Полевые опытные работы при инженерно-геологических исследованиях

Назначение и состав полевых опытных работ. Для проектирования различных сооруженийи инженерных работ, оценки устойчивости территорий и для прогноза угрожаемости развития геологических процессов и явлений всегда необходимы данные, характеризующие физические, водные и механические свойства горных пород и параметры водоносных горизонтов.

Эти данныех сравнительно легко получают при выполнении соответствующих лабораторных исследований образцов (проб), отобранных при инженерно - геологической съемке территорий, и главным образом при выполнении разведочных работ.

Однако лабораторные исследования обычно выполняются на образцах малых размеров, полную сохранность естественного сложения которых никогда нельзя гарантиро­вать. Поэтому получаемые лабораторные данные, особенно для обоснования технического и рабочего проектов ответственных сооружений, необходимо проверять и уточнять более надежными полевыми методами. Кроме того, во многих случаях отобрать про­бы горных пород естественного сложения вообще бывает невоз­можно.

Так, например, современными техническими средствами не представляется возможным отобрать пробы естественного сло­жения из мягких связных глинистых пород неустойчивой текучей консистенции, из несвязных песчано-гравелистых пород рыхлого сложения, из водоносных песков-плывунов, из трещиноватых скальных и сильно трещиноватых полускальных пород и некото­рых других.

Все это вызывает необходимость выполнять специаль­ные полевые исследования горных пород и водоносных горизонтов в условиях их естественного залегания на опытных участках с по­мощью крупномасштабных приборов и установок.

Следовательно, полевые опытные работы выполняются с целью получения более достоверных и надежных данных, характеризующих физико-механические свойства горных пород и водные свой­ства водоносных горизонтов. Только на основе таких данных можно при проектировании сооружений принимать оптимальные и эконо­мически наиболее выгодные инженерные решения и гарантировать строительство и устойчивость сооружений от возможных геологических неожиданностей.

Необходимость в выполнении полевых опытных работ дик­туется также и тем, что только в результате их выполнения можно получить многие исходные данные о свойствах горных пород, водо­носных горизонтов и об условиях производства строительных и горных работ. Например, надежные данные для расчета свайных фундаментов, оценки устойчивости сооружений на скальных и от­части полускальных горных породах, для проектирования противофильтрационных завес и многих других видов искусственного улучшения свойств горных пород.

К ним относятся данные о водообильности водоносных горизонтов, удельном дебите скважин удельном водопоглощении горных пород, зависимости прочности и деформируемости горных пород от их физического состояния, зависимости водопроницаемости горных пород от степени их трещиноватости и закарстованности и др. Наконец, только с помощью полевых опытных работ можно выявлять важные закономерности, определяющие те или иные изменения свойств горных пород или развитие геологических процессов.

Таким образом, полевые опытные работы являются важнейшим видом инженерных изысканий. Переоценить их значение при ре­шении различных инженерных задач невозможно. Они позволяют:

· получать наиболее надежные и достоверные количественные ха­рактеристики свойств горных пород и водоносных горизонтов в условиях естественного сложения и залегания;

· исследовать свойства слабых, неустойчивых, водоносных горных пород, изуче­ние которых другими методами невозможно;

· выявлять важные закономерности изменений свойств горных пород и развития геоло­гических процессов;

· определять исходные параметры для проек­тирования организации производства отдельных видов строитель­ных работ.

В практике инженерно-геологических изысканий полевые опытные работы наиболее часто выполняют для исследования:

· направления и скорости движения подземных вод методами запуска индикаторов, электрометрическим, заряженного тела и др.;

· водообильности водоносных горизонтов и дебита скважин, ко­лодцев и других водозаборов методом опытных откачек;

· водопро­ницаемости горных пород методом опытных откачек;

· взаимо­связи между водозаборами и водоносными горизонтами методом опытных откачек;

· водопроницаемости горных пород методом налива в шурфы и скважины;

· водопроницаемости, трещиноватости и закарстованности горных пород методом опытных нагне­таний;

· сравнительной сжимаемости и деформационных свойств горных пород методом пробных нагрузок;

· деформационных свойств горных пород в скважинах с применением прессиометра;

· просадочности лёссовых пород методом пробных нагрузок;

· сопротивления горных пород сдвигу по методу плоского сдвига;

· сопротивления горных пород сдвигу в скважинах с применением лопастных приборов;

· сопротивления горных пород сдвигу методом выдавливания и раздавливания целиков горных пород;

· плотности и прочности горных пород методом статического зондирования;

· плотности и прочности горных пород методом динамического зондирования;

· напряженного состояния горных пород в условиях естественного залегания методом разгрузки;

· горного давления в подземных выработках;

· устойчивости горных пород в опытных котлованах и горных выработках;

· скорости выветривания горных пород на опытных площадках;

· параметров, характеризующих условия цементации горных пород методом опытной цементации.

Первые четыре вида исследований производятся для характеристики водоносных горизонтов, зон и комплексов, все остальные для изучения физического состояния и определенных свойств горных пород.

Некоторые виды геофизических работ, по существу, также являются полевыми опытными, широкоприменяемыми при инженерно-геологических исследованиях.

Например, определение плотности и влажности горных пород ядерными методами, исследование деформационных свойств горных пород сейсмическими и микросейсмическими методами и др.

При решении тех или иных конкретных инженерных задач в зависимости от особенностей геологических условий могут применяться и другие, новые виды полевых опытных работ, внедрение которых надо всячески поддерживать. Из сказанного следует, что значение полевых опытных работ огромно, но из этого совершенно не следует делать вывод о том, что можно пренебрегать данными лабораторных исследований физико - механических свойств горных пород и что их значение мало при решении инженерных задач.

Данные лабораторных исследований также имеют большое значение на всех стадиях инженерных изы­сканий. При ла­бораторных исследованиях можно получать массовые определения свойств горных пород, причем стоимость их несопоставимо мала по сравнению со стоимостью выполнения полевых опытных работ.

