Инженерно-геологические изыскания для определения характеристик грунтов и оснований - Геология - Скачать бесплатно
СОДЕРЖАНИЕ.
ВВЕДЕНИЕ.
1. Происхождение грунтов.
2. Составные части грунтов.
3. Виды воды в грунтах и их свойства.
4. Физико-механические свойства грунтов.
ИНЖЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ.
1. Буровые работы.
1. Назначение буровых скважин.
2. Типовые конструкции инженерно-геологических скважин.
3. Классификация буровых скважин.
4. Особенности и область применения различных способов бурения
скважин.
5. Рекомендации по рациональному использованию различных способов
бурения.
6. Общие положения о геологической документации и отборе образцов при
проведении буровых работ.
2. Статическое зондирование.
3. Отбор проб грунтов для лабораторных исследований.
Правила отбора проб.
Консервирование монолитов.
ЛИТЕРАТУРА.
ВВЕДЕНИЕ
1.Происхождение грунтов.
Магматические горные породы образовались в результате остывания магмы,
а также в результате горнообразовательных процессов. Вследствие физического
и химического выветривания они постепенно превращались в рыхлые горные
породы. Раздробленные частицы горных пород перемещались в пониженные части
поверхности земли, где откладывались, образуя осадочные горные породы. Если
в процессе горообразования они оказались близко к поверхности земли, то под
воздействием химического выветривания образовывали крупноскелетные или
мелкодисперсные грунты.
Грунтами строители называют верхние слои коры выветривания литосферы и
относят к ним скальные, полускальные и рыхлые горные породы.
В большинстве случаев верхние слои земной коры сложены
крупнообломочными, песчаными, пылевато-глинистыми, органогенными и
техногенными грунтами. Ниже поверхности земли эти дисперсные грунты имеют
почти повсеместное распространение. Большая часть дисперсных грунтов
образовалась в результате накопления продуктов физического и химического
выветривания. Некоторые грунты возникли вследствие отложения органических
веществ (например, торф), а также в результате искусственной отсыпки или
намыва различных материалов (техногенные отложения). В процессе физического
выветривания образовались крупнообломочные и песчаные грунты. Результатом
химического и частично биологического выветривания являются минералы,
составляющие мелкодисперсную часть пылевато-глинистых грунтов.
2.Составные части грунтов.
В большинстве случаев грунты состоят из трех компонентов: твердых
частиц, воды и воздуха (или иного газа), т. е. составные части грунта
находятся в трех состояниях: твердом, жидком или газообразном. Соотношение
этих компонентов обусловливает многие свойства грунтов.
Если грунт состоит из твердых частиц, все поры между которыми заполнены
водой, то он является двухфазной системой. В большинстве случаев в грунте
кроме твердых частиц и воды имеется воздух или иной газ, либо растворенный
в воде, либо находящийся в виде пузырьков. Такой грунт является трехфазной
системой.
В мерзлом грунте, кроме того, содержится лед. Он придает грунту
специфические свойства, которые приходится учитывать, особенно при
строительстве в районах распространения вечномерзлых грунтов. Мерзлый грунт
является четырехфазной системой.
В некоторых грунтах присутствуют органические вещества в виде
растительных остатков или гумуса. Наличие даже сравнительно небольшого
количества таких веществ в грунте существенно отражается на его свойствах.
3.Виды воды в грунтах и их свойства.
Вода в пылевато-глинистых грунтах в значительной степени предопределяет
свойства грунта, которые зависят в первую очередь от ее относительного
содержания.
Наличие между частицами пылевато-глинистого грунта связанной воды
определяет ее пластичность. При этом, чем толще пленка воды, тем меньше
прочность грунта, и наоборот. Изменение толщины пленок воды приводит к
изменению его состояния от почти жидкого до твердого.
Увлажнение пылевато-глинистого грунта приводит к увеличению толщины
пленок воды между частицами и сопровождается увеличением объемов грунта.
4.Физико-механические свойства грунтов.
Зерновой (гранулометрический) состав. Под зерновым составом содержание
по массе групп частиц грунта различной крупности по отношению к общей массе
абсолютно сухого грунта. По данным зернового состава породы может быть
получена приблизительная характеристика водопроницаемости песчаных пород;
по тем же данным могут быть даны оценка возможности вымывания мелких
песчаных частиц породы из-под основания сооружений и другие
приблизительные показатели. На основании данных анализа зернового состава
может быть дана оценка пород в качестве материала для бетона, земляных
плотин, дамб и др.
