Основы инженерных изысканий для строительства

Основы инженерных изысканий для строительства

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений и ориентировано на программу курса «Инженерные изыскания» для строительных вузов.

Инженеры-строители, как правило, самостоятельно не выполняют инженерных изысканий — для этого существуют специализированные организации. Однако, при проектирование и осуществлении строительства они используют полученные при изысканиях данные, а на некоторых стадиях принимают непосредственное участие в выполнении изыскательских работ.

В пособии кратко освещены задачи и методы проведения инженерно-геодезических, инженерно-геологических, инженерно-метеорологических, экологических, градостроительных, историко-архитектурных и экономических изысканий. Практические занятия включают изучение состава и объема выполняемых работ на примере инженерно-геологических изысканий, методику получения характеристик грунтов, обработку полученных результатов и их представление.

На практических занятиях студенты знакомятся с составом отчетов по выполненным изыскательским работам, изучают оборудование и приборы, необходимые для проведения испытаний, их работу и измеряемые в процессе выполнения испытаний параметры.

При изучении показателей механических свойств грунтов, как правило, рассматриваются два способа их получения: в лаборатории и полевых условиях. В приложении 1 приведена методика статической обработки данных испытания.

Итогом каждого практического занятия являются получение студентом показателей свойств грунтов по заданным результатам испытаний.

1. Инженерные изыскания — составная часть строительного производства

1.1 Виды изысканий

инженерный изыскание геодезический сооружение

В зависимости от объектов изучения и по своей направленности изыскания подразделяются на технические, экономические, экологические, градостроительные, историко-архитектурные, культурологические и др. К основным техническим изысканиям следует отнести инженерно-геодезические, инженерно-геологические и инженерно-гидрометеорологические.

Объектами изучения инженерно-геодезических изысканий являются рельеф и ситуация в пределах участка строительства, на выбираемой строительной площадке или трассе.

В процессе проведения инженерно-геологических изысканий изучению подлежат грунты как основание или среда зданий и сооружений, заключенные в них подземные воды, физико-геологические процессы и формы их проявления, а в отдельных случаях грунты как строительный материал.

При выполнении инженерно-гидрометеорологических изысканий изучают поверхностные воды и климат.

Перечисленные виды инженерных изысканий отнесены к основным потому, что их проведение необходимо для выбора проектных решений и обоснования разработки проектов практически всех зданий и сооружений независимо от назначения, вида и конструкции. Однако соотношение основных видов изысканий полностью определяется видом строительства. Так, для обоснования проектов линий электропередачи превалирующее значение имеют инженерно-геодезические изыскания, проектов гидроэлектростанций — инженерно-геологические, проектов портовых сооружений — инженерно-гидрометеорологические.

При изучении природных условий для обоснования проектов некоторых сооружений в качестве самостоятельных проводятся другие виды изысканий. Так, для обоснования проектов мелиоративных систем необходимы гидрогеологические, почвенные и геоботанические изыскания, для обоснования проектов озеленения — почвенные и геоботанические, для обоснования проектов лесоустроительных работ — лесотехнические и т. д. К самостоятельному виду изысканий относятся изыскания источников водоснабжения.

Содержание экономических изысканий зависит от вида инженерного сооружения и может включать экономическую целесообразность размещения сооружения в данном месте, рациональное прохождение трассы на местности и др.

Экологические изыскания включают получение необходимых данных для полного учета воздействия сооружения на окружающую природную среду.

Градостроительные, историко-архитектурные, культурологические изыскания выполняют при строительстве городов, восстановлении или реконструкции памятников архитектуры, парков, заповедников и др.

Проведение изысканий следует проводить комплексно. Это обеспечивает всестороннее изучение природных условий строительства, выявляет существующие в природе закономерности, вскрывает связи между отдельными компонентами природных условий, что в итоге позволяет разрабатывать как технически обоснованные, экономически целесообразные проекты зданий и сооружений, так и обоснованные прогнозы их взаимодействия с окружающей природной средой.

1.2 Задачи инженерных изысканий

Под инженерными изысканиями для строительства следует понимать комплексный производственный процесс, обеспечивающий строительное проектирование исходными данными о природных условиях района (участка) предполагаемого строительства. Это определение полностью отвечает основной задаче инженерных изысканий, которая в главе СНиП 2.03.11−87 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения» формулируется как комплексное изучение природных условий района (участка) строительства и получение необходимых материалов для разработки экономически целесообразных и технически обоснованных решений при проектировании и строительстве объектов, а также данных для составления прогноза изменений окружающей природной среды под воздействием строительства и эксплуатации предприятий, зданий и сооружений. Из определения и основной задачи инженерных изысканий следует, что к ним необходимо относить только те виды работ, которые проводятся для изучения природных условий строительства. Это позволяет исключить выполнения изыскателями несвойственных им видов работ, как проведения согласований по отводу земель для строительства, оценке угодий и сносимых сооружений и т. п., что способствует более целеустремленному и качественному осуществлению изыскательских и проектных работ подготовительного характера, поскольку каждый специалист выполняет работы только своего профиля.

