Во всех случаях исследования должны начинаться со сбора имеющихся материалов о природных условиях района (геологическом строении, гидрогеологических условиях, климате, гидрологии, почвенном покрове, топографии).
Эту работу выполняют в подготовительный период до начала полевых работ; изучают материалы, хранящиеся в геологических фондах и других организациях, опубликованные работы, собирают данные об опыте строительства и эксплуатации аналогичных сооружений в местных природных условиях.
Тщательный сбор и анализ имеющихся материалов, дополнительный в ряде случаев рекогносцировочным обследованием района, позволяет целенаправленно составить программу исследований и значительно сократить объём их работ.
После проведения необходимых организационно-хозяйственных мероприятий изыскательский отряд или партия выезжает на место будущего строительства и приступает к работам (съёмка, буровые, геофизические и другие работы).
Окончательная обработка полевых материалов и результатов лабораторных анализов производится в стационарных условиях в течение камерального периода. Камеральная обработка материалов завершается составлением инженерно-геологического и гидрогеологического отчётов.
Инженерно-геологические изыскания для строительства: полевая часть
Объём выполняемых инженерно-геологических исследований бывает различен. Это связано со стадией проектирования (предварительные или детальные исследования), геологической изученностью района (изученный, малоизученный, неизученный), сложностью геологического строения (сложные складки, горизонтальное залегание слоёв и т. д.), особенностями свойств грунтов (грунты, требующие и не требующие специальных работ), конструктивными особенностями сооружений и их капитальностью.
Основной объём инженерно-геологических работ приходиться на исследования, проводимые период до проектирования. На этом этапе инженерно-геологические исследования обеспечивают получение необходимых данных, связанных с геологией местности, со свойствами грунтов и получением инженерных выводов.
Изучение геологии местности позволяет установить лучший участок для строительства, влияние геологических процессов на сооружение и влияние самого сооружения на природную обстановку. Изучение грунтов позволяет определить их свойства, решить вопрос о необходимости улучшения их свойств и составить представление о наличии в данном районе тех или иных строительных материалов. Важное место занимают инженерные выводы. При этом устанавливается глубина заложения фундаментов и величина допускаемых давлений на грунт, прогнозируются устойчивость сооружения, величины ожидаемых осадков и т. д.
В период строительства при проходке котлованов производят сверку наблюдаемых геологических данных с геологическими материалами, полученными в период инженерно-геологических исследований до проектирования.
При наличии расхождений назначают дополнительные инженерно-геологические работы для подтверждения правильности выполненного проекта или внесения в него необходимых исправлений.
При эксплуатации зданий и сооружений во многих случаях целесообразны работы, связанные с подтверждением прогноза устойчивости объектов. Так проводят наблюдения за характером и величиной осадок, режимом грунтовых вод и рек, размывом берегов, устойчивостью склонов и т. д. К этому периоду относят работы, получившие названия инженерно-геологической экспертизы. Задачей таких исследований является установление причин возникновения деформаций зданий и сооружений.
Инженерно-геологические изыскания для индивидуального строительства
Инженерно-геологические работы обычно выполняют в три этапа:
- 1) подготовительный;
- 2) полевой;
- 3) камеральный.
Подготовительные работы включают изучение района по архивным, фондовым и литературным материалам. Осуществляется подготовка к полевым работам.
В полевой период проводят все инженерно-геологические работы, предусмотренные проектом для данного участка:
- — инженерно-геологическая съёмка;
- — разведочные работы и геофизические исследования;
- — опытные полевые исследования грунтов;
- — изучение подземных вод;
- — анализ опыта местного строительства и т. д.
В течение камерального периода производят обработку полевых материалов и результатов лабораторных анализов, составляют инженерно-геологический отчёт с соответствующими графическими приложениями в виде карт, разрезов и. т.д.
Инженерно-геологический отчёт является итогом инженерно-геологических изысканий. Отчёт передаётся проектной организации, и на его основе выполняется необходимая проектная документация для строительства. В общем виде отчёт состоит из введения, общей и специальной частей, заключения и приложений. Во введении указывают место проведения изыскательских работ и время года, исполнители и цель работ.
В общей части, в её отдельных главах даётся описание:
- — рельефа, климата, населения, растительности;
- — геологии с приложением геологических карт и разрезов;
- — карт строительных материалов, которые необходимы для выполнения строительных работ.
В специальных главах большое внимание уделяется грунтам и подземным водам. Грунты являются основным объектом исследований. Поэтому указываются, какие грунты, их свойства, выраженные в цифрах, что необходимо для определения расчётных характеристик, пригодность грунта для строительства объекта.
Подземные виды оцениваются в двух направлениях: как источники водоснабжения при строительстве и эксплуатации объекта и как они могут помешать строительству. В этом случае даются рекомендации по строительному водопонижению и устройства дренажей на период эксплуатации объекта.
В заключительной части отчёта даётся общая инженерно-геологическая оценка участка по пригодности для данного строительства, указываются наиболее приемлемые пути освоения территории, заостряется внимание на вопросах охраны окружающей среды.
Отчёт обязательно должен иметь приложение, в котором даётся различный графический материал (карты, разрезы, колонки скважин и др.), а также таблицы свойств грунтов, химических анализов воды, каталог геологических выработок и др.
Инженерно-геологические заключения. В практике инженерно-геологических исследований очень часто вместо больших отчётов приходиться составлять инженерно-геологические заключения. Выделяется три вида заключений:
- 1) по условиям строительства объекта;
- 2) о причинах деформации зданий сооружений и
- 3) экспертиза.
В первом случае заключение носит характер инженерно-геологического отчёта. Такое заключение может быть выполнено для строительства отдельного здания.
Инженерно-геологическая экспертиза проводиться, главным образом, по проектам крупных сооружений. Основой для экспертизы является наличие спорных и разноречивых оценок природных условий (в процессе изысканий) или аварий сооружений (в процессе их эксплуатации).
Экспертиза силами крупных специалистов устанавливает:
- — правильность приёмов исследований;
- — достаточность объёмов работ;
- — правомерность выводов и рекомендаций;
- — причины аварий и т. д.
По объёму работы экспертиза бывает кратковременная и длительная.
В первом случае вопрос решается практически сразу. Выводы излагаются в виде заключения.
Во втором случае экспертиза кроме изучения имеющихся материалов требует выполнения специальных работ по определённой программе с указанием сроков. По окончании работ выводы могут быть изложены в виде заключения или даже небольшого инженерно-геологического отчёта.
Экспертиза должна давать ответ на поставленные вопросы, содержать необходимые конкретные рекомендации, обоснования и доказательства целесообразности предлагаемых инженерно-геологических мероприятий.
Инженерно-геологическая съёмка представляет собой комплексное изучение геологии, гидрогеологии, геоморфологии и других естественно-исторических условий района строительства. Эта работа даёт возможность оценить территорию со строительной точки зрения.
Масштаб инженерно-геологической съёмки определяется детальностью инженерно-геологических исследований и колеблется от 1:200000 до 1:10000 и крупнее. Основой для проведения съёмки служит геологическая карта данной территории.
Геоморфологические исследования уточняют характер рельефа, его возраст и происхождение. При геологических работах определяют условия залегания пород, их мощность, возраст, тектонические особенности, степень выветрелости и т. д. Для этой цели изучают естественные обнажения, представляющие собой выходы на поверхность слоёв горных пород на склонах гор, оврагов, речных долин.
Для каждого слоя записывают наименование породы, окраску, состав, примеси, измеряют видимую мощность и элементы залегания. На карте указывается место нахождения обнажения. Наиболее характерные для данного района обнажения зарисовывают и фотографируют.
Районы, где наблюдается большое количество обнажений, называют открытыми, при отсутствии их — закрытыми. В закрытых районах геологическое строение изучают с помощью разведочных выработок (буровых скважин, шурфов и т. д.). Выработки документируются. Одновременно из них выбирают пробы образцов пород для лабораторных исследований. инженерный геологический реставрация
При инженерно-геологической съёмке изучают гидрогеологические условия для выяснения обводнённости пород, глубины залегания подземных вод, их режима и химического состава; выявляют геологические явления и процессы (обвалы, осыпи, оползни, карсты и т. д.), которые могут вредно отразиться на устойчивости и нормальной эксплуатации зданий и сооружений, изучают опыт строительства на данной территории, определяют физико-механические свойства пород полевыми методами, а также в специальных полевых лабораториях.
В процессе инженерно-геологической съёмки производят поиски месторождений естественных строительных материалов.
На основе полученных данных составляют инженерно-геологическую карту района строительства. Это даёт возможность произвести инженерно-геологическое районирование территории и выделить участки, наиболее пригодные под строительство крупных объектов (промышленные предприятия, жилые микрорайоны и т. д.).
Источник: vuzlit.com
Инженерная геология и ее роль в строительстве
Инженерная геология является одной из геологических дисциплин. Она разрабатывает широкий круг научных и практических проблем, решает многие задачи, возникающие при проектировании, строительстве сооружений (тоннелей, плотин, мостов, дорог и различных промышленных и гражданских зданий) и при проведении инженерных работ по улучшению территорий (осушение, борьба с оползнями, карстом и другими геологическими явлениями).
Инженерная геология включает следующие основные разделы: инженерную петрологию, инженерную геодинамику и специальную инженерную геологию. Инженерная петрология изучает состав, строение, физико-механические свойства горных пород. В задачу инженерной петрологии входит также прогноз изменения свойств пород под влиянием возводимых сооружений.
Инженерная геодинамика изучает геологические процессы, как природные, так и возникающие под воздействием сооружений, влияющие на устойчивость и эксплуатацию сооружений, и разрабатывает защитные мероприятия.
Специальная инженерная геология изучает условия строительства гражданских, дорожных, гидротехнических и подземных сооружений в различных геологических условиях.
Возникновение инженерной геологии и ее развитие на первых этапах были связаны со строительством, когда строители изучали горные породы как основание, среду и материал для различных сооружений. Началом же научных исследований инженерно-геологического плана следует считать первые десятилетия XIX века. Строительство путей сообщения, заводов, фабрик, плотин и других сооружений требовало обеспечения их надежности. В этом большую роль сыграли первые русские инженеры путей сообщения, воспитанники и профессора старейшего вуза страны — Института корпуса инженеров путей сообщения, ныне Петербургского государственного университета путей сообщения (ПГУПС), основанного в 1810 г.
Уже в первые годы работы института в нем изучался курс минералогии и геологии. Можно считать, что зарождение инженерной геологии в приложении к строительству путей сообщения в России относится к началу XIX века и первые работы в этой области принадлежат перу инженеров путей сообщения.
Выполнение геологических исследований для целей железнодорожного строительства в России относится к 1842 г. — началу постройки первой железной дороги нормальной колеи. В этой связи строители начали уделять горным породам большое внимание. Растущие масштабы строительных работ требовали привлечения геологов к изысканиям под строительство.
Поэтому уже в начале XX века геологи начали привлекаться к решению вопросов, связанных со строительством железных дорог. Среди геологов в этой работе принимали активное участие: И.В. Мушкетов, В.А. Обручев, А.В. Львов, Ф.Ю.