Особенно большое значение лабораторные исследования имеют для оценки свойств мягких (связных) глинистых пород и рыхлых (несвязных) песчаных и несравненно меньшее для оценки свойствтвердых (скальных) и полутвердых (полускальных) пород. При рациональной организации инженерных изысканий, особенно на стадии детальных исследований при обосновании проектов от­ветственных сооружений, полевыми опытными работами следует сопровождать массовые лабораторные исследования с целью их проверки и уточнения.

Положение полевых опытных работ в общем комплексе геологических работ при инженерных изысканиях. Полевые опытные работы нельзя выполнять изолированно от дру­гих видов геологических работ. Если инженерно - геологи­ческая съемка, выполняемая преимущественно на начальных стадиях изысканий, и разведочные работы, выполняемые на последу­ющих стадиях, позволяют получать представления об инженерно-геологических условиях территории или строительной площадки со степенью детальности, соответствующей стадии изысканий, то полевые опытные работы дают возможность уточнять эти предста­вления и давать количественную оценку основных элементов инже­нерно-геологических условий, т.е. свойств горных пород, водонос­ных горизонтов, геологических процессов и др.

Установленные съемкой и разведкой закономерности неодно­родности и изменчивости инженерно-геологических условий тер­риторий подтверждаются и уточняются полевыми опытными ра­ботами. Таким образом последовательно повышаются достовер­ность и детальность изучения инженерно-геологических условий рассматриваемой территории.

Основной объем полевых опытных работ выполняется на стадии детальных исследований, т.е. при обосно­вании технических проектов сооружений. Эти работы как бы в пол­ном объеме сопровождают разведку и позволяют давать наиболее достоверную и надежную оценку инженерно-геологических усло­вий строительства сооружений, угрожаемости геологических про­цессов и т.д. Именно на этой стадии полевые опытные работы должны служить средством для обоснованного выбора расчетных показателей свойств горных пород, водоносных горизонтов и т.д.

На стадиях рекогносцировочных и предварительных исследований эти работы выполняются, когда они необходимы для более надеж­ного технико-экономического обоснования выбора района располо­жения первоочередного объекта строительства, выбора строитель­ной площадки, трассы дороги, основных параметров проектируе­мых сооружений и т.д.

В сравнительно значительном объеме они выполняются также и на стадии дополнительных исследований при рабочем проектировании. В этот период уточняют расчетные пока­затели, организацию производства строительных работ и оценку устойчивости сооружений. Поэтому опытные работы на этой ста­дии изысканий продолжаются, но уже непосредственно на участ­ках расположения определенных сооружений, в строительных котлованах, подземных выработках и т.д.

Рациональное сочетание полевых опытных работ с другими видами геологических работ обеспечивает комплексность инженер­ных изысканий и соответственно полное решение поставленных перед ними задач.

Общие требования к организации и поста­новке полевых опытных работ.Полевые опытные работы назы­ваются так только потому, что они выполняются в полевых усло­виях на опытных участках. Выбор мест расположения этих участков обосновывается с помощью других видов геологических работ. В этом состоит взаимосвязь полевых опытных и других геологических работ.

При рациональной организации изысканий полевые опытные работы в том или ином объеме должны сопровождать другие виды геологических работ. Инженерно-геологическая съемка, разведочные и другие геологические работы позволяют выявлять закономерности распределения неоднородности и изменчивости инженерно-геологических условий, т.е. разделять рассматриваемую территорию или строительную площадку на отдельные части разного рода, геологический разрез на разного рода слои, горизонты и зоны, а также водоносные горизонты, геологические процессы явления и т.д.

Для дальнейшего изучения и оценки каждой выделенной элементарной части слоя, горизонта и т. д. выполняются специальные полевые опытные работы. При определении мест расположения опытных участков необходимо руководствоваться дирекционностью изменений свойств горных пород, водоносных горизонтов и т.д., а также планом (компоновкой) расположе­ния проектируемых сооружений.

Опытные работы позволяют наиболее полно и точно оценивать типичные, характерные условия каждой выделенной части рассма­триваемой территории или строительной площадки, а на стадии детальных исследований - участка расположения определенных сооружений. В этом случае необходимо стремиться к тому, чтобы интерполяция и экстраполяция данных, полученных в результате проведения опытов, производились на самые малые расстояния от мест расположения проектируемых сооружений.

Полевые опыты должны проводиться так, чтобы они давали возможность исследо­вать и оценивать в первую очередь наиболее слабые горизонты и слои горных пород в зоне влияния проектируемых сооружений, т. е. те, которые определяют устойчивость всей вышележащей толщи пород, проектируемого сооружения или участка терри­тории.

Вид опытных работ определяется теми задачами, которые при­ходится решать в связи с оценкой устойчивости территории при проектировании конкретного сооружения или инженерных работ.

Так как горные породы обладают некоторой изменчивостью со­става, состояния и свойств в пространстве, нельзя руко­водствоваться единичными испытаниями (опытами), их следует повторять в количествах, достаточных для получения достоверной и надежной характеристики и оценки пород. При изучении от­дельных процессов и явлений опытные работы, кроме того, надо повторять в характерные периоды режима их развития.

Основные общие требования к организации и поста­новке полевых опытных работ сводятся к следующему.

Каждый полевой опыт следует проводить для решения опре­деленной конкретной задачи, связанной с характеристикой и оцен­кой устойчивости территорий, сооружений, определенных свойств горных пород, водоносных горизонтов, условий производства строительных и горных работ.

Выбор каждого опытного участка или группы их следует производить так, чтобы получать характеристику и оценку наи­более характерной, типичной части исследуемой территории или строительной площадки. На стадии детальных и дополнительных исследований опытные работы надо выполнять на участках непо­средственного расположения сооружений с целью изучения опре­деленного слоя, горизонта или зоны горных пород, водоносного горизонта и т. д.

Необходимо знать в деталях геологический разрез - геоло­гическое строение каждого опытного участка. Пространственное положение, глубину залегания и мощность каждого слоя и гори­зонта, которые намечено исследовать полевыми методами, необхо­димо устанавливать точно, инструментально.

Виды опытных работ и методика их проведения должны максимально приближаться к условиям развития процессов и яв­лений (моделировать их) как природных, так и связанных со строи­тельством сооружений, к условиям работы горных пород под на­грузкой, режиму и динамике подземных вод и т.д.