Инженерные изыскания должны проводиться комплексно. Это в первую очередь определяется многообразием природных факторов, непосредственно влияющих на выбор проектных решений и условия строительства и эксплуатации зданий и сооружений, их взаимной связью. Например, возникновение и развитие подавляющего большинства физико-геологических процессов обусловлено, как правило, не только определенными геологическими условиями, но и характером рельефа, гидрологическими и климатическими факторами.

Из определения и основной задачи инженерных изысканий следует, что они являются неотъемлемой составной частью строительного производства. Их органичное единство со строительным проектированием и строительно-монтажными работами может быть подтверждено многочисленными примерами из практики. Ни один проект в настоящее время не может быть грамотно разработан и осуществлен без материалов инженерных изысканий. Там же, где это органичное единство было нарушено из-за низкого качества изысканий или из-за того, что материалы изысканий и выданные изыскателями рекомендации не были учтены при разработке проектов зданий и сооружений, а также при производстве строительных работ, всегда отмечалось повышение стоимости строительства по сравнению со сметной стоимостью или увеличение продолжительности строительства по сравнению с нормативной продолжительностью. Именно это обстоятельство свидетельствует о необходимости рассматривать инженерные изыскания в качестве составной части строительного производства.

Таким образом, строительство как отрасль народного хозяйства может быть подразделено на следующие три составные части или самостоятельных вида производственной деятельности: инженерные изыскания, строительное проектирование и строительно-монтажные работы. Специализация производства вызывает необходимость их организационного обособления. Этот процесс с каждым годом развивается все глубже и шире. Однако органичное единство, взаимосвязи и взаимообусловленность трех составных частей строительного производства должны оставаться незыблемыми. Для этого следует найти и установить соответствующие формы взаимоотношений между специализированными изыскательскими, проектными и строительными организациями. Такая тенденция уже просматривается, особенно в области реконструкции.

1.3 Аварии сооружений из-за ошибок при инженерных изысканиях

Разрушение плотины Сан-Френсис (Калифорния, США).

Плотина бетонная, гравитационная, строилась с 1924 г. по 1926 год. Длина плотины по гребню составляет — 186 м. Высота — 62 м. 0 чертание — криволинейное, средняя часть очерчена радиусом — 130 м. Ширина основания — 51 м. Емкость водохранилища — 46 млн. м³. В ночь на 13 марта 1928 года плотина рухнула /разломалась/ и вода потоком высотой 30 метров, хлынула вниз по долине, сметая все на своем пути, причиняя огромный ущерб и унося много жертв. Бетонные блоки объемом до 2500 м³ были отнесены в низ по течению на 800 м.

Основание плотины было сложено неоднородными грунтами: на левом берегу и в центре — сланцы, на правом берегу — красный конгломерат. Перед постройкой плотины инженерно-геологические изыскания в требуемом объеме не были выполнены. Так, не были изучены прочностные свойства грунтов основания, возможное изменение этих свойств при увлажнении.

В чем причина катастрофы? По единодушному мнению ряда комиссий катастрофа произошла в результате изменения физико-механических свойств грунтов под влиянием воды. Эти свойства, как уже отмечалось, предварительно не были изучены.

Составными частями конгломерата являются глина и гипс. Гипс растворился, глина размягчилась, в результате прочность грунта, как показали опыты, упала в 2−3 раза.

Прочность сланцев колебалась от 250 до 770 кг/см² и не уменьшилась под воздействием воды. Но слоистая структура способствовала скольжению верхних слоев основания вниз по течения под влиянием давления воды.

Таким образом, в результате выщелачивания гипса увеличилась фильтрация под плотиной, что привело к образованию крупной промоины. Нижняя часть плотины обрушилась в промоину и увлекла, за собой верхнюю часть.

В образовавшийся обрыв хлынула, вода, вслед за чем была смыта та часть плотины, которая стояла на сланцах.

По аналогичным причинам произошла катастрофа плотины Аустин (Техас США) в 1900 г., плотины Селла Зереино /Италия/ в 1955 г. и ряд других плотин, когда прочность и водопроницаемость оснований не были достаточно изучены при проведении изысканий.

Авария шестисекционного 96-квартирного кирпичного жилого дома (г. Тула, Россия).