Левинсон-Лессинг, А.П. Павлов и др. Они работали как эксперты и изыскатели на различных стройках, проводили исследования с целью изучения оползней, карста, обвалов, вечной мерзлоты на железных дорогах. По результатам обследования объектов появилась литература, касающаяся условий проведения железнодорожных линий.
Строительство таких сооружений, как ДнепроГЭС, гидроэлектростанции на Волге, Оке, строительство Беломорско-Балтийского канала, канала им. Москвы вызвало необходимость всестороннего изучения геологических условий возведения этих сооружений, потребовало применения новых методов геологических исследований и количественных оценок природных геологических условий, определяющих устойчивость сооружений.
Столь же серьезные требования предъявляли к геологии строительство промышленных предприятий Магнитогорска, Кузнецка, Запорожья, реконструкция Москвы и других городов. Значительный комплекс геологических исследований был выполнен в связи с постройкой Московского метрополитена.
Таким образом, инженерная геология как наука появилась в результате запросов практики строительства. Все возрастающие объемы строительных работ способствовали созданию в 1930 г. кафедры грунтоведения в Ленинградском университете, а в 1938 г. аналогичной кафедры в Московском университете. Грунтоведение изучало любые горные породы как объект инженерно-строительной деятельности.
В 1944 г. при АН СССР была организована Лаборатория гидротехнических проблем имени академика Ф.П. Саваренского, которая наряду с гидрогеологическими проблемами занималась вопросами инженерной геологии.
В настоящее время инженерная геология на транспорте все более совершенствуется в своем развитии: используются геофизические методы разведки, аэрокосмические и другие методы, позволяющие улучшить и ускорить выполнение инженерно-геологических исследований. Используются также данные физико-химии грунтов, что дает возможность познать природу происходящих в них процессов.
Не меньшее значение для инженерной геологии имело успешное развитие сопредельных наук. Так, например, развитие физики, химии, математики и механики грунтов позволило инженерной геологии воспользоваться новыми методами для количественной оценки свойств горных пород и геологических явлений. Инженерная геология из описательной науки стала наукой конкретной, комплексной, тесно связанной со многими инженерными дисциплинами, такими как: «Механика грунтов, основания и гундаменты», «Изыскания и проектирование железных дорог», Железнодорожный путь», «Мосты и тоннели», которые без геологических данных не могли правильно решать свои задачи. Из приведенной схемы (рис. 1.1) следует, что инженерная геология многое берет из разделов геологии, пополняет их результатами собственных исследований и дает необходимый материал строительству и горному делу.
Известно, что всякое инженерное сооружение должно быть возведено с наименьшими затратами рабочей силы, материалов я времени. Одновременно оно должно обладать высокой прочностью и устойчивостью. Иногда возводимые сооружения вызывают возникновение новых природных геологических процессов и изменение существующих.
Поэтому оценка природных условий района строительства является важнейшим условием его успешности. Чтобы обезопасить сооружение от деформации и разрушения в каждом случае следует определить возможность появления процессов, которые могут непредсказуемо проявиться впоследствии. При этом опасны не столько неблагоприятные геологические условия, сколько их недостаточное знание. Поэтому при возведении сооружений необходимо проведение тщательных и весьма детальных инженерно-геологических изысканий, которые бы позволили вскрыть всю сложность геологического строения и предупредить проектировщиков от ошибок и недоучета геологических особенностей и физико-механических свойств горных пород в местах постройки, а также предусмотреть необходимые профилактические мероприятия, предохраняющие сооружения от различных деформаций и обеспечить их нормальную эксплуатацию.
Проведение инженерно-геологических изысканий при изучении районов строительства дает возможность при проектировании сооружений учесть все природные особенности места строительства и выбрать наиболее благоприятные участки. Для организации инженерно-геологических изысканий и последующего инженерно-геологического заключения следует получить ясное представление о геологическом строении местности, т.е. стратиграфии, тектонике, литологии, физико-геологических процессах, получивших развитие в данном районе. Правильно установленная стратиграфия определяет положение горных пород, обладающих различными физико-механическими свойствами, и тем самым является необходимой для оценки условий размещения сооружения. Роль тектоники в оценке инженерно-геологических условий места возведения сооружения очень велика. Тектонические нарушения горных пород создают иногда настолько трудные условия для строительства, что приходится искать мероприятия, позволяющие с безопасностью возводить сооружение, или определять другое место для его возведения.
Сложные формы залегания пород вызывают чрезвычайную изменчивость инженерно-геологических условий. Весьма значительна роль гидрогеологических особенностей в инженерно-геологических работах.
Инженерно-геологические изыскания выполняются при составлении проекта любого инженерного сооружения или хозяйственного использования территории. Материалы изысканий служат обоснованием проекта, поэтому в них освещаются геологические условия и оцениваются все факторы, влияющие на выбор места расположения сооружения, условия его строительства, эксплуатации и реконструкции.
Основными задачами инженерной геологии являются:
изучение горных пород как грунтов основания, среды для размещения сооружений и строительного материала для различных сооружений;
изучение геологических процессов, влияющих на инженерную оценку территории, выяснение причин, обусловливающих возникновение и развитие процессов;
разработка мероприятий по обеспечению устойчивости сооружений и защите их от вредного влияния различных геологических явлений.
При изучении геологических процессов обычно используют все основные методы геологии и эти исследования должны обязательно завершаться количественной оценкой и прогнозом. Поэтому в учебнике уделяется особое внимание использованию количественных показателей и методам их расчета.
В инженерной геологии известна следующая классификация геологических процессов, вызываемых эндогенными (глубинными), экзогенными (поверхностными) и инженерно-геологическими факторами, предложенная Ф.П. Саваренским (1941) и И.В. Поповым (1951) (табл.).
Таблица. Классификация геологических процессов
| Процессы | Физико-геологические явления |
| I. Деятельность поверхностных вод (морей, озер, рек) и временных потоков | Подмыв и обрушение берегов (морей, рек, озер), размыв склонов, сели |
| II. Деятельность поверхностных и подземных вод | Заболачивание территорий, просадочные явления, карст |
| III. Деятельность подземных, поверхностных вод на склонах | Оползни |
| IV. Деятельность подземных вод | Суффозия, плывуны |
| V. Промерзание и оттаивание | Морозное пучение грунтов, вечная мерзлота и ее проявления |
| VI. Выветривание | Обвалы, осыпи |
| VII. Внутренние силы Земли | Сейсмические явления |
| VIII. Инженерная деятельность человека | Осадка, просадочность, набухание, подземные и поверхностные деформации |
Как следует из табл., геологические процессы, происходящие на Земле, обусловлены эндогенными силами, особенностями рельефа, физико-географическими условиями: климатическими, сезонными, составом горных пород, их выветрелостыо, структурой скальных пород и «провоцирующей» к нарушению природного равновесия деятельностью человека.
В учебнике все важнейшие геологические и инженерно-геологические процессы рассматриваются в соответствии с табл.
Опишите данные минералы и породы
| Класс | Силикаты и алюмосиликаты |
| Химический состав | K[AlSi3O8] |
| Цвет | Белый, кремовый, розовый, желтоватый |
| Блеск | Стеклянный |
| Спайность | Спайность совершенная по одному и средняя по другому направлению под углом 900 |
| Твёрдость | 6 |
| Породы, в которые входит этот минерал | Сиенит, трахит, ортофир |
| габбро | песок | кварц | |
| Происхождение | Магма-Лакколиты, штоки, дайки | Речные, морские, ледниковые, эоловые | Кристаллизация из расплавов и растворов |
| Минералогический состав | Полевой шпат, (лабрадор-лабрадорит), авгит, роговая обманка, иногда оливин | Мономинералы (кварцевый песок) и полиминералы (зёрна полевого шпата, кварца, слюды) | Слюда и минералы |
| Структура | Полнокристаллическая, равномернозернистая | Рыхлая порода | Рыхлая порода |
| Текстура | Гладкая | Зернистая | Зернистая |
| Цвет | Зелёный, иногда чёрный | Жёлтый, коричневый, белый | Белый, бесцветный, чёрный, серый, фиолетовый |
| Практическое применение | Буровой камень, щебень для бетона и как дорожный материал. Гидротехнические сооружения. Декоративный материал (облицовочные плиты) | Как строительный материал. В стекольной, фарфорофаянсовой, металлургической промышленности, дорожном строительстве (бетон) | Облицовка зданий, опор мостов |
Назовите основные физико-механические свойства горных пород, необходимые для проектирования и строительства. Опишите условия образования и строительные свойства данных грунтовых отложений
Горные породы находят в строительстве обширное применение. При возведении инженерно-технических сооружений учитываются прочность, жесткие связи и несущая способность скальных пород, при возведении откосов берутся во внимание монолитность, трещиноватость, степень выветривания горных пород, при строительстве дамб, плотин, подтопляемых насыпей, определяется подверженность пород (слагающих минералов) к размоканию и выветриванию.
Многие горные породы представляют собой незаменимый строительный материал для дорожных покрытий, бутового камня, облицовочных плит, при изготовлении цемента, извести, гипса.
Из обломочных пород довольно широкое применение может иметь булыжный камень из гранита, гнейса, базальта: большая прочность, высокая теплопроводность и значительная плотность (1,80-2,50 г/см3). Более мелкие булыжники (до 20 см в поперечнике) применяют для мощения дорог.
Гравий используется для изготовления бетона (при размере частиц от 5 до 80 мм) и для мощения проезжей части дорог. Песок применяют в кирпичной кладке (размер частиц до 2,5 мм), бутовой кладке (до 5 мм), для отделочной затирки (0,5-1,0 мм). Плотность песка колеблется в пределах 1,25-1,65 г/см3 при объеме пустот до 40%.
Глина по характеру образования подразделяется на: а) первичную или остаточную и б) вторичную или переотложенную. Первая более качественная и содержит меньше примесей. По огнеупорности выделяют:
огнеупорную с температурой плавления выше 1580°С;
Применение глины обширно: кирпичное, черепичное, гончарное производства, строительные растворы.
Применяются в хозяйстве техногенные породы (шлаки) — остатки от сжигания угля, торфа и горючих сланцев — так называемые котельные шлаки; доменные шлаки в гранулированном виде идут в качестве мелкого заполнителя в легких бетонах, в тонкоразмолотом виде как добавки к вяжущим материалам.
Условия образования и строительные свойства ледников
Ледники — это движущиеся естественные скопления льда, возникающие на поверхности суши при постепенном уплотнении и перекристаллизации многолетних скоплений снега.
Ледники покрывают 11% поверхности суши (16,2 млн. км2). 1.5% этой площади приходится на ледники Антарктиды, Гренляндии и островов Северного Ледовитого океана.
Условия образования ледников.
Необходимые условия образования ледников — это холодный климат и твердые атмосферные осадки. В таких условиях происходит постепенное накопление снежного покрова, так как выпадающий за зиму снег в летнее время растаивает не весь. При существовании такого режима продолжительное время толщина снежного покрова из года в год увеличивается. Выпадающий снег под влиянием лучей солнца оплавляется и превращается в зернистый снег — фирн. Фирн под влиянием цементации замерзающей воды превращается в фирновый лед, а он при дальнейшем уплотнении — в сплошной глетчерный лед (нем. gletsher — лед).