Полевые опытные работы должны сопровождать другие виды геологических работ, и в том числе массовые лабораторные иссле­дования, с целью проверки, уточнения и количественной оценки свойств горных пород, водоносных горизонтов, для решения дру­гих конкретных задач и более надежного обоснования расчетных показателей.

Исследование водоносных горизонтов, зон и комплексов. Подземные воды, приуроченные к определенным горизонтам, зонам и комплексам горных пород, являются одним из важнейших природных элементов, определяющих инженерно-гео­логические условия территорий, строительных площадок, условия строительства сооружений и их устойчивость, развитие разнооб­разных геологических процессов и явлений и т.д.

При решении различных задач на всех стадиях инженерных изы­сканий, кроме изучения распространения, условий залегания и других данных о подземных водах, большое внимание приходится уде­лять количественной характеристике и оценке водоносных гори­зонтов, зон и гидрогеологических комплексов.

При разработке котлованов и проходке подзем­ных выработок очень важно знать, количественная оценка водообильности водонос­ных горизонтов, которые будут вскрыты. Без этого нельзя обосно­ванно выбрать водоотливные средства необходимой мощности или осуществить защиту сооружений другими способами от водопритоков и затопления.

При проектировании осушения территорий и толщ горных пород необходимо иметь данные о направлении подземного потока, водопроницаемости горных пород, радиусе влияния отдельных водозаборов и др. Эти же данные необходимы для проектирования противофильтрационных завес и осуществления мероприятий по искусственному улучшению свойств горных пород.

При оценке и прогнозе развития суффозии, явлений кольматации, соляного карста необходимы данные об истинных скоростях движения подземных вод. В общем при инженерных изысканиях почти всегда необходимо уделять большое внимание количественной характеристике и оценке водообильности водоносных горизонтов, зон и комплексов, водопроницаемости горных пород, их уровнепроводности или пьезопроводности и водоотдаче, изучению направления и скорости движения подземных вод, радиуса влияния водозаборов или водопонизительных установок, их взаимодействия, взаимосвязи водоносных горизонтов и т.д.

Определение всех этих параметров водоносных горизонтов обычно производят методами опытных откачек из одиночных скважин или на опытных, участках, состоящих из центральной опытной скважины и нескольких наблюдательных.

Применяются и некоторые другие методы, например для определения скорости движения подземных вод, методы запуска красителей, электрометрический, геофизический метод заряженного тела и др. Каждый специалист в области инженерной геологии обязан знать методы выполнения этих работ и владеть ими.

Исследование водопроницаемости горных по­род методами налива воды в шурфы и скважины. Одним из широко применяемых полевых методов исследования водопроницаемости однородных приповерхностных горизонтов (до глубины 3…5 м) песчано-гравийно-галечных и глинистых пород зоны аэрации (ненасыщенных водой), является испытание их на инфиль­трацию. Таким испытаниям могут подвергаться также скальные и полускальные породы в зоне выветривания, а теоретически – и вне ее.

Инфильтрацией принято называть явление просачивания воды в горную породу под влиянием ее собственного веса в отличие от фильтрации, т.е. движения воды в пористых водоносных горных породах. Сущность методов испытаний горных пород на инфиль­трацию состоит в следующем. В шурфе на необходимой глубине устраивают зумпф круглого сечения диаметром 35…50 см, глуби­ной 15…20 см. В неустойчивых породах стенки зумпфа крепят металлическим цилиндром высотой 20…25 см. Наливая в зумпф воду и поддерживая ее уровень постоянным (10…15 см) путем непрерывной подачи воды, наблюдают за ее расходом на просачивание - инфильтрацию в дно зумпфа. При подаче воды в зумпф не допускают размыва пород и нарушения их сложения. Под дном зумпфа образуется зона увлажнения или, точнее, практического насыщения пород, форма и размеры которой изменяются в зависимости от свойств пород и продолжительности их испытаний на инфильтрацию.

Процесс инфильтрации воды происходит в согласно закону Дарси , где V скорость движения воды, равная Q/F, м/сутки; Q - рас­ход воды, л/мин; F - площадь поперечного сечения зумпфа, м²; K_ф - коэффициент фильтрации, м/сутки; J - гидравлический градиент. При практически установившемся (мало изменяющемся) расходе воды на инфильтрацию и малой высоте слоя воды в зумпфе путь фильтрации воды l и напор Н почти одинаковы и соответственно гидравлический градиент равен единице. Поэтому коэффициент фильтрации K_ф будет равен скорости движения воды при инфиль­трации.

Метод определения водопроницаемости ненасыщенных грунтов с помощью инфильтрации воды из шурфа предложил А.К. Болдырев. Этот метод заключается в следующем. В испытуемой породе выкапывают шурф, у бровки которого устанавливают два сосуда емкостью по 10-20 л., из которых на дно шурфа по опущенной вниз трубке непрерывно подается вода. Уровень воды в шурфе все время должен оставаться постоянным – около 10 см над дном. Опыт продолжается до тех пор, пока расход воды не станет более или менее постоянным.

Затем определяют количество воды, поступающей в шурф в единицу времени, для чего по опытным данным строят кривую Q =f(t). Считая гидравлический уклон равным единице, вычисляют коэффициент фильтрации по формуле:

.

Методом Болдырева можно пользоваться в тех случаях, когда требуется определить приближенное значение коэффициента фильтрации в песчаных и трещиноватых породах, где влияние капиллярных сил незначительно.

Н.С. Нестеров усовершенствовал метод Болдырева по определению коэффициента фильтрации ненасыщенных грунтов, уменьшив влияние бокового растекания воды. При проведении опыта по методу Н.С. Нестеровав спланированное дно шурфа на глубину 5-8см, не нарушая плотности грунта, концентрически вдавливают два стальных цилиндра высотой 20 см, один несколько меньше другого по диаметру (рис. 3.2.)