Типовой пятиэтажный дом с продольными несущими стенами, подвалом и магазином в первом этаже, возведенный на 90% до плит совмещенной кровли, обрушился в одной из секций на высоту всех пяти этажей (рис. 2, а). Обследование аварийного здания и изучение проектной документации показало следующее.

Сборные железобетонные прерывистые фундаменты, заложенные относительно пола подвала на 20 см, просели в середине здания по наружной оси В до 54 см и сместились внутрь подвала до 70 см. Бетонная подготовка пола подвала отсутствовала. По длине здания смещения и осадки фундаментов были неравными. Указанные деформации привели к образованию в подвале валов выпирания грунта шириной 1,2…1,5 м и высотой 0,6…1,0 м. По средней оси Б максимальные осадки фундаментов составили 54 см со смещением в сторону оси, А до 20 см (рис. 2, б, в, г). Валы выпирания располагались здесь по обе стороны стены подвала. По оси А осадок и смещений фундаментов отмечено не было.

Все размеры приведены в метрах Рис. 1.1. Аварийные деформации жилого дома в г. Туле, а — развитие деформаций в фасадной стене; б — смещение несущих стен в плане; в-поперечный разрез здания; г — смещение фундаментов. 1 — обрушившаяся часть; 2 — отклонение стены;

3 — выпор грунта; 4 — деформация пола подвала.

Вследствие неравномерной деформации фундаментов под продольными стенами жесткая коробка здания повернулась в поперечном направлении вокруг линии, проходящей по оси фундаментов В. При этом отклонение верхней части стены здания от линии цоколя составило 55…60 см. В наружных стенах здания отмечались большие трещины. Основной причиной аварийных деформаций дома явилась неправильная оценка изыскателями свойств грунтов основания. Воспользовавшись значениями прочностных характеристик грунта, приведенными в СНиПе на проектирование оснований, изыскатели не учли, что эти таблицы распространяются только на четвертичные отложения. В основании же аварийного дома находились глинистые грунты нижнекаменноугольных отложений, обладающие резко выраженной способностью к снижению прочностных и увеличению деформационных свойств при обнажении и увлажнении.

К ошибкам изыскателей и проектировщиков добавились ошибки во время строительства. Плохая планировка грунта вокруг здания и наличие уклона поверхности к нему привели к прониканию в подвал дождевой воды через недостаточно уплотненную обратную засыпку и к переувлажнению основания. Стена подвала при отсутствии бетонной подготовки пола стала работать по схеме подпорной стенки с небольшим заглублением передней грани и повышенным горизонтальным давлением увлажненного грунта обратной засыпки на ее заднюю грань. Проектировщики не учли возможности изменения расчетной схемы работы подвала во время строительства, как этого требуют нормы. В связи со значительными повреждениями конструкций здание пришлось разобрать.

Наряду с неправильной оценкой свойств грунтов при изысканиях нередки случаи, когда оказываются невыявленными сильносжимаемые слои глинистых грунтов и особенно погребенных торфов или заторфованных грунтов. Оказавшись в основании зданий и сооружений, даже за пределами границы сжимаемой толщи, они могут вызвать длительные по времени и значительные по величине неравномерные осадки.

В практике изыскательских работ для жилых зданий малой и средней этажности глубина разведочных скважин обычно не превышает 8…10 м. Это считается достаточным для того, чтобы охарактеризовать свойства грунтов и провести необходимые расчеты основания и фундаментов. Однако такой подход не оправдал себя при привязке зданий и сооружений на так называемых заторфованных территориях, которые имеют в составе грунтовых слоев растительные остатки в том числе слои, прослойки или линзы погребенного торфа.

Через год после сдачи в эксплуатацию трехэтажное кирпичное здание стало претерпевать возрастающие во времени неравномерные осадки. Изучение технической документации показало, что в основании здания залегает мощная толща моренных тугопластичных слабосжимаемых суглинков с расчетным сопротивлением R=0,2 МПа. Давление по подошве его фундаментов не превышало p=0,18 МПа. Качество выполнения надфундаментных конструкций не вызвало замечаний. Вместе с тем рост осадок здания продолжался, поэтому было решено провести дополнительные инженерно-геологические исследования. Пробурив скважину глубиной 15 м (ранее глубина скважин не превышала 8 м), обнаружили линзу погребенного неразложившегося торфа толщиной от 6 м и более, широко развитую в плане. Не выявленное на стадии изысканий наличие сильносжимаемого грунта и было причиной деформаций здания (рис. 3).

Рис. 1.2. Линза сжимаемого торфа в основании здания.