Для определения зернового состава применяются следующие виды анализа:
. Механический анализ производят путем разделения пород на ряд
фракций, которые отличаются диаметром частиц. После разделения на
фракции определяют процентное содержание частиц каждой фракции в
исследуемой породе.
. Ситовый анализ заключается в просеивании частиц через набор сит с
отверстиями различного диаметра. Этот способ служит для анализа
песков.
. Метод Сабанина, основанный на принципе разделения фракций по
скорости падения частиц, взвешенных в спокойной жидкости, служит
для определения глинистых и пылеватых песчаных пород.
. Пипеточный метод, принцип которого заключается в отборе пипеткой
проб частиц, не успевших в определенные сроки осесть в процессе
отстаивания; применяется для анализа глинистых пород.
. Ареометрический метод заключается в измерении специальным
ареометром плотности взмученных в воде частиц породы, изменяющейся
по мере осаждения их в водной среде.
. Метод Рутковского, основанный на способности глинистых фракций
набухать в воде и на различной скорости падения частиц в воде в
зависимости от их размеров. Пользуясь этим методом, можно выделить
в породе три группы фракций: глинистую, пылеватую и песчаную.
Механический анализ применяется для связных и несвязных пород, имеющих
размер частиц не свыше20 мм.
Плотность и пористость породы являются важной физической
характеристикой. Плотность породы есть отношение массы породы, включая
массу воды в ее порах, к занимаемому этой породой объему.
Плотностью частиц грунта называют отношение массы сухого грунта к
объему твердой части этого грунта. Плотность частиц грунта у горных пород
изменяется в пределах от 2,6 до 2,75 г/см3 и для каждой группы пород
определяется только ее минералогическим составом. Величина плотности
зависит от минералогического состава, влажности, пористости.
Пористость пород представляет собой пустоты или свободные промежутки
между минеральными частицами, составляющими породу. Пористость n обычно
выражают в виде процентного отношения объема пустот к общему объему породы.
Влажностью породы называют отношение массы воды, содержащейся в порах,
к массе сухой породы. Влажность породы является очень важной
характеристикой физического состояния породы, определяющей ее прочность и
другие свойства при использовании в инженерных целях.
Пластичностью называют способность породы изменять под действием
внешних сил свою форму, т. е. деформироваться без разрыва сплошности и
сохранять полученную форму, когда действие внешней силы прекратилось.
Деформируемость глинистых пород под действием давления зависит от их
консистенции (относительной влажности). Для того, чтобы выразить в числовых
показателях пределы влажности породы, при которой она обладает
пластичностью, введены понятия о верхнем и нижнем пределах пластичности.
Нижним пределом пластичности называется такая степень влажности
глинистой породы, при которой глинистое тесто, замешанное на
дистиллированной воде, при раскатывании его в жгутик диаметром в 3 мм
начинает крошиться вследствие потери пластических свойств.
Верхним пределом пластичности называется такая степень влажности
глинистой породы, при которой глинистое тесто, положенное в чашку и
разрезанное глубокой бороздой, сливается после трех легких толчков чашки
ладонью. При большей степени влажности тесто течет без встряхивания или при
одном или двух толчках.
Набуханием называется способность глинистых пород при насыщении водой
увеличивать свой объем. Возрастание объема породы сопровождается развитием
в ней давления набухания. Набухание зависит от содержания в породе
глинистых и пылевых частиц и их минералогического состава, а также от
химического состава воды.
Набухание учитывают при строительных работах. Явление набухания породы
наблюдается в котлованах, выемках, а также при строительстве плотин и
водохранилищ, когда изменяются гидрогеологические условия района сооружений
и увеличивается влажность пород за счет вновь поступающей воды.
Усадкой породы называется уменьшение объема породы под влиянием
высыхания, зависящее от ее естественной влажности: чем больше влажность,
тем больше усадка.
Размоканием называется способность глинистых пород в соприкосновении со
стоячей водой терять связность и разрушаться - превращаться в рыхлую
массу с частичной или полной потерей несущей способности. Размокание породы
имеет большое значение для характеристики ее строительных качеств. Скорость
размокания пород определяет степень ее устойчивости под водой.
Для характеристики размокания пород обычно используют два показателя:
время размокания, в течение которого образец породы, помещенный в воду,
теряет связность и распадается на структурные элементы разного размера;
характер размокания, отражающий качественную картину распада образца
породы.
Большая часть пород с кристаллизационными ионно-ковалентными
структурными связями является практически неразмокаемой. В
противоположность им дисперсные породы (у них эти связи отсутствуют)
размокают. Плотные суглинки и глины, не размокающие в воде, размываются
лишь при длительном воздействии текучей воды. Размокаемые связные породы,
характеризующиеся слабыми структурными связями, размываются быстро, причем
их размываемость обусловливается сопротивлением размоканию.