На образование 1 м3 глетчерного льда расходуется около 11 м3 снега.
Несмотря на то, что лед является твердым телом, он все же обладает значительной пластичностью. Поэтому в горных ледниках движение льда подобно течению воды в реках, с той лишь разницей, что скорость движения льда значительно меньше скорости течения воды. Она весьма изменчива и зависит от интенсивности питания, уклона поверхности подледникового ложа.
Скорости движения ледников различны в поперечном сечении. Срединные части ледника, где мощность льда больше, движутся быстрее, краевые — менее мощные и испытывающие трение борта долины — медленнее.
Вследствие изменчивости поперечного сечения долины, неровности подледникового ложа, различия скорости движения, ледники, перемещаясь по долинам, испытывают деформации, приводящие к возникновению трещин. Иногда глубина трещин достигает 50 м и даже 250 м. Геологическая деятельность ледников заключается прежде всего в том, что они истирают своей тяжестью, а также вмерзшими в их придонные части камнями ложе долины, придавая форму кара, цирка, трога (нем. trog — корыто).
Инженерно-геологическая характеристика ледниковых отложений. К ледниковым отложениям относят различные моренные образования. Они отличаются большой неоднородностью как по мощности, так и по простиранию, а также неоднородностью их гранулометрического состава.
Основная масса морен обычно сложена глинистым материалом, образовавшимся в значительной части путем механического перетирания движущимся льдом более крупных обломков горных пород. В составе морен могут быть также пески и крупные обломки пород. Состав основной массы морен неодинаков. В одних частях она более глинистая, в других — более песчаная, гравийная или щебенистая.
Отличительной чертой глинистых моренных образований является их высокая плотность — 1,8-2,3 г/см3 и небольшая пористость 25-35%. Моренные глинистые грунты считаются надежным основанием для инженерных сооружений.
Перечислите методы определения абсолютного и относительного возраста пород. Назовите эры и периоды геологической истории Земли
Метод определения абсолютного возраста пород. Метод основан на использовании изотопов химических элементов. В горных породах обычно содержится некоторое, иногда очень ничтожное, количество радиоактивных элементов (U, Ra, Th и др.). Каждый их них распадается с присущей только ему скоростью.
Процессы распада идут самопроизвольно и на скорость распада не влияют ни какие внешние факторы. Поэтому радиоактивные элементы могут служить эталоном геологического времени. Длительность процесса обычно очень велика. Например, период полураспада урана U составляет 5 млрд. лет.
При тщательном и весьма точном анализе горной породы устанавливается, сколько в ней появилось Pb (продукт распада) и сколько осталось неразложившегося радиоактивного элемента. На этом основании и определяется возраст породы. Для образования из ста граммов урана одного грамма Pb потребуется 7400 млн. лет. Абсолютный возраст породы, лет, в которой найдено т, г U и n, г Pb, определяется по формуле:
A= ,
На основе изучения геологического строения земной коры и истории развития жизни, исследователи получили возможность разбить всю геологическую историю Земли на отдельные отрезки времени и составить по данным абсолютного и относительного возраста горных пород шкалу геологического времени — геохронологическую шкалу. Каждый отрезок геологического времени имеет свое название и индекс (на геологических картах также применяют различные цвета).
Для слоев пород, которые образовались в эти отрезки времени, были предложены свои названия, что позволило создать стратиграфические шкалы: фанерозоя и криптозоя. Толщу пород, образованную за время эона называют эонотемой, за время эры — эратемой, за время периода — системой, за время эпохи — отделом. Самый короткий отрезок геохронологической шкалы — век, а образовавшаяся за это время толща горных пород называется ярусом. Например, К2dat читается как — меловой период, поздняя эпоха, датский век, а цвет заливки на инженерно-геологической карте — зеленый.
Метод определения относительного возраста пород.
Относительный возраст осадочных пород определяется на основе изучения условий залегания и взаимоотношения отдельных слоев осадочных пород и на основе изучения сохранившихся в них остатков растительных и животных организмов. Основной принцип определения относительного возраста пород этим методом заключается в том, что при последовательном залегании пластов осадочных пород лежащие ниже будут древнее, чем вышележащие.
Стратиграфический метод основан на изучении условий залегания пластов горных пород.
Палеонтологический метод получил в геологической практике наибольшее применение. Он основан на изучении ископаемых остатков вымерших организмов. Еще в начале XIX в. инженер Смит при строительстве каналов в Англии обнаружил в различных толщах многочисленные окаменелые остатки животных организмов.
При изучении установлено, что отдельные формы животных организмов приурочены только к определенным слоям и отсутствуют в других. Был сделан очень важный вывод: в пластах одного и того же возраста присутствуют одни и те же ископаемые животные и растительные остатки, не встречаемые в более древних и более молодых отложениях.
Установлено также, что чем пласт древнее, тем более простые формы организмов он содержит. Работы Ж.Б. Ламарка, Ч. Дарвина и других ученых по эволюции органического мира позволили установить, что органическая жизнь на Земле развивалась постепенно от более простых форм к более сложным.
Животные и растительные организмы в течение геологической истории постепенно совершенствовались в борьбе за существование, приспосабливаясь к изменяющимся условиям жизни. Некоторые организмы на определенных стадиях развития Земли полностью вымирали, на смену им приходили другие — более совершенные. Это позволило установить относительный возраст каждого организма в сравнении с другими организмами. Таким образом, палеонтологический метод дает возможность по остаткам организмов судить об относительном возрасте горных пород.
Эры и периоды геологической истории земли. N2, J1, C2, T1.
| Эра | Период | Отдел |
| Кайнозойская KZ | Неогеновый -N | Плиоцен –N2 |
| Мезозойская MZ | Юрский -J | Нижнеюрский –J1 |
| Триасовый -Т | Нижнетриасовый-Т1 | |
| Палеозойская PZ | Каменноугольный-C | Среднекаменноугольный –С2 |
Опишите сущность процессов внутренней динамики Земли (эндогенных процессов). Приведите схемы нарушений форм залегания пород. Покажите зависимость силы землетрясения от состава пород
Процессы внутренней динамики Земли.
Земная кора (наружный слой Земли, мощностью 20-70 км на континентах и 5-15 км в океанах, ограниченный снизу поверхностью Мохоровичича) находится в постоянном и непрерывном движении: землетрясения, складчатые и разрывные нарушения, блоково-купольные поднятия, опускания и т.д. Эти движения и изменения лика земной коры происходят под действием внутренних (эндогенных), так называемых, тектонических сил Земли. Геологические тела (структурные формы), возникающие при тектонических движениях, несмотря на их значительное разнообразие, довольно приемлемо отражают главные движения земной коры:
горизонтальные перемещения блоков земной коры;
вертикальные колебательные движения в виде сопряженных во времени и пространстве поднятий и опусканий участков земной коры;
складчатые деформации, поражающие практически все слоистые толщи земной коры (пликативные деформации);
разрывные нарушения, расчленяющие земную кору на блоки различных размеров, включая мелкую трещиноватость (дизъюнктивные дислокации);
магматические и вулканические перемещения расплавленного материала, взрывных газов, водных и грязевых смесей (инъективные дислокации);
метаморфизм горных пород, возникающий в результате подъема глубинных флюидов и термических аномалий, что обусловлено тектоническими дислокациями и внедрением изверженных пород;
сейсмические движения земной коры, землетрясения.
Перечисленные типы движений земной коры обычно взаимосвязаны между собой, нередко взаимообусловлены. Общим для них является изменение первоначальных условий залегания горных пород.
Процессы внутренней динамики Земли — это процессы, происходящие в недрах Земли за счет распада радиоактивных элементов, в результате вращения Земли и ее силы тяжести. Эти процессы могут быть обусловлены также изменением скорости вращения Земли и угла наклона оси вращения. Выявляется существенная роль космических факторов на активизацию внутренней динамики Земли.
К числу важных процессов внутренней динамики следует отнести тектонические явления, изменяющие первоначальные условия залегания горных пород,
Тектонические процессы в зависимости от формы проявления делятся на три типа: колебательные; складчатые; разрывные. По времени проявления они подразделяются на: 1) современные; 2)1 новейшие, связанные с четвертичным периодом и 3) прошедших геологических периодов.
Схема нарушения форм залегания пород.
Рис. Разрывные дислокации: а — сброс; б — взброс; в — грабен; г — горст.
Выделяются следующие, часто встречающиеся: сброс, взброс, грабен, горст, а также: ступенчатые сброс и взброс, сдвиг и надвиг.
Сброс — это тектонический разрыв, при котором лежачее крыло поднято, а висячее — опущено. Сместитель падает в сторону опущенного крыла. В случае, если висячее крыло оказалось поднятым относительно лежачего, разрыв именуется взбросом. Аналогичный разрыв, но с плоскостью смещения, наклоненной под углом менее 45°, называется надвигом.
Депрессии, ограниченные сбросами, падающими один навстречу другому, называются грабенами (от нем. Graben — канава). Впадина оз. Байкал представляет собой грабен. Дно его лежит на глубине 1731 м ниже его уровня.
Горст (нем. Horst — возвышенность, холм) — поднятый участок земной коры, ограниченный с двух сторон падающими от него сбросами.
Зависимость силы землетрясения от состава пород.
Скорость распространения сейсмических волн определяется составом и физическим состоянием пород. В общем случае эту зависимость можно сформулировать следующим образом:
В плотных горных породах сейсмические волны распространяются быстрее и захватывают большие пространства; при этом разрушения зданий на этих горных породах менее значительны, чем на рыхлых.
В рыхлых горных породах волны распространяются слабее, но в то же время они являются наиболее разрушительными, вследствие неравномерного уплотнения пород и неравномерной осадки сооружений. Они разрушительны и в тех случаях, когда рыхлые породы незначительной мощности лежат на кристаллических породах и заболоченных землях. Разрушительная сила землетрясений зависит от их интенсивности (т.е. от количества освобождаемой энергии) и от глубины распространения очага — гипоцентра.
В соответствии с этим все землетрясения по глубине очагов подразделяются на:
поверхностные от 1 до 10 км
коровыедо 50 км
глубокие до 700 км.
Чаще землетрясения возникают на глубине 20-50 км. Вертикальная проекция гипоцентра на поверхность Земли называется эпицентром.
Сначала сейсмические волны достигают эпицентра, где удар направлен по вертикали. Затем сейсмические волны выносят колебания частиц в другие места земной поверхности, где удары направлены как бы сбоку. Чем меньше угол выхода удара а, тем слабее будут осуществляться удары.
Различают два типа волн: Р — продольные и S — поперечные.
Продольные волны вызывают колебания частиц горных пород вдоль направления сейсмических волн и они проявляются в виде переменного сжатия и расширения вещества в направлении их распространения. Продольные волны обладают наибольшим запасом энергии и распространяются с максимальной скоростью в твердых, жидких и газообразных средах. Скорость распространения продольных волн в гранитах и аналогичных породах составляет 5000-7000 м/с, в известняках 2000-5000 м/с, винах — 1500-2000 м/с, песках — 500-1000 м/с.
Поперечные волны вызывают колебания частиц среды в направлении, перпендикулярном к направлению луча продольной волны, Поперечные волны распространяются только в твердой среде и несут меньший запас энергии. Скорость распространения меньше в 1,7 раза, чем продольных волн.