1 — моренные тугопластичные суглинки; 2 — торф.

2. Инженерно-геологические изыскания

2.1 Геологические породы — как основания зданий и сооружений и их основные свойства

В строительной практике принято верхний слой горных пород, слагающих кору выветривания, которые используют как основание или материал для инженерных сооружений называть грунтами. Грунты могут быть также использованы как среда для некоторых инженерных сооружений, в частности, тоннелей, метро, шахт и др.

В зависимости степени разрушения горной породы и некоторых других свойств, важных в строительном отношении, грунты залегающие в основании или используемые как строительный материал можно классифицировать на:

— скальные — магматические, метаморфические и осадочные горные породы с жесткой связью между минералами или агрегатами, в виде сплошного или трещиноватого массива;

— сыпучие — не сцементированные грунты, не обладающие связностью в сухом состоянии и не обладающие пластичностью;

— глинистые — связные в сухом состоянии, тонкозернистые грунты, обладающие свойствами пластичности;

— особые грунты, имеющие малую несущую способность и структурно неустойчивые.

Скальные породы характеризуются высокими прочностными характеристиками. Так, временное сопротивление одноосному сжатию составляет от 300,0 до 2,0 МПа. Породы, обладающие временным сопротивлением сжатию в насыщенном состоянии меньше 5,0 МПа, относят к полускальным.

Большей части скальных пород присуща трещиноватость. Наличие трещин приводит к ослаблению массива и создает условия для фильтрации. С поверхности на глубину до 25…50 м скальные породы могут быть в той или иной степени выветрелые, что также приводит к снижению прочности массива.

Некоторые из скальных пород из-за их слоистого строения обладают анизатропностью — различными свойствами по различным направлениям. В целом скальные грунты являются надежными основаниями и требуют детального изучения только при возведении на них водоудерживающих и других ответственных сооружений.

Для скальных грунтов при изыскании определяют следующие основные характеристики:

— плотность;

— временное сопротивление одноосному сжатию;

— сопротивление сдвигу;

— сопротивление разрыву;

— показатели трещиноватости (модуль трещиноватости, характеристика трещин);

— степень выветрелости;

— удельное водопоглощение.

Сыпучие породы можно подразделить на две группы, которые различаются только содержанием частиц того или иного размера. Это — крупнообломочные с содержанием более 50% по весу частиц с размерами более 2 мм и песчаные с содержанием менее 50% по весу частиц крупнее 2 мм и не обладающих пластичностью.

Сыпучие породы характеризуются отсутствием прочных связей между отдельными зернами, пористостью, высокой водопроницаемостью, неустойчивостью при динамических нагрузках. Уплотняемость их при статических нагрузках незначительна. В целом сыпучие породы достаточно надежные основания для сооружений со сравнительно небольшими вертикальными нагрузками и незначительными горизонтальными. Они не пригодны для строительства водоудерживающих сооружений. Дополнить!

2.2 Назначение инженерно-геологических изысканий их состав, этапы и периоды их выполнения

Каждая площадка имеет свои специфические инженерно-геологические условия, которые сложились в результате развивавшихся ранее эндогенных и экзогенных процессов. Эти условия в числе других природных должны учитываться при проектировании и строительстве зданий и сооружений. Назначением инженерно-геологических изысканий является изучение природных инженерно-геологических и гидрогеологических условий территории строительства и составление прогноза возможных изменений их во время строительства и в процессе эксплуатации сооружений. При этом должны быть выявлены пути максимального сохранения окружающей среды и пути восстановления последствий негативного воздействия сооружений на окружающую среду.

Знание инженерно-геологических условий территорий, подлежащих застройке, позволяет находить наиболее рациональное решение при проектировании сооружения, выбрать наиболее оптимальные решения по сохранению и улучшению геологической среды. К сожалению, иногда при выборе территории под застройку не уделяется должного внимания инженерно-геологическим условиям. Это, как правило, приводит к удорожанию строительства, значительным затратам на ремонт при эксплуатации сооружения, а в некоторых случаях и к отказу от выбранной площадки даже после начала освоения территории.

Инженерно-геологические изыскания входят целиком в обязанности инженера-геолога, но инженеру-строителю необходимо знать состав, содержание и объем инженерно-геологических изысканий на разных стадиях проектирования, поскольку он должен принимать активное участие в разработке программ на инженерно-геологические изыскания.

В состав инженерно-геологических изысканий входят:

— сбор, анализ и обобщение литературных и фондовых материалов о природных условиях района (участка) строительства;

— инженерно-геологическая рекогносцировка;

— инженерно-геологическая съемка

— инженерно-геологическая разведка.