 

 

Рис. 3.2. Общий вид опытной установки по методу Н.С. Нестерова:

1 – мерная линейка; 2 – бутыль; 3 – слой гравия; 4 – внутреннее кольцо; 5 – внешнее кольцо

В оба цилиндра наливают воду слоем 10 см и поддерживают на одном уровне в течение опыта с помощью двух опрокинутых сосудов Мариотта, емкостью по 3…5 л, наполненных водой. Опыт продолжается до стабилизации расхода воды.

Метод Н.С. Нестерова дает более точные результаты определения коэффициента фильтрации, чем метод А.К. Болдырева. Метод Н.С.Нестерова позволяет оценивать водопроницаемость песчаных, супесчаных и суглинистых пород с точностью, вполне при­емлемой для практических целей. Этот метод дает лучшие результаты в слабопроницаемых породах, когда преобладает вертикальная составляющая фильтрации.

Как показывают многочисленные работы многих исследователей, процесс инфильтрации воды в ненасыщен­ные водой горные породы отличается определенной сложностью. Значительное влияние на этот процесс оказывают растекание инфильтрационного потока, защемленный воздух, температура воды, глубина залегания грунтовых вод и водоупоров и др.

При инфильтрации воды в толще горных пород кроме гравитационных сил сил действуют также капиллярные, которые вызывают расширение зоны увлажнения ниже дна зумпфа. Происходит рас­текание инфильтрационного потока в стороны и вниз.

Наибольшее растекание наблюдается в глинистых породах, в которых капиллярные явления наиболее развиты; в грубозернистых породах оно меньше, так как в них капиллярные явления выра­жены слабо. Вследствие растекания воды площадь горизонталь­ного сечения инфильтрационного потока ниже дна зумпфа увели­чивается и соответственно изменяется его скорость.

С другой сто­роны, в однородных породах зона увлажнения постепенно вытя­гивается вниз, так как в этом направлении дей­ствие гравитационных и капиллярных сил сум­мируется. Все это искажает результаты определения водопроницаемости горных пород.

Значительное влияние на водопроницаемость оказывает воздух, находящийся в ненасыщен­ных водой породах. При длительной инфиль­трации он постепенно вытесняется или раство­ряется в воде, но не весь. Оставшиеся пузырьки воздуха в породе уменьшают живое сечение ин­фильтрационного потока и соответственно его расход.

Известны данные, показывающие, что если в породе 0,1 порового пространства за­нята защемленным воздухом, ее водопроницаемость уменьшается почти в 3 раза. На водопроницаемость горных пород определенное влияние оказывает вязкость воды, которая изменяется с изменением ее температуры.

Кроме того, если происходит инфильтрация холодной поверх­ностной воды в более теплую породу, то из воды выделяется рас­творимый воздух и общее содержание защемленного воздуха в по­роде увеличивается, а это снижает ее водопроницаемость.

Если толща горных пород неоднородна и те породы, которые испытываются на инфильтрацию, подстилаются менее водопроницаемыми, то инфильтрационный поток, достигнув их, растекается по их поверхности. В таких условиях инфильтрация бу­дет сдерживаться.

То же самое будет происходить, если инфильтрационный поток на своем пути встретит уровень грунтовых вод. Если под дном зумпфа неглубоко залегает слой необводненных, хорошо водопроницаемых пород, то они будут служить дреной для вышезалегающего слоя пород, и это будет усиливать расход потока.

Неоднородность толщ пород мо­жет существенно влиять на результаты исследований их водопро­ницаемости методом инфильтрации и соответственно на ее количественную оценку. Вот почему эти методы применимы только для исследований однородных пород значительной мощности (4-6 м) и при условии глубокого залегания уровня грунтовых вод (>5 м).

 

 

3.5. Режимные стационарные наблюдения

при инженерно-геологических исследованиях

 

Назначение режимных стационарных наблю­дений при инженерных изысканиях и их состав. Для геологиче­ского обоснования проектов сооружений иинженерных работ требуется полная характеристика инженерно-геологических ус­ловий территорий или строительной площадки, причем не только их фактического состояния, но и динамики развития, т.е. изме­нений отдельных элементов этих условий во времени.

Например, необходимо представлять, как изменяются уровни воды в реке, озере, водохранилище, уровни подземных вод и связанные с ними явления затопления и подтопления территорий, как изменяются характер и скорость развития геологических процессов, осадки и деформации сооружений и другие явления. Все такие качест­венные и количественные изменения инженерно-геологических условий территорий в целом или отдельных элементов этих ус­ловий во времени характеризуют их динамику.

Дина­мика процессов и явлений может иметь определенный режим, когда их изменения закономерны во времени и обусловлены, на­пример, климатическими, гидрологическими или в целом физико-географическими условиями.

Наблюдения за динамикой процессов и явлений на наблюда­тельных стационарах - участках, точках, пунктах - с целью выявления их закономерностей и обусловленности составляют определенный, очень важный вид геологических работ, называ­емый режимными стационарными наблюдениями. Эти наблюде­ния необходимы также для того, чтобы получать возможность предвидеть (прогнозировать) тенденцию и масштаб развития тех или иных процессов и явлений под влиянием естественных или искусственных условий.

Наблюдения за развитием процессов и явлений во времени при инженерных изысканиях обычно выполняют с целью:

· по­лучения их качественных и количественных характеристик и оценок;

· установления закономерностей развития процессов и явлений и выявления причин, их обусловливающих;

· преду­преждения опасных и катастрофических проявлений процессов;

· составления прогноза развития процессов и опасных явлений;

· обоснования необходимых мероприятий по охране геологической среды, обеспечению устойчивости сооружений жизни и деятельности людей, управлению геологическими процессам! явлениями в нужном для человека направлении. Таково главное назначение режимных стационарных наблюдений. Они имеют очень важное значение, так как во многих случаях только в результате их выполнения можно установить причины, условия и закономерности развития неблагоприятных или опасных процессов и явлений и обосновать пути и средства управления ими.

При проектировании, строительстве и эксплуатации сооружений и хозяйственном использовании территорий чаще всего приходится выполнять следующие виды режимных стационарных наблюдений:

· метеорологические и гидрологические;

· гидрогеологические;

· геотермические;

· за деформациями масс горных пород на склонах, в откосах, на оползневых участках, в подземных выработках и котлованах;

· за осадками и деформациями сооружений;

· за скоростью и характером развития процессов выветривания, эрозии, абразии, пучения горных пород, за их физическим состоянием и другими процессами и явлениями.