На поверхности земли от эпицентра во все стороны расходятся волны особого рода — поверхностные (L-волны), являющиеся по своей природе волнами тяжести. Скорость их распространения ниже, чем у поперечных, но они оказывают на сооружения неблагоприятные воздействия. L-волны подразделяются на волны Лява и волны Рэлея.
Объясните сущность процессов внешней динамики Земли (экзогенных процессов). Опишите данные вам процессы и возможные защитные мероприятия
Процессы внешней динамики Земли.
Солнечная энергия порождает на поверхности Земли различные экзогенные процессы. Среди них важное значение имеет выветривание. Термин «выветривание» широко вошел в литературу, но он не отражает сложности и существа природных процессов, определяемых этим понятием. Во всяком случае, выветривание не следует смешивать с деятельностью собственно ветра.
Выветривание — это процесс физического и химического разрушения горных пород под воздействием температурных колебаний, замерзания и оттаивания воды в трещинах пород, под химическим воздействием воды, а также в результате деятельности различных организмов, газов: кислорода и углекислого газа (находящихся в атмосфере и растворенных в воде) и ветра.
Главной особенностью выветривания является постепенное дробление горной породы, при котором происходит исчезновение прочных кристаллизационных связей и возникновение новых, сравнительно слабых в механическом отношении коллоидных связей.
Существуют зоны земной коры, в которых на некоторой глубине в течение тысячелетий сохраняется отрицательная температура. Это явление называют вечной мерзлотой, устойчивой мерзлотой или многолетней мерзлотой. Многолетнемерзлые породы имеют широкое развитие, и площадь их распространения составляет около 25% всей суши земного шара.
Многолетнемерзлые горные породы развиты в северных, северо-восточных и восточных районах России. Южная граница их распространения имеет весьма прихотливые очертания. В пределах Кольского полуострова и севера европейской части России она оконтуривает относительно узкую полосу, постепенно расширяющуюся к Уралу. После резкого изгиба к югу вдоль Уральского хребта она несколько отклоняется к северу и проходит на огромных пространствах западной Сибири почти в широтном направлении, пересекая реки Обь и Енисей. Далее она круто поворачивает к югу, протягивается вдоль правого берега р. Енисей и, огибая Алтай, уходит за пределы России, вновь появляясь на юго-востоке страны, проходя по левобережью Амура.
Достаточно широкое распространение многолетнемерзлые горные породы имеют на Северо-Американском континенте, на островах Северного Ледовитого океана, в Гренландии, Антарктиде.
Мощность вечномерзлых пород колеблется от десятков сантиметров до сотен метров. Жители Якутска в 1632 г., намереваясь черпать воду из колодца, рыли колодец до 16 м и оставили его в вечномерзлых грунтах. Эту попытку для получения питьевой воды повторил в 1826 г. житель Якутска Ф. Шергин. Но, несмотря на большую глубину (116,4 м), колодец не вышел из мерзлого грунта. Установлено, что мощность толщи вечномерзлых грунтов в районе Якутска составляет 250 м. максимально установленная мощность толщи многолетнемерзлых пород составляет 1450 м. Это в южной части Анабарского массива в верховьях р. Мархи. В районе хребтов Удокан и Жодарский мощность толщи вечномерзлых пород достигает 1300 м.
Выбор того или иного метода зависит от конструктивных термических характеристик возводимых зданий и сооружений от геоморфологических и геотехнических характеристик условий залегания толщи вечномерзлых пород.
Метод строительства без учета температурного режима грунтов может применяться в тех случаях, когда основание сооружений на всю глубину оттаивания являются скальные роды,
Метод строительства с сохранением режима вечной мерзлоты применяется для неотапливаемых зданий и сооружений, также для зданий, отапливаемых с применением мер по сохранению вечномерзлого состояния грунтов основания. Этот метод используется, главным образом, в тех случаях, когда мерзлые грунты имеют большую мощность (15-20 м и более), а сооружение не выделяет большого количества тепла.
В этих условиях мерзлое состояние грунтов может быть сохранено без сложных конструктивных решений и значительных затрат. В этом случае устраивают продуваемые крупнопористые каменные подсыпки под всей площадью основания здания или устанавливают сооружение на свайном фундаменте с проветриваемым подпольев Ленточные фундаменты почти не применяются. Известны некоторые старинные здания (двухэтажный дом архиерея в Якутии и инженерные склады в Чите), имеющие проветриваемые подполья, которые сохранились без значительных деформаций. четно-теоретическое и конструктивное обоснование принцу использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований зданий и сооружений с сохранением их мерзлого состояния был произведено в конце 20-х годов XX в. в связи с проектированем и строительством Петровско-Забайкальского металлургического завода и Якутской ЦЭС. В настоящее время этот метод является общепризнанным и универсальным.
Метод возведения сооружений с предварительным протаиванием вечномерзлой толщи применяется главным образом в тех случаях, когда сооружения выделяют большое количество тепла сохранение мерзлого состояния грунтов оказывается технического невозможным или экономически невыгодным. Если мерзлый слой не более 10 м, то рекомендуется: летом снять верхний утепленный слой грунта (мох, дерн, торф) и оставить его протаивать. В зимнее время на участке предусмотреть снегозадержании для утепления поверхности грунта. Таким образом, в течение 2-3 лет вечномерзлые породы оттаивают на 5-6 м. Оттаивание можно производить с помощью пара: через паровые иглы пропускают горячий пар и породы оттаивают на 7-10 м.
Метод строительства и эксплуатации сооружений с последующим оттаиванием вечномерзлых пород применим, когда:
температурный режим грунтовой толщи близок к 0°С;
грунты при оттаивании не являются сильно просадочными и осадка их меньше предельной величины для данного сооружения.
По этому методу рекомендуется возводить сооружения лишь на гравелистых, щебенистых, песчаных грунтах, уплотняющихся при оттаивании под нагрузкой, но не выдавливающихся из-под подошвы фундамента.
Строительство насыпей железных дорог. Строители железных дорог впервые встретились с вечномерзлыми породами в начале XX века на участке Транссибирской магистрали в пределах Читинской и Амурской областей.
Стремление сохранить в мерзлом состоянии льдистые породы в основании земляного полотна выражалось в назначении высоты насыпей не менее 2 м. При отсыпке их использовались любые горные породы. Последующая эксплуатация железных дорог показала, что сохранить грунты основания в мерзлом состоянии не удалось, на значительном протяжении имелась неравномерная осадка земляного полотна. В 30-40 годы XX в. строительство железных дорог в районах Севера, Сибири и Дальнего Востока велось по принципу сохранения вечномерзлых пород в основании земляного полотна дорог. С целью сохранения вечной мерзлоты намечалась укладка термоизоляции из торфа и мха в основании насыпей, а также покрытие ими откосов насыпей и выемок. На состояние земляного полотна оказывают влияние:
состав и свойства грунтов насыпи и ее основания;
температура вечномерзлых грунтов;
характер растительного покрова;
динамическое воздействие поездной нагрузки.
В разных климатических районах при одинаковых грунтах земляного полотна и основания и других равных условиях существенное влияние на режим вечномерзлых грунтов основания оказывает их температура.
Приведите классификацию подземных вод. Опишите разные фазовые состояния воды в породах, а также условия залегания и движения подземных вод
В горных породах наблюдается несколько видов воды, отличающихся по физическим свойствам. В инженерной геологии принята классификация видов воды, предложенная Лебедевым (1930), которая позднее была уточнена в соответствии с новыми представлениями о природе воды и строении
Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Источник: xreferat.com
Инженерная геология для строительства что это
(доклада сделан на третьей общероссийской конференции изыскательских организаций в ПНИИИС 20-21 декабря 2007г.)
Гликман А.Г.
НТФ «Геофизпрогноз»
Санкт-Петербург
Инженерная геология возникла в результате накопления вопросов, связанных с внезапными и необъяснимыми разрушениями инженерных сооружений. В самом деле, невзирая на совершенствование строительных материалов и технологий, количество внезапных разрушений самых различных сооружений оставалось велико и не снижалось.
Несмотря на многократное превышение прочности несущих конструкций, неуклонно обрушаются крыши при совершенно незначительном количестве лежащего на них снега. Обрушаются отдельные стены и фасады. Не говоря уже о разрушениях специальных, особо прочных сооружений — разного рода цистерн, трубопроводов, рельсовых путей.
Неоднократно возникали гипотезы, что разрушения как-то связаны с геологическим строением в зоне строительства. Однако ни подтвердить это, ни опровергнуть было невозможно. Для того, чтобы разобраться с этим, с конца ХIХ века стала развиваться геология приповерхностных пород, которая в дальнейшем получила название инженерной геологии.
Попытки найти зависимость вероятности разрушения от геологического строения не увенчались успехом, но инженерно-геологические изыскания все равно стали обязательными при проведении строительных работ.
О том, что применение инженерно-геологических изысканий не воспринимается как фактор, уменьшающий вероятность разрушения, свидетельствует несколько моментов. Во-первых, в результате многочисленных опросов проектировщиков, строителей и архитекторов оказалось, что практически отсутствуют случаи, когда по результатам инженерно-геологических изысканий изменяют что-либо в заранее задуманном проекте — касается ли это конструкции фундамента, либо этажности, либо местонахождения возводимого дома.
Во-вторых, вопреки тому, что по своему замыслу инженерно-геологические изыскания должны осуществляться в предпроектный период, они часто проводятся уже тогда, когда исправить ничего нельзя. А бывает — так и вовсе уже во время строительства. И, наконец, в-третьих, проведение инженерно-геологических изысканий зачастую осуществляется фиктивно. То есть, в геологическом журнале заранее, еще перед бурением или шурфованием приведено описание пород, как считается, типичное для данного региона. Понятно, что если бы от результатов изысканий ожидалась хоть какая-нибудь информация, отношение к инженерной геологии было бы иным.
В результате, применяющиеся в обязательном порядке инженерно-геологические изыскания служат не для того, чтобы выявить характер грунта и условия возведения и эксплуатации сооружения, а исключительно для того, чтобы выполнить формальности, позволяющие избежать ответственности при внезапном разрушении сооружения.
Формализация при строительных работах вообще доведена до абсурда. Не дающие абсолютно никакой информации, чисто формально проведенные изыскания ложатся в основу расчетов при проектировании сооружений. Далее, сами расчеты являются полной фикцией, поскольку основаны на фиктивной геологической информации.
И единственным назначением этих расчетов является выход на то решение, которое уже принято архитектором. Аналогичная ситуация сложилась в угледобывающей отрасли, где все шахты обязаны предоставлять расчет крепи для каждой подземной выработки. Однако этот расчет сводится к тому, чтобы выйти на ту крепь, которая в настоящий момент находится на складе.
Особую озабоченность вызывают случаи, когда повторные инженерно-геологические исследования, проводившиеся после внезапного разрушения, показывают существенное уменьшение несущей способности грунта по сравнению с результатами, полученными перед началом строительства. Как, например, при общеизвестном случае внезапного разрушения Трансконского элеватора, в Канаде, когда за год, прошедший с начала его эксплуатации, твердые сухие глины, залегавшие в приповерхностных слоях, превратились в жидкую глину, а на глубине 20м исчезла известняковая скала.