Инженерно-геологические изыскания проводятся в два этапа. На первом этапе выполняют изыскания для выбора площадки строительства, на втором изыскания выполняют на уже выбранной площадке.

Первый этап изысканий проводится в случае, когда имеется возможность выбора места строительства. Тогда к числу факторов, влияющих на него, относятся инженерно-геологические условия территории, которые в некоторых случаях могут привести к существенному удешевлению возводимых сооружений. Это в равной степени относится также к проектам планировки и застройки городов-новостроек, районов крупных городов, микрорайонов, поселков и промышленных предприятий. На этой стадии изысканий производится инженерно-геологическая съемка, которая должна характеризовать район строительства и выявить отдельные площади с худшими и лучшими инженерно-геологическими условиями.

Далее по собранному материалу производится инженерно-геологическое районирование, т. е. членение территории на участки или зоны с относительно однородными инженерно-геологическими условиями. Такое членение позволяет наиболее рационально решить вопросы планировки территории (разместить зеленые зоны в местах наименее благоприятных, расположить тяжелые здания там, где залегают прочные грунты и т. д.) с учетом охраны окружающей среды.

Инженерно-геологической съемке, выполняемой на этом этапе, предшествует изучение литературных источников и фондовых (архивных) материалов. При этом выявляются инженерно-геологические и гидрогеологические условия, наличие геодинамических процессов, а также состав и свойства грунтов. С учетом собранных материалов производится рекогносцировка, при которой оцениваются полнота собранного материала, возможные геодинамические процессы на площадке строительства. На втором этапе изысканий выполняют инженерно-геологическую съемку и инженерно-геологическую разведку для разработки генерального плана, объемно-планировочных и конструктивных решений зданий и сооружений с учетом их взаимодействия с геологической средой, решения отдельных вопросов при проектировании объектов, возводимых в сложных инженерно-геологических условиях. В этот этап также включаются работы, выполняемые в период строительства и эксплуатации зданий и сооружений.

Все виды инженерно-геологических изысканий проводятся в три периода — подготовительный, полевой и камеральный.

По результатам выполненных работ составляют:

— при рекогносцировке — заключение, включающее в себя схематическую карту;

— при съемке — инженерно-геологическую карту, карту фактического материала и отчет;

— при разведке — отчет.

2.3 Инженерно-геологическая рекогносцировка

Инженерно-геологическое обследование местности (рекогносцировка) выполняется с учетом всех имеющихся данных об изученности района. Это очень важная и ответственная часть изысканий, которую выполняют наиболее квалифицированные инженеры-геологи и строители-проектировщики, так как при рекогносцировке проводят: оценку качества и уточнение собранных материалов по району намечающегося строительства; сравнительный анализ вариантов размещения объектов строительства в зависимости от инженерно-геологических, гидрогеологических и геоморфологических условий и процессов в районе строительства; предварительный прогноз изменения геологической среды под воздействием строительства и эксплуатации предприятий, зданий н сооружений.

В процессе обследования устанавливают принадлежность рельефа изучаемого района к конкретному генетическому классу и генетическому типу, выявляют и оконтуривают распространение в пределах изучаемого района однородных по генезису групп форм рельефа или отдельных форм рельефа. В отдельных случаях возникает необходимость и возможность выделения элементов форм рельефа и оконтуривания участков развития микроформ, связанных с проявлением физико-геологических процессов.

При рекогносцировке проводят маршрутные наблюдения для установления основных литологических видов грунтов, для выявления участков с неблагоприятными физико-геологическими процессами и явлениями, изучают литологический состав, структурно-текстурные особенности, мощность отдельных слоев грунтов, а также характеристику их состояния и физико-механические свойства. Обычно бывает достаточно отнести грунт к группе, подгруппе, типу и виду в соответствии с общей классификационной схемой грунтов.

При необходимости выполняют в небольших объемах проходку отдельных горных выработок, геофизические работы, опробование грунтов и подземных вод. На основании рекогносцировочных исследований составляется заключение, на основании которого могут приниматься определенные проектные решения, однако, основное значение рекогносцировочные работы имеют для планирования последующих инженерно-геологических работ.

2.4 Инженерно-геологическая съемка

Инженерно-геологическая съемка является основным методом площадного изучения инженерно-геологических условий территории, подлежащей застройке, на ранней стадии проектирования. По ее результатам решают следующие проектные задачи:

— зонирование территории по видам использования;

— компоновку зданий и сооружений проектируемого комплекса;

— прокладку трассы линейных сооружений;

— изучение участков индивидуального проектирования;

— выбор типов и предварительные расчеты оснований фундаментов проектируемых сооружений.