Сжимаемость.
Глинистые породы под влиянием нагрузки деформируются не разрушаясь.
Свойства деформации характеризуются модулем деформации, коэффициентом
Пуассона, коэффициентами сжимаемости и консолидации, модулями сдвига и
объемного сжатия.
Деформационные свойства дисперсных грунтов определяются их сжимаемостью
под нагрузкой, обусловленной смещением частиц относительно друг друга и
соответственно уменьшением объема пор, вследствие деформации частиц породы,
воды, газа.
При определении сжимаемости грунтов различают показатели,
характеризующие зависимость конечной деформации от нагрузки и изменение
деформации грунта во времени при постоянной нагрузке. К первой
характеристике показателей относятся коэффициент уплотнения, коэффициент
компрессии, модуль осадки , ко второй – коэффициент консолидации.
Сцепление. Сопротивление грунтов сдвигу – их важнейшее прочностное
свойство, знание которого необходимо для решения инженерно-геологических
задач. Под действием некоторой внешней нагрузки в определенных зонах грунта
связи между частицами разрушаются, и происходит смещение одних частиц
относительно других – грунт приобретает способность неограниченно
деформироваться под данной нагрузкой. Разрушение грунта происходит в виде
перемещения одной части массива относительно другой.
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ
В процессе проведения инженерно-геологических изысканий изучению
подлежат грунты как основания, среда или материал будущих сооружений,
заключенные в грунтах подземные воды, различные физико-геологические
процессы во всех формах их проявления.
1. БУРОВЫЕ РАБОТЫ.
Наиболее трудоемким, дорогостоящим и длительным по времени видом работ
при инженерно-геологических изысканиях являются буровые работы.
1.1. Назначение буровых работ.
К буровым работам относятся сооружение скважин инженерно-
геологического назначения любого диаметра и глубины, которое осуществляется
преимущественно механическим способом. Сооружение скважин помимо основного
процесса – бурения скважин – включает в себя ряд вспомогательных работ:
планировка площадки, монтаж и демонтаж вышки или мачты и другого бурового
оборудования, приготовление промывочного агента, погружение и извлечение
обсадных труб и др.
Под буровой скважиной понимается горная выработка, имеющая
цилиндрическую форму и значительную длину при сравнительно малом диаметре.
При инженерно-геологических изысканиях отношение длины к диаметру находится
в пределах 0,2 – 0,001.
Буровые скважины на изысканиях проходятся для изучения геологического
разреза, отбора образцов грунта с целью определения его состава, состояния
и физико-механических свойств.
Задачи, решаемые с помощью бурения, определяют ряд специфических
требований к этому процессу. Эти требования существенно отличаются от
поисков и разведки полезных ископаемых, изучения и освоения подземных вод.
Сопоставляя геологоразведочное и инженерно-геологическое бурение,
необходимо отметить, что техническая база для них общая. Однако, располагая
общей технической базой, инженерно-геологическое и геологоразведочное
бурение преследуют различные цели и решают различные задачи. Эти различия
сводятся к следующему.
Объектом инженерно-геологического бурения является верхняя часть земной
коры, находящаяся в зоне взаимодействия с инженерными сооружениями, для
проектирования которых и осуществляется это бурение. Средняя глубина
инженерно-геологических скважин составляет 10-15 метров. При
геологоразведочном бурении средняя глубина скважин на порядок выше. Поэтому
основной объем инженерно-геологического бурения осуществляется в нескальных
грунтах, геологоразведочного – в скальных.
Образцы (керн), извлеченные в процессе геологоразведочного бурения,
изучаются в основном с точки зрения их состава, при инженерно-геологическом
бурении в равной мере является важным состав поднятых образцов, их
состояние и свойства.
Перечисленные особенности предъявляют к технологии бурения инженерно-
геологических скважин дополнительные требования. В результате инженерно-
геологического бурения необходимость определения показателей состава,
состояния и свойств массива грунта определяет широкое применение
грунтоносов для отбора монолитов, что совершенно нехарактерно для
геологоразведочного бурения. Сравнительно небольшая глубина при инженерно-
геологическом исследовании делает возможным применение здесь методов
зондирования, которые принципиально не отличаются от бурения. При
геологоразведочных работах эти методы практически не применяются.