В общем, давно уже стало понятно, что информация, получаемая в результате инженерно-геологических изысканий, не имеет прогностической ценности и, в лучшем случае, носит констатационный характер. К сожалению, информацию, имеющую прогностическую ценность, не давала и геофизика. В лучшем случае, геофизическую информацию можно «подтянуть» под уже сложившуюся ситуацию.
Все резко изменилось, когда вдруг оказалось, что применявшийся до этого для прогнозирования горнотехнической ситуации в угольных шахтах метод спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП) позволяет выявлять зоны тектонических нарушений (ЗТН). На ССП-разрезах зона тектонического нарушения (ЗТН) проявляется воронкообразным (V-образным) объектом или одной его образующей.
Спектральная сейсморазведка основана на ряде новых, неизвестных ранее физических эффектах [1]. Общая идея этого направления состоит в том, что земная толща по своим акустическим свойствам представляет собой не совокупность отражающих границ, как это раньше считалось, а совокупность колебательных систем. В ЗТН происходит увеличение добротности этих колебательных систем, а, следовательно, добротности гармонических составляющих сейсмосигнала. Собственно, за счет этого мы и выявляем эти зоны с помощью ССП (по сути, с помощью спектрального анализа сейсмосигнала). Но ведь изменение колебательных свойств массива определяет и изменение условий существования инженерных сооружений.
С самого первого момента, как это было обнаружено (еще в 1993 году), мы начали наблюдать совпадения, которые заключались в следующем. Наличие ЗТН всегда совпадает с наличием тех или иных признаков разрушения находящегося в этой зоне сооружения.
На рис.1 показана фотография стены 63-го профтехучилища в Магнитогорске, а на рис.2 — ССП-разрез при профилировании вдоль этой стены.
Рис. 1
Такое, в общем то, несложное измерение могло служить для прогнозирования разрушений. Сейчас, когда трещины в стене уже существуют, на основании полученной информации было сделано предписание, согласно которому, если в пределах ЗТН, в здании установить вибрирующую технику, то дом разрушится точно и неизбежно.
Наблюдения в течение нескольких лет позволили нам сформулировать ряд свойств этих зон [2]. Объединить и осознать все эти свойства удалось после того, как стало известно открытие проф. Сашурина [3], который обнаружил средствами космической геодезии наличие в ЗТН проявления планетарной пульсации. Частота этой пульсации весьма низкая, доли герц, а амплитуда может достигать 10см.
Я думаю, что это одно из величайших открытий ХХ века. Оно позволяет понять очень многие происходящие вокруг нас явления, и окажет со временем огромное влияние на все науки о Земле.
Вот одно из следствий того, что в ЗТН имеет место планетарная пульсация. Представим себе, что фундамент сооружения, оказавшийся частично в ЗТН, не будет обладать достаточной гибкостью, чтобы двигаться в соответствии с пульсацией грунта, находящегося под ним. Но ведь именно это и происходит с хрупкими железобетонными плитами, которые сейчас все чаще используются в строительстве. И сразу становится понятным, почему эти, казалось бы, надежнейшие основания трещат сплошь и рядом как скорлупа ореха. Причем, зачастую даже еще до того, как на них начинают возводить стены.
Возникновение геофизического метода, способного выявлять ЗТН — это явление не количественного характера, когда стало на один геофизический метод больше, а качественного, идеологического. Именно изучение спектра сейсмосигнала показало, что земная толща по акустическим характеристикам является совокупностью колебательных систем.
Уже только один этот момент является основанием для пересмотра основ строительной науки. Одно дело — считать, что строительство ведется на земной тверди, и другое — обнаружить вдруг, что опора фундамента, при некоторых условиях, отнюдь не твердь.
Замечено, что чем мощнее и прочнее фундамент, тем чаще он разрушается. Да, это парадокс. Но парадокс, аналогичный тому, что толстое дерево более уязвимо в бурю, чем молодое и гибкое. История разрушения аквапарка в Ясенево — это как раз такой случай. Построен он был частично в ЗТН.
На 70-сантиметровую плиту — его основание — снизу действовала планетарная пульсация, а сверху — динамическое воздействие аттракциона «океанская волна». В момент синфазного их воздействия плита лопнула. Разрушение опор, на которых держалась крыша — это уже следствие разрушения плиты. А падение крыши — следствие разрушения опор.
Оказалось, что планетарная пульсация не постоянна ни по амплитуде, ни по частоте. Так, в позапрошлую зиму был пик пульсации, и внезапно во многих странах попадало множество крыш. Общим у этих сооружений было то, что несущими элементами там были не стены, а отдельные вертикальные опоры. Эти опоры в условиях пульсации погружались в грунт, раскачиваясь. При этом балки выходили из зацепления, и далее, падала крыша.
Если поднять хронологию тех аварий, то можно увидеть, что непосредственно перед падением крыши происходило разрушение фундамента. Это либо образовывались трещины в полу, если не было подвала, либо, как на Басманном рынке, полопались трубы в подвале. То есть, первопричина — подвижность грунта.
Как показывает практика, кирпичные сооружения оказались наибольшим образом приспособленными к тому, чтобы выдерживать планетарную пульсацию. Когда кирпичная кладка, гибкая по своим свойствам, стоит на не слишком жестком фундаменте, вся конструкция может оказаться гармоничной, то есть в условиях подвижного основания кладка изгибается, но не разрушается.
А вот дома, возведенные по технологии монолитного строительства, являются хрупкими конструкциями, и большинство их, в той или иной степени, разрушаются. По крайней мере, в Петербурге это так.
Для каждого региона существуют свои особенности влияния ЗТН на инженерные сооружения. Так, для Москвы — это процессы карстообразования. Все эти провалы на дорогах являются следствием карстообразования. Для Петербурга — наличие плывунов, залегающих в непосредственной близости с ЗТН, а также наличие напорных вод.
Как показано в работе [2], одним из свойств ЗТН является то, что при бурении в них можно получить глубинную, напорную (родниковую) воду. Это позволяет решать проблему водоснабжения. Вода, при вскрытии ЗТН скважиной или колодцем, поступает с напором, и водоприток остается постоянным независимо от времени года.
Однако когда котлован при ведении строительства попадает в зону напорных вод, это становится очень серьезным осложнением. Откачать эту воду невозможно, и бывает, строительство прекращают, а на месте стройплощадки остается такое вот техногенное озеро. В Петербурге есть несколько таких озер. В частности, именно такая история произошла около дома Перцева, где находится известная яма с водой, а также, кирпичная коробка дома N10 на ул. Трефолева, внутри которой также находится вода.
На рис.3 показан один из ССП-разрезов, полученных на территории стройплощадки в парке им. Сахарова, в СПб в 2002г, за 2 года до начала строительства дома, адрес которого — ул. Замшина, 31, кор. 4. Одна образующая V-образного объекта, подсеченная на участке 10-15м профиля, практически вертикальна (тангенс угла примерно равен 20), что является признаком зоны напорных вод.
Строители на предупреждение не отреагировали. И действительно, при сооружении котлована стала поступать вода, которую откачать не удалось. Как-то в этих условиях строители умудрились создать плавающее основание, которое лопнуло, и возведенный на нем 17-этажный дом с самого начала, еще до начала заселения оказался в аварийном состоянии.
В настоящее время, идут непрерывные работы, направленные на удержание дома. Он весь в стяжках и анкерах, а в стенах, внутри дома, развивается множество трещин. Проживание в этом доме стало небезопасным.
Каждая очередная техногенная катастрофа должна тщательнейшим образом разбираться и изучаться, чтобы в дальнейшем не было повторения. Собственно, именно так поступают в медицине, и это весьма способствует росту умения медиков. В строительстве же все наоборот. Авариям зачастую придают политический смысл, события замалчивают и искажают, и в результате мы имеем повторы одинаковых по своему механизму событий.
В настоящее время сложилась такая ситуация, что технически уже возможно существенно сократить техногенные катастрофы. Метод ССП — единственный из геофизических методов на сегодняшний день обладает достаточной прогностической ценностью, чтобы своевременно и эффективно оценивать и прогнозировать состояние инженерных сооружений, и его повсеместное и обязательное использование должно быть закреплено в строительном законодательстве.
Источник: newgeophys.spb.ru
Инженерно-геологические изыскания
Глава 13. Инженерно-геологические изыскания при гидротехническом строительстве
13.1. Стадии планирования и проектирования
гидротехнических сооружений
и стадии инженерно-геологических изысканий
Планирование и проектирование гидротехнических сооружений осуществляют последовательно; проектирование ведут по стадиям. На всех этапах хозяйственной деятельности требуется информация инженерно-геологического характера, обеспечивающая решение разнообразных инженерных задач. Поэтому при планировании, проектировании, строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений ведут инженерно-геологические изыскания, которые отличаются наборами применяемых методов, значительны по объемам и нередко весьма сложны по характеру решаемых инженерно-геологических задач. Это объясняется: сложностью и многоплановостью взаимодействий, реализующихся между подсистемами локальной ПТС «гидроузел» — «область взаимодействия», захватывающих большие области геологической среды; ответственностью гидротехнических сооружений, аварии которых могут нанести большой ущерб хозяйству.
Гидротехнические сооружения делятся на гидроэнергетические, воднотранспортные, мелиоративные, водоснабженческие [10]. Гидроузлы, сооружаемые на крупных реках, решают задачи энергетики, транспорта, мелиорации земель и др., поэтому планирование гидротехнического строительства предусматривает разработку схемы комплексного использования водотока.
На основе схемы развития и размещения гидроузлов на реке разрабатывается стратегия использования водных ресурсов на перспективу. Схема предусматривает разбивку реки на ступени (рис. 13.1), определение технических и экономических показателей гидроузлов, установление очередности освоения и выбор объектов строительства первой очереди.
Для решения перечисленных задач необходимы инженерно-геологические данные, получаемые в ходе инженерно-геологических изысканий (I этап инженерно-геологических работ). Решение о проектировании и строительстве гидроузла принимают, опираясь на схему комплексного использования реки. Проектирование ведут в две стадии: проекта и рабочей документации. Инженерная задача на стадии проекта состоит: в выборе створа подпорных сооружений; в установлении нормального подпорного уровня (НПУ); в определении основных параметров гидроузла; в выборе типов сооружений и их компоновке; в разработке проекта производства строительных работ; в составлении сводного сметного расчета стоимости гидроузла.
Рис. 13.1 . Схема разбивки долины реки на ступени в разрезе ( а ), в плане ( б ):
1 — границы проектируемых водохранилищ, 2 — створы гидроузла. I, II, III — ступени
Инженерная задача, как видно из перечня вопросов, решается последовательно. Сначала в районе размещения гидроузла из числа конкурирующих должен быть выбран участок расположения гидротехнических сооружений и установлен НПУ, определяющий акваторию будущего водохранилища и параметры гидроузла. Только после выбора участка могут быть определены типы сооружений и разработано компоновочное решение. Нетрудно видеть, что инженерно-геологические изыскания для обоснования проекта должны отражать последовательность решения инженерной задачи. Сначала на основании инженерно-геологической информации, полученной в результате изысканий, должен быть выбран участок размещения гидроузла (изыскания на перспективных вариантах — этап IIа), а затем по данным инженерно-геологических изысканий разрабатывают схему компоновки сооружений и выбирают их типы (изыскания на стройплощадке — этап IIб изысканий).