Рекомендации по результатам инженерно-геологической съемки должны дать предварительную прогнозную оценку степени и характера изменений в состоянии и свойствах отдельных элементов геологической среды под влиянием проектируемых сооружений в процессе их возведения и эксплуатации в течение всего расчетного срока.

В состав крупномасштабной инженерно-геологической съемки входят:

— сбор, изучение и обобщение материалов по геологическому строению и инженерно-геологическим условиям района (участка) предполагаемого строительства;

— дешифрирование аэрофотоматериалов и проведение аэровизуальных наблюдений;

— составление предварительных карт инженерно-геологических условий и инженерно-геологического районирования на основе данных, полученных при сборе материалов и дешифрировании аэрофотоматериалов;

— описание местности по маршрутам;

— геофизические работы;

— проходка горных выработок, в том числе буровых скважин; - опытные полевые работы;

— лабораторные работы;

— стационарные наблюдения;

— обследование состояния зданий и сооружений на территории проведения съемок;

— камеральная обработка материалов, составление окончательных карт и отчета.

Основным результатом крупномасштабной съемки является инженерно-геологическая карта (карта инженерно-геологических условий) территории съемки соответствующего масштаба, а также отчет по съемке.

На инженерно-геологических картах показывают литологический состав пород, условия их залегания, генезис и возраст, линии и зоны тектонических нарушений, условия залегания подземных вод, особенно первого водоносного горизонта, их режим, водообильность, распространение физико-геологических процессов, физико-технические свойства горных пород Объем информации, помещаемой на карте, растет с ростом масштаба карты.

Отдельные элементы нагрузки карты показывают отмывкой, штриховкой, оконтуриванием линиями, условными знаками и значками международной легенды. Характеристики грунтов и грунтовых вод и ряд других показателей выносят за рамки карты и помещают сбоку в виде таблиц, графиков, разрезов и даже аксонометрических проекций.

Составление инженерно-геологических карт ведется различными методами:

1) карты мелких масштабов составляют камеральным путем на основе других карт, например, карты коренных пород, четвертичных отложений, тектоники, геоморфологической карты, гидрогеологической карты;

2) при составлении крупномасштабных карт на конкретные объекты, помимо названных карт, используют материалы полевых работ, а именно результаты полевых обследований, инженерно-геологических съемок, колонки буровых скважин, материалы полевых и лабораторных испытаний грунтов и др. Многие из этих данных не столько дополняют саму карту, сколько расширяют сведения о грунтах.

Инженерно-геологическая карта должна быть наглядной и легко читаемой не только геологами, но и проектировщиками, строителями и геодезистами.

В зависимости от масштаба карты устанавливается число точек проходки выработок на 1 км² и расстояния между этими точками в зависимости от категории сложности инженерно-геологических условий. Глубина бурения зависит от намеченных к возведению сооружений и мощности четвертичных отложений, которые желательно полностью проходить, по крайней мере, частью скважин.

2.5 Инженерно-геологическая разведка

Главной целью инженерно-геологической разведки является получение исходных количественных данных для расчета основании и фундаментов сооружений и для количественного прогноза изменения геологической среды в процессе строительства и эксплуатации сооружений, в частности прогноза:

— возникновения и хода развития инженерно-геологических процессов в сфере взаимодействия сооружения с геологической средой;

— развития выявленных физико-геологических процессов;

— изменения напряженного состояния массива грунтов, его температурного и водного режимов.

Общие задачи инженерно-геологической разведки включают следующее:

— изучение геологического разреза оснований, условий залегания пород;

— определение физико-механических свойств грунтов оснований, их водного и температурного режимов;

— изучение гидрогеологических условий и геодинамических процессов;

— влияние застройки территории на изменение инженерно-геологических условий;

— составление инженерно-геологической модели оснований или среды сооружений;

— установление обобщенных значений показателей физико-механических свойств грунтов в приложении к выделенным инженерно-геологическим элементам.

Конкретные (частные) задачи инженерно-геологической разведки определяются в зависимости от назначения проектируемого сооружения, его конструктивных особенностей и режима эксплуатации, сложности инженерно-геологических условий участка строительства и степени их изученности. Важно, чтобы разведка проводилась на пЙощадках размещения каждого объекта В комплекс работ по проведению инженерно-геологической разведки входит:

— геофизические работы;

— стационарное наблюдение за режимом подземных вод, развитием инженерно-геологических процессов;

— горнопроходческие и буровые работы;

— отбор, установка и транспортировка образцов пород и проб воды;

— опытные полевые работы;

— определение показателей свойств грунтов лабораторными методами;

— специальные виды исследований;

2.6 Подготовительный период

Инженерно-геологические исследования могут быть выполнены с минимальными затратами и в короткий срок, если будет применено современное оборудование, передовая технология, совершенствованная организация работ. Эти вопросы решаются в подготовительный период и отражаются в техническом задании, программе выполнения работ и проекте производства работ.