Роль режимных стационарных наблюдений на разных стадиях инженерных изысканий неодинакова. Основной их объем обычно производят на стадии де­тальных исследований. Режимные наблюдения дополняют другие виды геологиче­ских работ и поэтому обеспечивают полное и детальное изучение инженерно-геологических условий при решении тех или иных инженерных задач.

В небольшом объеме эти наблюдения иногда выполняют на стадиях предварительных и рекогносцировочных исследований, когда без материалов стационарных режимных наблюдений невозможно решить поставленные задачи.

Режимные наблюдения выпол­няют также при дополнительных изысканиях для обоснования рабочих чертежей и очень часто в период эксплуатации сооруже­ний и территорий, в отличие от других видов геологических ра­бот. В этом последнем состоит одна из характерных особенностей режимных стационарных наблюдений.

Метеорологические и гидрологические наблю­дения. Климат, реки, озера, водохранилища и моря могут существенно определять развитие геологических процессов и явле­ний и формирование инженерно-геологических условий террито­рий. Поэтому характеристика, оценка этих условий и прогноз их изменений во времени немыслимы без учета некоторых данных, характеризующих климат и гидрологические особенности рек и водоемов рассматриваемого района.

Из метеорологических данных первостепенное значение обычно имеют следующие данные.

1. Количество (сумма) атмосферных осадков и их распределение по временам года, в том числе высота снежного покрова в пределах разных элементов рельефа, норма осадков, коэффициент, норма и модуль стока. При характеристике распределения осадков во многих случаях важно обращать внимание на их интенсивность в летние месяцы.

2. Абсолютная и относительная влажность воздуха, влияющие на испарение и испаряемость влаги, водный баланс местности, влажностный режим горных пород в зоне аэрации и другие явле­ния.

3. Распределение температуры воздуха по отдельным пери­одам времени года, их средние, максимальные и минимальные значения, годовые, сезонные и суточные колебания.

4. Направление и скорость ветра, периоды продолжительного действия ветров господствующих направлений. Розы ветров; годовая и для характерных периодов года.

5. Глубина сезонного промерзания горных пород на разных элементах рельефа и разной их экспозиции, на поверхностях, покрытых снегом и обнаженных, в разных горных породах.

Все эти метеорологические данные, характеризующие клима­тические особенности района, можно получить из справочников, специальных изданий (ежегодники, кадастры) гидрометеороло­гической службы и на метеостанциях.

Однако иногда возникает необходимость в учете местных, локальных микроклиматических условий. В этих случаях при производстве инженерных изысканий организуют наблюдения за отдельными элементами или комплексом элементов метеороло­гических условий.

Для того чтобы обеспечить должный уровень ин­женерных изысканий, необходимо, прежде всего, строго придержи­ваться правил метеорологических наблюдений, приведенных в ука­занных наставлениях.

Для решения инженерно-геологических задач представляют интерес следующие гидрологические параметры рек и водоемов:

· уровенный режим и связанные с ним явления затопления и подтопления;

· скорости и расходы воды речных потоков. Для интересующего конкретного участка важно устанавливать зна­чения размывающих и критических скоростей потоков и макси­мальные расходы по многолетним данным;

· ледовый режим;

· минерализация, химический состав и агрессивность поверхност­ных вод;

· твердый сток, его состав и условия формирования;

· волновые явления на водоемах и их параметры (высота волн h = f (W, t,D, Н); энергия волны Е - l/8 h²L; высота вскатывания волны h_B = 3,2 kh tgα; сила удара волны P = γ_вV²/g).

Определения и роль всех этих параметров гидрологических усло­вий рек и водоемов, оказывающих влияние на развитие геоло­гических процессов и формирование инженерно-геологических условий территорий, приведены работах и руководствах по гидрологии, океанологии и др.

Сбор, обобщение и оценка гидрологических данных, а в отдельных случаях организация соответствующих наблюдений - непре­менное условие эффективности решения задач инженерных изы­сканий для обоснования проектов сооружений и инженерных работ.

При проектировании крупных объектов в состав экспедиций, выполняющих инженерные изыскания, привлекаются гидро­логи для выполнения гидрологических изысканий. Инженер-геолог должен понимать значение гидрологических данных для решения инженерных задач, уметь пользоваться ими и быть знакомым с организацией и методикой таких наблюдений.

Гидро­логические данные, включающие исходные материалы наблюдений за режимом поверхностных вод рек, озер, водохранилищ, мо­рей, болот, и их научное обобщение приведены в специальных выпусках и справочниках гидрометеорологической службы, которая в настоящее время издает новый водный кадастр, публикуемый под общим названием «Ресурсы поверхностных вод РФ».

Гидрогеологические наблюдения. Подземные воды являются важнейшим элементом инженерно-геологических условий той или иной территории. При проектировании и стро­ительстве сооружений, рациональном использовании территорий, геологической среды подземные воды всегда имеют только ин­женерно-геологическое значение.

Поэтому изучение подземных вод - их распространения, условий залегания, гидравлических особенностей, условий питания и разгрузки, запасов (ресурсов), режима, химизма и т.д. - необходимо производить на всех стадиях инженерных изысканий. Без должного учета влияния подземных вод на развитие геологических процессов и явлений, влажности и водоносности горных пород не могут быть сделаны правильная оценка инженерно-геологических условий террито­рий и прогноз их изменений.

При инженерных изысканиях изу­чение подземных вод, как и других природных элементов, должно быть само собой разумеющимся.

Такая постановка вопроса со­вершенно не исключает использование при инженерных изы­сканиях методов гидрогеологии, как и других наук, но говорить и ставить вопрос о необходимости выполнения одновременно с инженерно-геологическими исследованиями специальных гидро­геологических неправомерно и неправильно. Поэтому сле­дует обратить особое внимание специалистов по инженерной геологии на необходимость хорошей их подготовки в области гидрогеологии и на важность изучения подземных вод, их режима при инженерных изысканиях.