В процессе проектирования сооружений на стадии РД должны быть доработаны и уточнены технические решения, внесены изменения в проект в соответствии с решением утверждающей инстанции; разработаны детальные конструктивные решения отдельных сооружений и их элементов и проведен их сметный расчет; составлен окончательный вариант проекта производства строительных работ. Анализ содержания инженерной задачи стадии РД позволяет прийти к выводу о том, что для ее решения нужны подробные инженерно-геологические данные о месте размещения каждого сооружения гидроузла, достаточные для проведения окончательных расчетов инженерно-геологических процессов и выбора на базе инженерно-геологического прогноза детальных конструктивных решений отдельных сооружений и их элементов (фундаментов, конструкций примыкания сооружений, подземного контура, противофильтрационных завес и др.). Ясно, что подобные данные можно получить в процессе изысканий в пределах предполагаемой сферы взаимодействия (этап III инженерно-геологических работ).
В период строительства гидротехнических сооружений проектно-изыскательская организация: 1) корректирует рабочие чертежи, уточняет расчеты процессов, вносит изменения в проект производства строительных работ в случае несовпадения проектных данных с фактическими данными об инженерно-геологических условиях; 2) осуществляет авторский надзор за точным, соответствующим проекту и нормативам выполнением строительных работ. Решение положений инженерной задачи требует инженерно-геологических данных и, следовательно, проведения соответстввующих изысканий в пределах развивающейся сферы взаимодействия ПТС (этап IV инженерно-геологических работ). Наконец, в процессе эксплуатации сооружений гидроузла реализуется управление его функционированием. В части взаимодействия подсистем ПТС «сооружения» и «область взаимодействия» управление базируется на инженерно-геологическом прогнозе, который составляется (корректируется) по данным наблюдений за режимом инженерно-геологических процессов. Их получают в ходе режимных наблюдений (этап V инженерно-геологических работ).
Этапы хозяйственной деятельности и инженерно-геологических изысканий для гидротехнических сооружений приведены в табл. 13.1.
Таблица 13.1. Отношения этапов различных видов
деятельности в области гидротехники
В процессе строительства и эксплуатации сооружений гидроузла реализуются сложные и многообразные взаимодействия между орудиями и продуктами человеческого труда (землеройной, водопонизительной и горной техникой, сооружениями и их элементами и т. д.) и геологической средой. Взаимодействия проявляются в форме экзогенных геологических процессов искусственного происхождения, называемых инженерно-геологическими. Инженерно-геологические процессы рассматриваются в курсе «Инженерная геодинамика», поэтому рационально только перечислить главнейшие из них, развивающиеся при строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений, и указать их причины (табл. 13.2).
Таблица 13.2. ЭГП, развивающиеся при строительстве
и эксплуатации гидротехнических сооружений, и их причины
Сооружения гидроузла, водохранилище и область геологической среды, взаимодействующая с ними, составляют локальную ПТС, принадлежащую к классу управляемых систем. Планирование, проектирование, строительство и эксплуатация подобных ПТС опираются на инженерно-геологический прогноз, для которого требуется инженерно-геологическая информация. Как показано, она полностью определяет методику изысканий, поэтому набор и характер инженерно-геологических процессов очерчивает круг вопросов, ответы на которые требуется получить в ходе изысканий.
Ниже рассматриваются инженерно-геологические изыскания для гидротехнических сооружений, выполняемых на различных этапах.
13.2. Инженерно-геологические изыскания
для обоснования схемы комплексного
использования водотока
Пространственные рамки решения инженерной задачи при составлении схемы комплексного использования реки требуют разнообразной, в том числе и инженерно-геологической, информации обо всей долине реки. Ее получают в процессе инженерно-геологических изысканий. Начинают изыскания со сбора, систематизации и обработки литературных, фондовых, архивных материалов.
Цель работы с накопленной инженерно-геологической информацией заключается в формулировании основных положений, составляющих рабочую геологическую гипотезу, и вопросов, требующих решения. На основании проработки имеющихся геологических данных составляют программу изысканий, сметный расчет и график работ. Если до составления программы нужно снять какие-либо вопросы, а накопленная информация не позволяет этого сделать, то проводят инженерно-геологическую рекогносцировку, в которой участвуют главный инженер проекта, инженер-геолог, геодезист, гидролог. Они обследуют долину реки или ее часть.
После утверждения программы приступают к инженерно-геологическим изысканиям. Их цель состоит в разбивке долины реки на ступени, выявлении возможности строительства гидроузлов и создании водохранилищ. Главным методом работ (этап I) является инженерно-геологическая съемка. Ее масштаб зависит от категории сложности инженерно-геологических условий (табл. 13.3).
Таблица 13.3. Масштабы инженерно-геологической съемки
при изысканиях для обоснования схемы комплексного использования водотока
Инженерно-геологические изыскания, как правило, включают геофизические исследования. Их цель заключается в выделении основных геологических границ (между рыхлыми и прочными скальными породами), выявлении переуглублений речной долины; установлении геоморфологической структуры долины; выявлении экзогенных геологических процессов; определении главных направлений изменчивости геологических параметров. Для установления основных геологических границ применяют методы ВЭЗ и электропрофилирования. Электропрофилирование используют также для установления зон тектонических нарушений, повышенной трещиноватости, карстовых полостей. По данным сейсморазведки устанавливают положение зон тектонических нарушений, переуглублений речной долины, границ скальных и рыхлых пород, положение кровли мерзлых пород и т. д.
В районах возможного размещения гидроузлов проводят небольшой объем буровых и горных работ. Выработки размещают в соответствии с геологическими правилами: по поперечникам через долину реки, на всех геоморфологических элементах и в местах их сопряжения. Расстояния между выработками в пределах каждого геоморфологического элемента можно рассчитать по данным геофизических работ (одномерный сппинф). Выработки на концах поперечника должны располагаться за пределами области возможного взаимодействия сооружений с геологической средой. Глубину буровых скважин устанавливают с учетом границ предполагаемой сферы взаимодействия геологической среды с сооружениями планируемого гидроузла.
По данным горных и буровых работ должны быть установлены: разрез и свойства рыхлых пород, положение кровли скальных пород, мощность зоны их разгрузки и выветривания в долине, устойчивость в бортах, гидрогеологические условия, водопроницаемость пород возможной зоны фильтрации.
При изысканиях в горных долинах в примыканиях будущих плотин проходят штольни, вскрывающие рыхлые отложения и зону разгрузки пород, а русловая часть долины исследуется буровыми скважинами.
В районах расположения гидроузлов первой очереди ведут опытные гидрогеологические работы. Главная цель работ заключается в выявлении условий фильтрации в районе плотины и оценке возможности фильтрационных деформаций основания подпорных сооружений. В состав работ входят опытные откачки, нагнетания, наливы.
В процессе инженерно-геологической съемки выделяют главным образом МГТ-1, которые характеризуют классификационными показателями (в виде размаха значений). В районах размещения гидроузлов первой очереди выделяют МГТ-2, для которых наряду с классификационными показателями устанавливают оценки показателей прочности и сжимаемости по небольшим выборкам. Особое внимание обращается на свойства тех геологических тел, которые могут оказаться в основании сооружений, тяжелых и сложных по условиям взаимодействия с основанием. При съемке в районах размещения гидроузлов изучаются экзогенные геологические процессы. В случаях необходимости в пределах областей с неустойчивой структурой проводят геофизические и горно-буровые работы.
В рамках изысканий ведутся поиски и разведка строительных материалов. Цель работ — установление обеспеченности будущего строительства местными строительными материалами. В процессе работ выявляют месторождения и подсчитывают их запасы по категориям С 1 и С 2 . Запасы в 2–3 раза должны превышать потребности строительства в стройматериалах.
13.3. Инженерно-геологические изыскания
для обоснования проекта
Как отмечалось, в соответствии с последовательностью решения инженерной задачи инженерно-геологические изыскания для обоснования проекта разделяются на два этапа: IIа и IIб. К началу проектирования гидроузла известен лишь район его размещения (некоторый участок долины реки). Инженерная (и инженерно-геологическая) задача состоит в выборе наилучшего участка размещения гидротехнических сооружений, который обеспечивает наиболее полное использование прочностных и деформационных свойств грунтов и материала возводимого сооружения при наименьших приведенных затратах [10, 30]. После выбора участка решают вторую часть инженерной задачи: устанавливают тип сооружений (ГЭС приплотинного или деривационного типа, конструкция и высота плотины, разработки вопросов судоходства, рыбного хозяйства, мелиорации и др.); производят окончательную компоновку сооружений; составляют проект сооружений и проект производства строительных работ.
На этапе IIа инженерно-геологических изысканий в районе строительства гидроузла ведут инженерно-геологическую съемку в масштабах 1 : 25 000 (для районов I категории сложности инженерно-геологических условий), 1 : 10 000 (II категория сложности) и 1 : 5000 (III категория сложности). Если в рамках схемы комплексного использования реки в районе проведена съемка, масштаб инженерно-геологической съемки укрупняют.
Площадь съемки охватывает все возможные участки размещения гидроузла и территорию, в пределах которой при его строительстве и эксплуатации разовьются инженерно-геологические процессы. В ходе инженерно-геологической съемки должны быть выделены и охарактеризованы показателями свойств геологические тела категории МГТ-2 (классификационные показатели). Те МГТ-2, которые, как предполагается, будут залегать в основании гидротехнических сооружений и свойства которых могут существенно повлиять на инженерно-геологическую оценку варианта размещения гидроузла, должны быть расчленены на МГТ-3 и охарактеризованы показателями прочности, сжимаемости, проницаемости. Характеристики приводятся в виде оценок средних значений с доверительной вероятностью 0,95.
Помимо инженерно-геологической съемки проводят геофизические исследования. Их выполняют для уточнения геологического строения; оценки показателей коллективных свойств скальных пород (в массиве): прочности, упругости, плотности (сейсмические и ультразвуковые методы); расчленения пород на зоны, отличающиеся степенью сохранности (сейсморазведка, электрокаротаж); оценки гидрогеологических условий, направления и скорости движения подземных вод (методы заряженного тела, естественного поля, электрохимические).
Горно-буровые работы проводятся с целью уточнения геологического строения на конкурирующих вариантах размещения гидроузла (на створах), проведения гидрогеологических работ, опробования грунтов и подземных вод, изучения проявлений ЭГП. Горные и буровые выработки располагают на сравниваемых вариантах, по поперечникам через долину.
Расстояния между выработками в пределах одного геоморфологического элемента можно подсчитать. Для ориентировочной оценки рекомендуется располагать выработки в зависимости от категории сложности на расстоянии 200–300 м в долинах равнинных рек и 15–150 м (I категория сложности) — в долинах горных рек. Шурфы закладывают на участках со сложным геологическим строением.
В горных долинах проходят штольни. Глубина выработки определяется глубиной возможной сферы взаимодействия геологической среды с сооружениями гидроузла. При проектировании высоких плотин в горных условиях закладывают скважины большого диаметра (смотровые), иногда — шахты.