Основными требованиями к скважинам инженерно-геологического назначения
являются: 1) получение исчерпывающих сведений о геологическом и
гидрогеологическом строении исследуемых территорий, 2) получение
достаточных и достоверных данных о физико-механических свойствах грунтов,
3) обеспечение возможности производства опытных работ с должным качеством
как в процессе, так и по окончании бурения.
К наиболее важным особенностям инженерно-геологических скважин могут
быть отнесены следующие:
. небольшая глубина (определяется видом проектируемого сооружения и
геологическими условиями);
. незначительное различие в диаметрах скважин; диаметр скважин
определяется только видом и характером опробования;
. из скважин производится непрерывный отбор керна, при этом должен
обеспечиваться 100%-ный выход керна;
. из скважин должен производится непрерывный или поинтервальный отбор
образцов (монолитов) грунта со сложением, близким к природному;
. в скважинах проводятся различные опытные работы, которые по времени
бывают более продолжительные, чем сам процесс бурения;
. по завершении работ в обязательном порядке должен производится
тампонаж скважин с целью ликвидации искусственных каналов и пустот для
циркуляции грунтовых вод;
. чрезвычайное разнообразие условий бурения скважин, разбросанность
объектов изысканий.
Это особенности являются необходимыми исходными предпосылками при
разработке специализированных технических средств, технологических приемов
бурения и организации буровых работ.
1.2. Типовые конструкции инженерно-геологических скважин.
Требования к конструкции инженерно-геологических скважин состоят в
следующем:
1) конструкции скважин должны отвечать современному состоянию
производства изысканий и возможному их техническому прогрессу. В частности,
следует учитывать более широкие применения в изысканиях полевых методов,
возможное совершенствование техники и технологии отбора монолитов за счет
внедрения нормального ряда грунтоносов, более широкое использование
каротажных методов, нового опытно-фильтрационного оборудования.
2) конструкции скважин должны учитывать существующие нормативно
методические документы (стандарты, СНиПы, инструкции, указания и
рекомендации). В соответствии с ГОСТ 12071-72 должны использоваться
грунтоносы с внутренним диаметром не менее 90мм. Следовательно, диаметр
скважин, предназначенных для отбора монолитов, должен быть не менее 127 мм.
В соответствии с ГОСТ 12374-77 площадь штампа для испытаний грунтов
статической нагрузкой должна быть равна 600см2. поэтому минимальный диаметр
скважин для производства таких испытаний должен быть не менее 325мм.
3) конструкции скважин должны учитывать современное техническое
оснащение изысканий буровыми станками и другим оборудованием.
4) конструкции скважин должны учитывать возможность применения
прогрессивных способов бурения.
1.3. Классификация буровых скважин.
Основная задача классификации состоит в обоснованном и рациональном
выделении таких групп скважин, которые требуют единых технических способов
и средств для их проходки, методов и средств их опробования.
На выбор конструкции скважины, способа бурения, типа бурового станка,
инструмента и режима проходки скважины решающее влияние оказывают следующие
основные факторы:
- назначение буровых скважин;
- проектная глубина бурения;
- крепость пород и их устойчивость против обрушения стенок;
- географические условия проведения буровых работ.
Назначение буровых скважин.
По назначению скважины подразделяются на а) зондировочные, б)
разведочные, в) гидрогеологические, г) специального назначения.
Назначение инженерно-геологических скважин, их диаметры и правила
отбора образцов представлены в таблице.№1
|Тип скважин по |Диаметр |Назначение скважины |Цель отбора
образцов и виды |Правила отбора |
|назначению |скважины, мм| |работ в
скважинах |образцов при бурении |
|1 |2 |3 |4
|5 |
| | |Для предварительного изучения |Ориентировочная
геологическая|Образцы нарушенного |
| | |геологического разреза, для |документация.
Опытные работы |сложения отбираются |
| | |установления границ между |в скважинах, как
правило, не |непрерывно или через |
| | |нескальными и скальными |производятся.
|определенные |
| | |грунтами, границ |
|интервалы. |
| | |распространения насыпных и |
| |
|Зондировочные |33-127 |заторфованных грунтов, а также |
| |
| | |границ залегания мерзлых |
| |
| | |грунтов, для определения уровня|
| |
| | |грунтовых вод и др. |
| |
| | |Зондировочные скважины являются|
| |
| | |преобладающими на начальных |
| |
| | |этапах изысканий. |
| |
| | |Для детального изучения |Образец грунта
(керн), |Образцы нарушенного |
| | |геологического разреза. |извлекаемый из
скважины, |сложения отбираются |
| | | |служит для
определения всех |непрерывно. |
| | | |особенностей
геологического |Допускается отбор |
| | |
|