При инженерно-геологических исследованиях режимные стационарные гидрогеологические наблюдения приходится выполнять для решения разнообразных задач. Наиболее часто их про­изводят с целью изучения:

· положения уровня и пьезометри­ческих уровней подземных вод. В большинстве случаев особый интерес представляет установление периодов максимальных и минимальных положений уровней и пьезометров подземных вод и их обусловленность природными климатическими, гидрологи­ческими или искусственными факторами;

· условий питания подземных вод и их запасов - ресурсов;

· связи подземных вод с поверхностными водами и зависимости режима первых от режима вторых;

· взаимосвязи между отдельными горизонтами и зонами подземных вод, наличия и надежности водоупоров как местных (локальных), так и региональных;

· изменений режима под­земных вод (уровней, ресурсов, химизма и др.) под влиянием существующих водозаборов, эксплуатации сооружений и дру­гих факторов;

· изменений минерализации и химизма подземных вод;

· влияния режима подземных вод на развитие геологических процессов и явлений - подтопление и заболачивание территорий, засоление горных пород, развитие оползневых и просадочных яв­лений, изменение микросейсмических условий и др.

Перечисленные сведения о режиме подземных вод обычно поз­воляют:

- давать более обоснованную оценку инженерно-геоло­гических условий территорий;

- определять условия произ­водства строительных и горных работ, условия эксплуатации сооружений, оценивать возможные масштабы водопритоков и прорывы воды в котлованы и подземные выработки и их агрессив­ное воздействие на подземные части конструкций сооружений;

- разрабатывать рациональные мероприятия по осушению территорий, по борьбе с явлениями подтопления территорий и сооружений, по борьбе с подземными водами при проходке котлованов и подземных выработок, с потерями воды на фильтрацию, по улучшению мелиоративного состояния орошаемых земель и т. д.;

- разрабатывать рациональные мероприятия по охране окружающей геологической среды, сооружений, жизни и деятельности людей от опасного развития геологических процессов, и в том числе защите поверхностных и подземных вод от загрязнения, истощения при эксплуатации сооружений и выполнении инженерных работ.

Таким образом, режимные стационарные гидрогеологические наблюдения при инженерных изысканиях могут давать очень важ­ные материалы для технически наиболее правильного и экономи­чески выгодного решения инженерных задач. Для постановки таких наблюдений обычно используют источники, т. е. естествен­ные выходы подземных вод на поверхность, скважины, шурфы, колодцы, водозаборы, горные выработки.

В горных выработках используют определенные участки водосборных лотков, улавли­ватели, зумпфы, водоприемники, насосные станции и др. По каждому пункту наблюдений необходимо иметь точные сведения о его высотном, плановом и геологическом положении, о режиме вскрытых водоносных горизонта или зоны, находящихся под наблюдением.

Для успешного выполнения стационарных работ каждый пункт (точка) наблюдений должен быть соответствующим образом оборудован. Источники расчищены и каптированы, сква­жины и шурфы закреплены, а в отдельных случаях оборудованы уровнемерами, лимниграфами, водосливами, водомерами и дру­гими техническими средствами. На каждом пункте наблюдения устанавливают точку, сечение или уровень, от которых произ­водят то или иное измерение при наблюдениях.

При выборе пунктов наблюдений необходимо, чтобы каждый из них был расположен в типичных гидрогеологических условиях, вблизи зоны влия­ния проектируемого или эксплуатируемого сооружения или в ней, в пределах осваиваемой территории, и быть доступным в любой период времени года.

По целевому назначению и продолжительности работы различают гидрогеологические станции государственной опорной сети, функционирующие длительные периоды, и гидрогеологические станции специального назначения, организуемые на время в связи с необходимостью решения тех или иных практических задач.

На государственные гидрогеологические станции возлагаются задачи по накоплению материалов многолетних наблюдений о режиме подземных вод и установлению закономерностей в региональном масштабе, отражающих особенности гидрогеологического режима районов с различными геологическим строением и условиями питания.

На гидрогеологических станциях специального назначения, работающих в условиях воздействиях тех или иных искусственных водопонизительных устройств или инженерных сооружений (например, строительства плотин), решаются конкретные практические задачи. После этого некоторые специальные гидрогеологические станции могут быть включены в общую государственную сеть.

В процессе организации режимных наблюдений самое пристальное внимание должно быть обращено на детальное изучение геологического строения и гидрогеологических особенностей как района в целом, так и места расположения режимной станции в особенности. Наблюдательные пунктами служат скважины или шурфы.

На рис. 3.3 приведено оборудование наблюдательных скважин, применяемых при стационарных наблюдениях pа режимом подземных вод.

Основными гидрогеологическими параметрами, за изменени­ями которых обычно ведут наблюдения, являются уровни и пьезо­метрические уровни подземных вод, дебиты источников, скважин, водозаборов, расходы и притоки воды, ее минерализация, химический состав и температура.

Наблюдения ведут по установ­ленному графику, который определяется особенностями режима изучаемого водоносного горизонта или зоны, характером и ам­плитудой колебания их параметров, стадией инженерных изы­сканий и решаемыми задачами.

 

 

Рис. 3.3. Оборудование скважины при стационарных наблюдениях за колебаниями уровня грунтовых вод:

1) заглушка; 2) насыпь (глина); 3) муфта; 4) сальник пеньковый; 5) фильтр; 6) пробка.

 

График наблюдений должен обес­печивать выявление закономерностей режима подземных вод во времени (суточного, сезонного, годового, многолетнего, эпизодического) и в пространстве, в естественных условиях и нару­шенных различными искусственными факторами.

В начальный период наблюдений, когда режим подземных вод еще неизвестен, наблюдения за режимом грунтовых вод рекомендуется проводить 10 раз в месяц (3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27 и 30-го числа), а за режимом напорных вод - 5 раз в месяц (6, 12, 18, 24 и 30-го числа).

В периоды паводков, снего­таяния, ливневых или продолжительных дождей или интенсив­ного искусственного нарушения режима наблюдения на отдель­ных характерных точках рекомендуется проводить ежедневно, а иногда не менее 2- 3 раз в день до тех пор, пока не прекратиться резкое изменение гидрогеологических параметров, характеризующих режим водоносного горизонта или зоны.