Гидрогеологические исследования, выполняемые в рамках этапа IIа инженерно-геологических изысканий, должны дать ответ на вопрос о том, какой вариант является более предпочтительным по соображениям гидрогеологического порядка. Для этого в пределах вариантов ведут опытные гидрогеологические работы (нагнетания, откачки, наливы) на глубину возможного развития зоны фильтрации. В ходе работ производят гидрогеологическое опробование. Из каждого водоносного горизонта отбирают пробы воды для оценки ее химического состава и агрессивности.
Опытные инженерно-геологические работы, например динамическое (статическое) зондирование, проводят для оценки геологического строения, показателей свойств рыхлых пород и характеристики их пространственной изменчивости. На участках распространения скальных пород изучают их выветрелость, трещиноватость, тектоническую нарушенность. Для оценки прочностных и деформационных свойств пород (особенно выветрелых, грубообломочных) применяют полевые методы.
По трассам деривации на этапе IIа выполняют инженерно-геологическую съемку масштаба 1 : 25 000 — 1 : 5000 в зависимости от категории сложности инженерно-геологических условий. Ширина полосы съемки 0,5–1 км в сторону от оси трассы деривации. По оси трассы и на поперечниках проходят скважины на глубину 3–5 м ниже отметки выемки канала.
Поперечники располагают в наиболее сложных по геологическому строению местах, на участках поворота трассы, в местах проявления ЭГП. Длина поперечников до 200 м. Расстояния между выработками по трассе деривационного канала получают расчетом (одномерный сппинф). В районах распространения рыхлых пород по оси возможной трассы деривации ведут динамическое (статическое) зондирование или пенетрационный каротаж. Опытно-фильтрационные исследования на трассе деривации осуществляют только тогда, когда размеры фильтрации могут оказать решающее влияние на оценку трассы и ее выбор.
На вариантах трассы деривационных тоннелей ведут инженерно-геологическую съемку (1 : 25 000 — 1 : 5000), на портальных участках масштаб съемки может быть укрупнен до 1 : 2000. Если геологическое строение трассы тоннеля несложное, то горно-буровыми выработками вскрывают поверхностные отложения и выветрелую зону коренных пород, в которых проектируют тоннель. Проходят 3–5 выработок на 1 км трассы. При сложном геологическом строении проходят скважины до отметки заложения тоннеля, если он располагается на глубине до 300 м (не более одной скважины на 3 км трассы). На участках порталов закладывают поперечники (3–5 скважин на расстоянии до 25 м).
На участках возможного размещения станционных узлов деривационных гидроэлектростанций (на вариантах их размещения) проводят инженерно-геологическую съемку масштаба 1 : 10 000 — 1 : 2000. Съемка сопровождается горно-буровыми работами на участке напорного бассейна, по трассе напорного трубопровода, на участке здания ГЭС. Глубина выработок: на участке напорного бассейна — до 20 м ниже отметки дна бассейна; на участке здания ГЭС — до 15 м ниже отметки заложения фундамента, на участке напорного трубопровода — до 7 м ниже отметок фундаментов опор.
Инженерно-геологические изыскания на площади будущего водохранилища проводятся с целью получения данных для прогноза инженерно-геологических процессов (переработки берегов, подтопления, заболачивания, фильтрации) и обоснования на основе прогноза проекта защитных мероприятий. Главным методом изысканий в пределах чаши будущего водохранилища следует считать инженерно-геологическую съемку масштаба 1 : 200 000 — 1 : 50 000. Съемка охватывает всю территорию, на которой при взаимодействии с водохранилищем будут развиваться инженерно-геологические процессы. По результатам съемки проводят инженерно-геологическое районирование территории водохранилища и выделяют участки, на которых ожидается развитие процессов переработки берегов, подтопления территории, фильтрации воды в борта водохранилища.
В рамках изысканий для проекта проводятся поиск и разведка месторождений строительных материалов. Подсчет запасов проводят по категориям C 1 и В.
После выбора варианта размещения гидроузла инженерно-геологические изыскания по своему характеру и целевому назначению отвечают этапу IIб (инженерно-геологические исследования на выбранной для строительства площадке). На участке долины реки, выбранном для строительства сооружений гидроузла, производят инженерно-геологическую съемку масштаба 1 : 1000 — 1 : 5000. Масштаб съемки узких горных долин со сложным геологическим строением — 1 : 1000, более широких долин со сложными инженерно-геологическими условиями — 1 : 2000, широких долин равнинных рек — 1 : 5000.
В долинах равнинных рек участки размещения бетонных водосливных плотин, зданий ГЭС, шлюзовых камер могут сниматься в более крупном масштабе, чем участок гидроузла. Площадь съемки ограничивают предполагаемой областью взаимодействия геологической среды с сооружениями гидроузла (в латеральной плоскости и по глубине). В результате инженерно-геологической съемки должны быть выделены и охарактеризованы показателями свойств МГТ-2 и МГТ-3 (соответственно оценки классификационных показателей и показатели прочности и сжимаемости).
Горно-буровые выработки располагают, учитывая особенности компоновки сооружений гидроузла. Фронт напорных сооружений (линию створа) можно перемещать лишь по долине, а другие сооружения (например, сооружения деривации) подчинены компоновочному решению напорных сооружений.
Ясно, что наряду с определением места размещения выработки в рамках регулярного сппинфа (чаще одномерного) местоположение выработок предопределено вариантом компоновки сооружений гидроузла. Выработки располагают по длинной оси напорных сооружений, оси створа и параллельно направлению створа, на расстоянии до 100 м выше и ниже оси створа. Расстояния между выработками рассчитывают на основании данных изысканий этапа IIа. Справочная литература [30] содержит следующие рекомендации относительно шага между выработками (табл. 13.4).
Таблица 13.4 . Расстояние между выработками (м) при изысканиях на выбранном варианте
Отметим, что эти рекомендации в лучшем случае опираются на опыт изысканий и научно не обоснованы. В то же время реализация системы горно-буровых выработок, параметры которой рассчитаны с учетом характеристик пространственной изменчивости, позволяет получить информацию о строении и свойствах основания с заданной доверительной вероятностью и принятой точностью оценки средних значений показателей свойств. Горно-буровые работы, как и инженерно-геологические съемки, должны обеспечить расчленение геологической среды в пределах сферы взаимодействия на МГТ-3 и получение для них оценок показателей свойств, необходимых для проведения предварительных расчетов оснований (несущей способности, устойчивости естественных и искусственных склонов и откосов, величин перемещений сооружений, обусловленных деформациями оснований, фильтрационной прочности и фильтрационного расхода и др.). Для определения показателей свойств на участках размещения сооружений ведут полевые опытные работы (сдвиги, нагрузки на штамп, обрушения, выпирания и др.), особенно при изучении грубообломочных, трещиноватых и выветрелых скальных пород, коллективные свойства которых существенно отличаются от свойств, полученных в лабораторных условиях, на образцах.
Гидрогеологические работы в соответствии с условиями инженерной задачи должны обеспечить выполнение расчетов гидрогеологических процессов (фильтрационных расходов, водопритоков в котлованы и выработки, гидродинамического давления, суффозии). Гидрогеологические работы ведут в диапазоне высотных отметок НПУ — нижняя граница зоны фильтрации (обычно не более двух величин напора). Для изучения гидрогеологических условий ведут наблюдения за уровнем подземных вод, проводят гидрогеологическое опробование. Химический состав и агрессивность подземных вод оцениваются для каждого водоносного горизонта по выборкам малого объема. Для оценки гидрогеологических параметров проводят опытные откачки, наливы в шурфы и скважины, нагнетания.
В процессе инженерно-геологического опробования пород, выполняемого в рамках инженерно-геологической съемки и горно-буровых работ, из каждого МГТ-2 отбирается нужное число образцов для получения оценки среднего значения классификационного показателя, а также показателей прочности и сжимаемости с требуемой доверительной вероятностью 0,95. Число образцов подсчитывают (определяют по номограмме) по данным о дисперсии и заданной точности оценки показателя.
На выбранном варианте трассы деривационного канала проводят горно-буровые работы. Выработки проходят на местах размещения проектируемых сооружений (затворы, акведуки, дюкеры) и на наиболее сложных в инженерно-геологическом отношении участках. Глубину выработок устанавливают с расчетом вскрытия разреза пород на 3–5 м ниже отметки основания канала.
В местах трассы, на которых ожидаются большие фильтрационные потери, выработки проходят до водоупора и в них проводят опытные откачки. Для оценки водопроницаемости пород, которые будут слагать основание и откосы канала, выполняют опытные наливы и нагнетания. На участках трассы, сложенных неустойчивыми породами, проводят опытные сдвиги, обрушения, выпирания для определения прочностных свойств.
Инженерно-геологическое опробование пород по трассе деривации должно обеспечить выделение МГТ-3 и оценку их прочностных и фильтрационных свойств с заданными точностью и доверительной вероятностью. На выбранных трассах деривационных тоннелей проходят дополнительные выработки (не более одной скважины глубиной 100–300 м на 2–3 км трассы). Разведку портальных участков тоннелей осуществляют путем проходки штолен с учетом вскрытия толщи рыхлых пород на склоне и зон выветривания и разгрузки скальных пород. По трассе ведут гидрогеологические наблюдения и опытно-фильтрационные работы для получения сведений, нужных для оценки водопритоков в тоннель при его проходке и фильтрационных потерь.
На участках станционных узлов деривационных гидроэлектростанций ведут детальную разведку мест размещения сооружений. Выработки проходят по оси отводящего канала, на поперечниках по трассе напорного трубопровода, по осям напорного бассейна и здания станции. В процессе инженерно-геологического опробования должно быть обеспечено получение данных о прочностных и деформационных свойствах пород с требуемыми точностью и доверительной вероятностью.
На территории водохранилища инженерно-геологические изыскания этапа IIб проводят только на участках предполагаемого развития инженерно-геологических и гидрогеологических процессов, фильтрации, подтопления, переработки берегов. На этих участках проводят инженерно-геологическую (или гидрогеологическую) съемку масштаба 1 : 25 000 — 1 : 5000.
По данным съемки выделяют поперечники, на которых проводят опытные работы. На участках возможной фильтрации из водохранилища поперечник буровых скважин проходит через водораздел. На нем проводят 1–2 опытные откачки и опытные нагнетания.
На участках подтопления и переработки берегов для получения сведений, нужных для прогноза подпора грунтовых вод и величины переработки берега, скважины располагают по поперечникам к будущей береговой линии. С целью прогноза подтопления данные получают в процессе откачек, наливов в шурфы и в ходе наблюдений за режимом УГВ. На поперечниках, предназначенных для оценки переработки берегов, проводят инженерно-геологическое опробование пород, опытные работы по определению размываемости пород.
На этапе IIб продолжают разведку строительных материалов. Изучают наиболее перспективные месторождения. Запасы строительных материалов должны отвечать категориям В и А и на 30–50 % превышать потребность строительства.
13.4. Инженерно-геологические изыскания
для обоснования рабочей документации
Условия инженерной задачи, такие как доработка и уточнение технических решений, разработка детальных конструктивных решений для отдельных сооружений, составление окончательного варианта проекта производства строительных работ и др., требуют проведения инженерно-геологических изысканий в пределах предполагаемых сфер взаимодействия отдельных сооружений. Изыскания должны дать материалы для составления расчетных схем, прогноза инженерно-геологических процессов, а также данные для составления проекта строительных работ.
