, сдвиг целиков (показатели прочности). При проектировании свайных фундаментов проводят статическое зондирование и испытания натурных свай. В результате прессиометрических испытаний грунтов вносят поправку на коэффициент анизотропности, а компрессионный модуль деформации корректируют с учетом данных испытаний грунтов штампами [26].
В процессе гидрогеологических работ устанавливают положение УГВ, отбирают пробы воды для определения химического состава, агрессивности, коррозионных свойств, определяют гидрогеологические параметры. Для этого проводят гидрогеологические наблюдения в скважинах, гидрогеологическое опробование, опытные гидрогеологические работы. По результатам детальной разведки составляют инженерно-геологическое заключение. Оно включает: пояснительную записку; формализованные инженерно-геологические разрезы по расчетным сечениям предполагаемой сферы взаимодействия; сводную таблицу оценок средних значений показателей свойств грунтов, характеризующих выделенные инженерно-геологические элементы; таблицу гидрогеологических параметров.
При проведении инженерно-геологических изысканий для проекта застройки микрорайонов, жилых комплексов в сейсмически активных районах уточняют сейсмическую активность выбранной площадки путем проведения инструментальных наблюдений и составляют крупномасштабную карту сейсмического микрорайонирования (1 : 5000).
При проведении предварительной разведки строительных площадок, сложенных просадочными лёссовыми породами, большое внимание обращается на выявление просадочности, на ее пространственную изменчивость в плане и по глубине. Наряду с определением просадочных свойств грунтов в лабораторных условиях производятся полевые работы по определению просадочности: испытания штампами, прессиометрические испытания лёссовых грунтов прессиометрами специальной конструкции, опытные замачивания котлованов.
Если строительная площадка расположена на заболоченной территории, то в задачи предварительной разведки входят: выявление мощности болотных отложений и рельефа минерального дна, установление типа болот и условий их образования; определение свойств торфа (сапропелей) — степень разложения, водоотдача, деформационные и прочностные свойства.
При проведении инженерно-геологических изысканий на площадках, в пределах которых развит карстовый процесс, следует использовать геофизические методы. Они позволяют выявить пространственное размещение, размеры и ориентировку карстовых полостей, определить направление движения подземных вод и их скорость. Материалы предварительной разведки должны освещать следующие вопросы: условия и причины, возраст, интенсивность и пространственное распространение карстового процесса; прогноз процесса при строительстве и эксплуатации сооружений.
В районах развития оползневого процесса с помощью инженерно-геологических изысканий выявляют: распространение процесса, его внешние и внутренние условия и причины возникновения, механизм. Данные изысканий должны быть достаточными для оценки устойчивости территории в связи с проектируемым строительством и оценки эффективности существующих противооползневых мероприятий. В процессе разведки на оползневых телах реализуют створы разведочных выработок, в которых проводят опытные работы (определение прочностных характеристик, поровое давление, гидрогеологические наблюдения) и опробование грунтов. Выполняют опытные инженерно-геологические и геофизические исследования с целью установления положения поверхности отделения (скольжения) и показателей свойств.
Инженерно-геологические изыскания на площадках, сложенных искусственными грунтами, позволяют выяснить вопросы происхождения (отсыпанные, намытые), возраста, строения, мощности и свойств искусственных грунтов, их пространственной изменчивости. Следует указать на важность правильной оценки возраста искусственных грунтов, который тесно связан с их свойствами. Так, на одной из площадок в районе г. Тольятти модуль деформации намытых среднезернистых песков за 5 лет увеличился с 10 до 58 МПа, а сопротивление сдвигу за тот же период возросло с 0,025 до 0,13 МПа.
В районах распространения многолетнемерзлых пород инженерно-геологические изыскания проводят в соответствии с нормативами на проектирование оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах (СП 11-105-97). Инженерно-геологические работы должны осветить следующие вопросы: распространение и мощность многолетнемерзлых пород, глубина и режим сезонного протаивания-промерзания, температура пород, показатели свойств мерзлых, оттаивающих и талых грунтов, распространение криогенных процессов. На основании этой информации принимаются решения по использованию грунтов основания и разрабатываются мероприятия по управлению температурно-влажностным режимом мерзлых грунтов и по борьбе с термокарстом, наледями, пучением и другими криогенными процессами.