Закономерности режима подземных вод и их обусловленность могут быть выявлены только в том случае, если режимные гидрогеологические наблюдения сопровождаются соответствующими другими наблюдениями (метеорологическими, гидрологическими, за развитием оползневых явлений, работой сооружений и др.).

Выявляя плавные или резкие изменения режима подзем­ных вод и рассматривая их на фоне изменений других природ­ных или искусственных явлений, можно объяснить при­чины и масштабы изменений параметров подземных вод во времени и в пространстве. Это позволяет принимать обоснованные ин­женерные решения по управлению режимом подземных вод и предупреждению их вредного или опасного влияния.

Многочисленные наблюдения на самых различных участках указывают на тесную связь периодов интенсивных и повсеместных оползневых подвижек на склонах и откосах с периодами обиль­ных и продолжительных дождей, интенсивного таяния снега, высокого стояния уровня воды в водоемах, а также с разнооб­разными формами проявления подземных вод. Это свидетельст­вует о несомненной причинной связи образования оползней с кли­матическими условиями местности и подземными водами.

На мелиоративных системах сезонные и годовые колебания уровня грунтовых вод во многом определяются способом орошения, водоподачей и зависят от глубины залегания уровня грунтовых вод. Так, на площадях регулярного орошения при глубине более 20 метров происходит неуклонный подъем уровня почти без сезонных колебаний (рис. 3.4 и рис. 3.5).

 

 

Рис. 3.4. Гидрогеологический разрез Кисловской оросительной системы Волгоградской области (Кац Д.М., 1976):

1) суглинок; 2) песок; 3) глина; 4) граница литологических разновидностей пород; 5) уровень грунтовых вод (на летний период 1972г.); 6) наблюдательные скважины.

 

При глубине менее 10 м эти колебания отчетливы и происходят с амплитудой до 1,5-2,0 м и более – на фоне общего подъема уровня грунтовых вод. Высокое положение уровня грунтовых вод наблюдается во второй половине вегетационного периода, низкое – в январе-феврале.

 

 

Рис 3.5. График колебаний грунтовых вод на участках регулярного орошения Кисловской оросительной системы (Кац, 1976):

б) графики режима уровня грунтовых вод; г) температура воздуха; д) атмосферные осадки

 

Материалы режимных наблюдений в сложных геологических условиях при наличии субнапорных подземных вод (данные Голодностепской гидрогеоогической партии) показывают, что колебания уровней субнапорных и грунтовых вод происходят синхронно, которые и отражают изменения расходов воды в крупных каналов, влияние водоподачи на поля и климатических факторов (рис. 3.6).

 

Рис 3.6. Изменения уровня грунтовых вод и пьезометрических уровней субнапорных вод в кусте скважин в результате строительства дренажа на участке Голодностепской опытной оросительной станции под влиянием орошения (Кац, 1976):

А – литологические разрезы скважин (1 – песок, 2 – супесь, 3 – суглинок, 4 – глина, 5 – глубина установки фильтров наблюдательных пьезометров; Б – графики колебания уровня грунтовых и субнапорных вод в скважинах пьезометрического куста

На рис. 3.7. показан план рассматриваемого участка с гидроизогипсами на характерные периоды стояния уровня грунтовых вод и на период заполнения водохранилища для территории Куйбышевского водохранилища на р.Волге (Шестаков, 1969).

 

 

Рис. 3.7. Карта-схема гидроизогипс грунтового потока:

а – при естественном режиме; б - на третий год после начала наполнения водохранилища: (1 - граница уреза водохранилища, 2 - гидроизогипсы грунтового потока, 3 - колодцы и скважины (цифры рядом – абсолютная отметка грунтовых вод, 4 - наблюдательные скважины, в числителе – номер скважины, в знаменателе - абс. отметка уровня воды в ней)

 

Наполнение водохранилища вызвало развитие подпора в его берегах, которое было зафиксировано наблюдательными скважинами (рис. 3.8), расположенными по створу, проходящему в направлении, близком к меридиональному (Шестаков, 1969).

 

 

Рис. 3.8. Графики режимных наблюдений за уровнями грунтовых вод при заполнении Куйбышевского водохранилища (Шестаков, 1969)

Приведенные примеры наглядно подтверждают положение о том, что нельзя гидрогеологические наблюдения проводить вне связи с изучением других природных или искусственных фак­торов. В то же время они показывают, как следует обрабатывать результаты режимных стационарных гидрогеологических наблю­дений. При такой обработке полезно составлять хронологические графики, разнообразные гидрогеологические карты и другие графики и чертежи.

Для анализа изменений отдельных параметров водоносных го­ризонтов и зон полезно применять вероятностно-статистичеcкие методы обработки материалов наблюдений.

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

 

Абразия 121   Блочность 118 Бортовой отпор 117 Бугры пучения 183 Бурение скважин 234   Вал выпирания 134 Вертикальное электрическое зондирование 228 Вечная мерзлота 181 Виды воды в породах 18 Влагоемкость 29 Водоотдача 30 Водные свойства 28 Водопроницаемость горных по­род 53, 72 Водопрочность 34 Вывал 172 Выветриваемость 62 Выветривание 118, 126, 172 Выпор 123   Геодинамика 106 Геоморфология 119 Грунт 7 Гидрогеологические Наблюдения 262   Делювий 130 Дешифрирование 210 Деформации 136 Деформационные свойства 36 Деятельный слой 178 Дренаж 159, 176   Загрязнение 188 Заиление 163 Зарастание канала 160 Засоление 161 Землетрясение 114 Зона дробления 116, 173 Набухание 156 Набухаемость 75 Наливы 253 Наледи 180   Обвал 140 Оврагообразование 130 Оплывины 137 Оползень подводный 122 Оползни 133 Осадка 123 Островная мерзлота 183 Осыпи 138   Парниковый эффект 187 Переработка берегов 163 Пластичность 30 Плоскостной смыв 129 Плывун 149 Пляж 121 Подпор грунтовых вод 161, 166 Подтопление 166 Полевые опытные работы 243 Провал карстовый 145 Ползучесть 56 Провал-сдвижение 174 Просадка берегов 160 Просадочность 153 Прочностные свойства 36 Пучение 179 Пьяный лес 134   Размокание 157 Разведочные работы 220 Размываемость 158 Размокаемость 35, 157 Размокание 71 Размягчаемость 157 Разуплотнение 127, 172 Растворимость 142 Режимные наблюдения 258 Реологические свойства 36