Главным методом изысканий является детальная инженерно-геологическая разведка. Горные и буровые выработки располагают на местах строительства плотин, водосбросов, зданий ГЭС, шлюзов, подводящих, отводящих и деривационных каналов, противофильтрационных завес, дренажа, дамб и др. Выработки размещают по расчетным сечениям, по осям и контурам сооружения (рис. 13.2).
Глубина выработок определяется сферой взаимодействия. По сравнению с изысканиями для проекта большее значение приобретает проходка шурфов, штолен, выработок нестандартного сечения для проведения опытных (опытно-строительных) работ, скважин большого диаметра. На местах размещения фундаментов ответственных сооружений проводят опытные нагрузки на штампы (на сваи), опытные сдвиги целиков, обрушения (выпирания, раздавливание) призм. На площадке размещения сооружения проводят до пяти испытаний.
Рис. 13.2. Примеры размещения выработок при детальной инженерно-
геологической разведке в пределах предполагаемой сферы взаимодействия.
а — плотина; б — судоходный камерный шлюз: 1 — голова, 2 — камера;
в — сооружения деривационного гидроузла: 1 — трасса деривационного канала,
2 — напорный бассейн, 3 — опоры турбинных трубопроводов,
4 — машинное здание, 5 — трасса отводящего канала; г — цементационная завеса:
1 — штольня верхнего яруса, буровая скважина в штольне: 2 — штольня верхнего яруса,
3 — штольня нижнего яруса и в долине, на отметках уреза воды;
4 — контуры арочной плотины
В процессе инженерно-геологического опробования по расчетным сечениям каждой зоны сферы взаимодействия сооружения получают данные для уточнения положения границ инженерно-геологических элементов и установления показателей их свойств, которые используются в расчетах процессов. Объем опробования должен быть достаточным для проведения статистических расчетов (оценка законов распределения, проверка статистической однородности геологических тел по показателям, используемым в расчетах, оценка средних значений и мер их рассеяния). Значения показателей свойств грунтов, используемых при расчетах оснований, получают в лабораторных условиях в ходе модельных испытаний. Условия и режим их проведения должны отвечать основным этапам развития и функционирования сферы взаимодействия (например, периодам нагрузки пород основания, начала уплотнения пород основания под нагрузкой от сооружения, относительной консолидации грунтов основания, наполнения водохранилища до НПУ).
Геофизические работы выполняют с целью уточнения отдельных вопросов, связанных с прогнозом инженерно-геологических и гидрогеологических процессов. Опытно-фильтрационные работы проводят с целью получения информации, необходимой для уточнения проектных решений в отношении: плотности и глубины противофильтрационных завес, водоотлива из строительных котлованов, тоннелей, глубинного водопонижения, расчета дренажей. Гидрогеологические работы продолжают изучение режима подземных вод, начатое при изысканиях для проекта. Для этого расширяют сеть наблюдательных скважин, располагаемых по расчетным сечениям, внутри контуров зон изменения гидродинамического режима подземных вод. В скважинах проводят также опытно-фильтрационные исследования.
Изыскание для обоснования РД обычно включает моделирование гидрогеологических и инженерно-геологических процессов. Для моделирования напряженного состояния пород, вскрытых выемками и находящихся под нагрузкой от сооружения, применяют поляризационно-оптический метод, метод эквивалентных материалов и др.
Поле напряжений в естественных склонах и откосах выемок получают также методом конечных элементов. Для получения моделей полей геологических параметров используют методы ортогональных полиномов, сплайн-интерполяции, МАКФ, самоорганизации. Модели реализуют на ЭВМ. Для гидрогеологического моделирования применяют различные математические методы. Моделирование процессов выполняют по специальной программе.
На стадии РД ответственных сооружений проводят опытно-строительные работы: строительство опытных котлованов, участков противофильтрационных завес, опытное водопонижение, строительство опытных участков трасс деривации, частей земляных сооружений (отработка технологии намыва или отсыпки грунтов). В ходе этих работ ведутся инженерно-геологические наблюдения по контрольной сети (реперы, пьезометры, датчики порового давления и другие устройства). Цель наблюдений — проверка эффективности строительных работ и получение данных для уточнения инженерно-геологических прогнозов.
В чаше водохранилища на опытных створах продолжают инженерно-геологические наблюдения с целью получения данных, на основе которых уточняют проект защитных мероприятий.
На перспективных месторождениях продолжают разведку строительных материалов. По данным предыдущих исследований рассчитывают трехмерный сппинф и размещают скважины и горные выработки (до 20 % от объема сппинфа) на площади месторождения.
По результатам разведки должны быть решены следующие задачи.
1. Запасы должны быть переведены в категорию А.
2. Оценено качество строительных материалов и соответствие их требованиям проекта.
3. Оценены способы разработки месторождения.
13.5. Инженерно-геологические изыскания
в период строительства и эксплуатации
гидротехнических сооружений
В процессе строительства гидротехнических сооружений осуществляются: 1) авторский надзор за отвечающим в точности проекту и техническим условиям выполнением строительных работ; 2) корректировка рабочих чертежей и способов ведения строительства в случае несовпадения данных инженерно-геологического прогноза с фактическими инженерно-геологическими данными, выявленными в ходе строительства. Информацию о фактически наблюдаемых инженерно-геологических условиях и эффективности предусмотренных проектом способов ведения строительства и защитных мероприятий получают в процессе оперативной инженерно-геологической разведки (этап IV). Цель ее заключается в: а) проверке инженерно-геологических прогнозов; б) контроле за качеством выполнения проекта и эффективностью работ по проходке строительных выемок (котлованов, каналов, тоннелей и др.), работ по подготовке оснований, устройству водопонижения, дренажей, цементации; в) осуществлении контроля за соблюдением предусмотренной проектом (техническими условиями) технологии возведения земляных сооружений (геотехконтроль).
13.6. Об особенностях проведения инженерно-
геологических изысканий для гидротехнических
сооружений в сложных природных условиях
При планировании, проектировании, строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений в сложных природных условиях существенно усложняется и методика инженерно-геологических изысканий.
В районах распространения многолетнемерзлых пород особенности инженерно-геологических изысканий обусловлены изменением теплового режима на большой территории; необходимостью выявления форм залегания, границ, мощности многолетнемерзлых пород и изучения характера состава, строения, температурного режима, криогенной текстуры, физико-механических и теплофизических свойств пород и их изменения при оттаивании. В дополнение к обычным исследованиям проводят геокриологическую съемку, в ходе которой выявляют закономерности распространения мерзлых и талых пород и их свойства, связь с ландшафтными индикаторами, геокриологические процессы (термокарст, солифлюкцию, бугры пучения и др.).
В состав инженерно-геокриологических изысканий включают геофизические работы: термометрию (определение мощности и температурного режима мерзлых пород); электроразведку (определение глубины сезонного промерзания — протаивания, выделение участков с различной льдистостью). В процессе изысканий проводят наблюдения за режимом температуры на специально оборудованных стационарных площадках (этап IIа). Ведут лабораторные исследования мерзлых пород (определение теплопроводности, теплоемкости, льдистости, суммарной весовой влажности, осадков при оттаивании, прочностных свойств грунтов в мерзлом и талом состоянии). Ряд перечисленных показателей определяют и полевыми методами (теплопроводность, теплоемкость, осадка при оттаивании). Для оценки проницаемости используют метод нагнетания воздуха.
В районах развития карста методика инженерно-геологических исследований подчинена рабочей гипотезе о карстовом процессе (возраст, распространение, условия, причины, скорость развития, стадия). Задачами изыскания следует считать: выявление связи процесса с геологическим строением, составом и свойствами пород, с геоморфологическими условиями, с трещиноватостью (в том числе с трещинами разгрузки и бортового отпора) и тектонической нарушенностью; выявление гидродинамических и гидрохимических закономерностей, определяющих режим, скорость и интенсивность карстового процесса.
На этапе I изысканий (для обоснования схемы) в процессе инженерно-геологической съемки и геофизических работ должны быть изучены общие закономерности, которым подчинено развитие карстового процесса в долине реки. При изысканиях для обоснования проекта (этап IIа) оценивают проявления процесса и его интенсивность. По данным изысканий составляют схему развития процесса. На основе схемы решают вопрос об уходе от области развития карстового процесса или о размещении сооружений в пределах этой области. В случае последнего решения при изысканиях на этапах IIб и III ведут специальные исследования с целью:
1) оценки пространственной структуры проявлений карста;
2) определения водопроницаемости закарстованных пород в горизонтальном и вертикальном направлениях (метод трехзонных кустовых откачек из скважин большого диаметра);
3) оценки степени закольматированности пород в пределах русловой части долины и на ее склонах;
4) определения суффозионной устойчивости рыхлого заполнителя пустот и трещин методом нагнетания в одиночные скважины с последовательным увеличением напора или методом опробования двух скважин (нагнетание в одну скважину и откачка из другой с отбором проб воды и анализом условий и времени появления заполнителя);
5) определения прочности и сжимаемости закарстованных пород полевыми методами (штампы, прессиометрия).
В районах со сложной тектоникой инженерно-геологические изыскания опираются на гипотезу о структурно-тектоническом строении и истории тектонического развития района размещения гидроузла. Гипотеза включает схему тектонического строения, которую непрерывно уточняют и детализируют в процессе изысканий. Их основная задача состоит в: выявлении тектонического строения территории; установлении пространственной изменчивости и анизотропности свойств пород, связанных с элементами тектоники (сбросами, надвигами, складками, трещиноватостью); реконструкции процессов формирования пространственной изменчивости свойств пород и их трещиноватости, обусловленной наложением на процессы прогрессивного литогенеза тектонических процессов и процессов регрессивной фазы (разгрузки и выветривания). «Равнодействующая» этих процессов определяет сохранность пород в бортах и дне долины и их свойства.
Для решения перечисленных задач в состав инженерно-геологической съемки включают сейсморазведку, разведку ультразвуковым методом, структурно-петрологические исследования, горные и буровые работы (штольни, шахты, канавы, рассечки, скважины большого диаметра). В процессе съемки большое внимание уделяют изучению трещиноватости пород.
В результате исследования должны быть получены модели полей трещиноватости, круговые диаграммы и другие отчетные материалы, количественно характеризующие пространственную изменчивость трещиноватости, системы трещин и их генетические типы.
Для выявления сейсмической устойчивости территории в состав работ нередко включают сейсмическое районирование общего типа, сейсмическое микрорайонирование, наблюдения за современными тектоническими движениями по разломам. Показатели свойств, в особенности прочности и сжимаемости, получают полевыми методами (нагрузки на штамп, сдвиги штампов, сдвиги бетонных массивов и блоков пород, определение характеристик упругого отпора в выработках, прессиометрия). Данные полевых определений (коллективные свойства) используют для корректировки результатов лабораторных работ. Большое внимание уделяется опытно-фильтрационным исследованиям трещиноватых пород, зон трещиноватости и тектонического дробления.
Источник: bookonlime.ru