Инженерно-геологическая рекогносцировка, съемка или разведка выполняются на основании технического задания и программы работ. Задание составляется проектной организацией, в нем содержится подробная характеристика объекта строительства с указанием основных конструктивных решений, наличие подвалов, указываются размещение его в плане и предполагаемые нагрузки на фундаменты и их вид воздействия (динамические, статические и др.), отмечается возможность устройства свайных фундаментов и формулируются основные задачи, которые должны быть решены в процессе инженерно-геологических изысканий. Приводятся сведения об изыскательских работах, выполненных ранее, а также особые условия, связанные с характером производства и условиями застройки Задание на разведку под отдельные сооружения составляется по имеющимся материалам инженерно-геологической съемки, а на инженерно-геологическую съемку — на основании имеющихся литературных и фондовых материалов, рекогносцировки, съемки и опыта строительства в данном районе. Примерное содержание технического задания приведено в приложении 2.

Важным этапом подготовительного периода является составление на основании технического задания программы изысканий и в первую очередь определение состава и объемов работ. Этот этап начинается со сбора и обработки и анализа материалов изысканий прошлых лет.

Анализ природных условий по имеющимся материалам

Глубокое и всестороннее изучение фондовых материалов позволяет разработать рабочую гипотезу об инженерно геологических условиях района, обосновать направленность изысканий, определить приблизительно объем и методы исследований необходимых для изучения данной территории как места будущего строительства.

Основными источниками информации при сборе материалов являются:

— топографические карты масштабов 1:100 000, 1:50 000, 1:25 000; материалы государственных геологической или гидрогеологической съемок масштаба 1:500 000 или 1:200 000 (по отдельным территориям масштаба 1:50 000 и больше);

— результаты комплексных инженерно-геологических изысканий под крупные объекты промышленного, гражданского, энергетического и другого строительства, а также материалы изысканий под небольшие объекты, включающие описание отдельных выработок, результаты одиночных или немногочисленных анализов по определению свойств грунтов и пр.;

— итоги специальных тематических исследований отдельных элементов геологической среды, присущих данному району или более обширной территории, характеризующейся общностью геологической истории и особенностями развития геологических процессов и явлений. К таким работам могут быть отнесены результаты тематических исследований по изучению оползней, лессов, селей, геоморфологические работы по изучению рельефообразующих процессов, работы регионального грунтоведения и пр.;

— материалы методических исследований по оценке возможностей использования в данном районе какого-нибудь одного или комплекса методов для решения общих комплексных или частных задач.

Как показывает опыт, оптимальным способом обобщения материалов предыдущих исследований является составление предварительной инженерно-геологической карты (карты-схемы инженерно-геологических условий) и каталогов (картотек) на фактический материал (горные выработки, результаты анализов и т. д.). Во многих случаях по изучаемым материалам можно построить геолого-литологические разрезы и инженерно-геологические колонки.

Программа изысканий

Программа состоит из нескольких частей.

В общей части программы приводятся:

краткие сведения о районе строительства, географическое положение, сеть дорог, рельеф, возможность передвижения транспортных средств и механизмов по участку работ;

краткие сведения по геологическому и геоморфологическому строению района, наличие и развитие физико-геологических явлений, гидрогеологические условия;

сведения по материалам изысканий прежних лет с приложением различных выписок, копий колонок выработок, карт и т. д.;

возможности энергоснабжения участка для производства буровых работ;

прочие сведения, влияющие на организацию полевых работ.

В разделе состава и объемов работ указывается:

инженерно-геологическое обследование участка;

площади и масштабы инженерно-геологических съемок с разделением по категориям сложности;

объемы и методы горно-буровых работ с указанием конструкций выработок, способов их проходки и ликвидации; *

методы и объемы инженерно-геологического опробования, порядок упаковки и транспортировки образцов и проб воды;

устройство сети наблюдательных (гидрогеологических) скважин, методика и периодичность наблюдений;

прочие работы.

Опытные полевые работы включают:

методику и объемы опытных откачек воды по гидрогеологическим скважинам, производство опытных наливов и т. д.;

объемы и места расположения точек динамического и статического зондирования;

объемы и места расположения точек для испытаний грунтов опытными нагрузками штампов и свай, сопротивления сдвигу крыльчатками, прессиометрические испытания и т. д.;

методы, виды и объемы геофизических исследований;

прочие опытные полевые работы.