Измененные грунты 105 Инженерно-геологические исследования 193 Инженерно-геологические карты 202 Инженерно-геологические процессы 106 Инженерно-геологические свойства 24 Инженерно-геологическая съемка 202 Инфильтрация 161 Искусственные грунты 104   Капиллярные свойства 97 Карст 142 Классификации грунтов 44 Кливаж 118 Компрессия 81 Консолидация 125 Кора выветривания 127 Крип 142 Круговое вертикальное электрическое зондирование 222   Лавина 141 Лёсс 153 Липкость 158 Литогенетическая трещиноватость 116   Макропористость 154 Масштабы инженерно-геологических съемок 206 Методы разведки 222 Метод заряженного тела 228 Микросейсмическое районирование 115 Мелиоративные системы 268 Механические свойства 54, 77, 98     Сдвиг 84, 123 Сдвижение поверхности 173 Сель 141 Сейсмичность 115 Сжатие 124 Сжимаемость 38 Солифлюкция 138 Сооружения 108 Срыв оползня 135 Стойкость 35 Структура грунтов 17 Структурные связи 15 Суффозия 147 Суффозия под основанием плотины 149, 170   Талики 182 Твердый сток 163 Тектоника 112 Техногенные отложения 185 Террикон 173 Тиксотропные явления 88 Типизация территории 218 Трещиноватость 115   Упругость 60 Усадка 33, 75, 157 Уровень грунтовых вод 148, 166, 176, 189   Физические свойства 25, 96 Фильтрационные потери 161, 167, 169 Формы залегания 113   Электрическое профилирование 222 Электрический каротаж 222 Эрозия 129 Эрозия – виды 129 Экзогенные процессы 110

ЛИТЕРАТУРА

1. Ананьев В.П., Потапов А.Д. Инженерная геология. – М.: Высшая школа, 2005, 575 с.

2. Ананьев В.П., Передельский Л.В. Инженерная геология и гидрогеология. Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1980, 271 с.

3. Белый Л.Д. Инженерная геология. Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1985, 231 с.

4. Добров Э.М. Инженерная геология: учебное пособие для студентов высших учебных заведений /Э.М. Добров. – 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 224 с.

5. Карлович И.А. Геоэкология. Учебник для высшей школы. - М.: Академический проект: Альма-Матер, 2005, 512 с.

6. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология: Учебник для вузов. – Л.: Недра, 1977, 479 с.

7. Панюков П.Н. Инженерная геология. - М.: ГОСГОРТЕХИЗДАТ, 1962, 337 с.

8. Толстой М.П., Малыгин В.А. Геология и гидрогеология: Учебник для вузов. 2-е изд. - М.: Недра, 1988, 318 с.

9. Трофимов В.Т. Грунтоведение. - М.: Изд-во Моск. Университета и «Наука», 2005. - 1024 с.

10. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. – М.: Госстрой России, 1997.

11. Геологические изыскания для строительства (инженерно-геологические и инженерно-экологические изыскания).- Учебно-методическое пособие. /Д.А. Манукьян, Н.П. Карпенко/. - М.: ФГБОУ ВПО МГУП, 2013, 104 с.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

	Стр.
Введение
Часть I	ОСНОВЫ ГРУНТОВЕДЕНИЯ
1.1.	Состав грунтов
1.2.	Структурные связи в грунтах
1.3.	Виды воды в горных породах и минералах
1.4.	Инженерно-геологические свойства грунтов
1.4.1.	Физические свойства грунтов
1.4.2.	Водные свойства грунтов
1.4.3.	Механические свойства грунтов
1.5.	Воздух и газы в грунтах
1.6.	Классификации грунтов
1.6.1.	Класс А. Грунты с жесткими связями (твердые породы)
1.6.2.	Класс В. Грунты с мягкими структурными связями (глинистые породы)
1.6.3.	Класс С. Грунты без структурных связей (рыхлые породы)
1.7.	Грунты особого состава и состояния
Часть II	ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
2.1.	Инженерно-геологические процессы и сооружения
2.2.	Классификации инженерно-геологических процессов
2.3.	Влияние общей геологической обстановки на развитие инженерно-геологических процессов
2.4.	Процессы в основании сооружений
2.5.	Выветривание как инженерно-геологический процесс
2.6.	Процессы на склонах
2.7.	Процессы, связанные с присутствием, движением и воздействием подземных вод
2.7.1.	Карст и суффозия
2.7.2.	Плывуны
2.8.	Процессы, связанные с увлажнением и высыханием грунтов
2.9.	Процессы, связанные со строительством и эксплуатацией каналов
2.10.	Процессы, связанные со строительством и эксплуатацией водохранилищ
2.11.	Инженерно-геологические процессы, связанные со строительством и эксплуатацией подземных сооружений
2.12.	Изменение и загрязнение ландшафта
2.13.	Инженерно-геологические процессы, связанные с промерзанием и оттаиванием грунтов
2.14.	Процессы в зоне многолетней (вечной) мерзлоты
2.15.	Инженерно-геологические процессы на территории населенных пунктов
Часть III.	ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ (ИЗЫСКАНИЯ)
3.1	Виды геологических работ на разных стадиях инженерных изысканий
3.2.	Организация и методика инженерно-геологической съемки и составление инженерно-геологических карт
3.3.	Разведочные работы при инженерно-геологических исследованиях
3.4.	Полевые опытные работы при инженерно-геологических исследованиях
3.5.	Режимные стационарные наблюдения при инженерно-геологических исследованиях
Предметный указатель
Литература

 

Нина Петровна Карпенко

Иван Михайлович Ломакин