В разделе производства работ:

устанавливается очередность различных видов исследований;

указывается, в соответствии с какими нормативными документами проводится тот или иной вид работ;

определяется порядок корректировки, уточнения и изменения состава и объемов работ в зависимости от конкретных условий и результатов проходки первых выработок, геофизических исследований, изучения обнажении и т. д.;

предусматриваются мероприятия по безопасному ведению работ;

предусматриваются необходимые мероприятия по сохранности земель и недр, отведенных под строительство (засыпка турфов, скважин, тампонаж, цементация и т. п.);

устанавливается методика лабораторного определения состава и физико-механических свойств пород;

определяется порядок разбивки и привязки горно-буровых выработок и опытных точек, геофизических профилей, приводятся данные по созданию планово-высотной опорной сети и исходные пункты планово-высотной привязки;

устанавливается состав и объем полевой документации, дежурных планов и разрезов, содержание предварительных материалов, условия хранения и сокращения керна.

В заключительном разделе программы определяется состав и содержание технического отчета, графических и текстовых приложений, масштабы планового материала, разрезов и т. д.

Программа работ вместе с техническим заданием и сметой согласовывается с заказчиком, утверждается руководством изыскательской организации и является основным техническим документом на весь период производства инженерно-геологических работ.

В состав подготовительного периода входит получение согласовании и разрешений на производство инженерно-геологических работ в территориальных геологических управлениях либо при небольших по объему работах при изысканиях под отдельные объекты строительства, в органах строительства и архитектуры, на территории которых будут проводиться изыскательские работы.

При больших объемах инженерно-геологических работ с применением многообразных и сложных технических средств, особенно в отдаленных районах, составляется проект производства работ. Проект производства работ определяет основанную организацию изысканий. Проектом работ предусматриваются места расположения баз экспедиции, партий и отрядов, условия энергоснабжения, получения горючих и смазочных материалов. Необходимо в проекте производства работ рассмотреть вопросы бытового и медицинского обслуживания полевых работников.

В проекте работ приводится расчет технических средств по отдельным видам и стадиям изысканий.

2.7 Полевые работы

Объем и состав проводимых полевых работ зависят от решаемых при инженерно-геологических изысканиях задач и выполняются на основании программы. Работы включают в себя проведение обследований, стационарных наблюдений и опытных работ.

Геофизические работы

Геофизические методы используют при инженерно-геологических исследованиях состава и свойств пород и геологических явлений, как правило, при инженерно-геологической съемке. Наиболее широкое применение в практике изысканий нашли следующие методы: электрические, сейсмические, радиационные, магнитные, термометрические.

Геофизические методы существенно ускоряют и повышают качество и точность инженерно-геологической съемки. Эти методы используют для изучения в естественных условиях процессов и явлений, происходящих в горных породах, а также для изучения физико-механических свойств горных пород, распределения этих свойств в пространстве и изменения их во времени.

Э л е к т р о р, а з в е д к, а основывается на изучении условий прохождения электрического тока в различных грунтах. При этом используются либо естественные, либо искусственные электромагнитные поля. Поскольку одним из основных параметров горной породы является ее удельное электрическое сопротивление, то, измеряя его, можно получить геоэлектрический разрез, который имеет прямую однозначную связь с геологическим.

С помощью электроразведки производят уточнение геологического разреза при съемке, определяют мощность водоносных пластов и глубину водоупоров, мощность выветрелой зоны у скальных пород, положение древних речных долин, полостей и воронок в закарстованных породах, устанавливают положение трещиноватых зон и тектонических разломов, определяют границы и свойства многолетних мерзлых пород.

С е й с м и ч е с к, а я р, а з в е д к, а основана на наблюдениях за скоростью распространения упругих волн в земной коре, вызванных искусственными сотрясениями (взрывами, ударами). В результате взрыва в грунте возникают упругие волны — продольные и поперечные. Скорость распространения упругих волн в грунтах зависит от их минерального состава, структуры, трещиноватости, влажности и т. п. В песках, например, скорость колеблется от 0,2 до 1,5 км/с, в глинах 1−3 км/с, в известняках 3−6 км/с, во влажной породе скорость больше, чем в сухой породе. Характер и скорость распространения упругих волн наблюдают на поверхности земли специальными приборами — сейсмоприемниками, располагаемыми по прямым — профилям. Если линия профиля проходит через точку взрыва, тогда профиль называют продольным, если она располагается произвольно по отношению к нему — поперечным.

Применение м е т о д о в я д е р н о й ф и з и к и при инженерно-геологических исследованиях основано на измерении интенсивности естественных и искусственных излучений. Для изучения таких важных свойств пород, как влажность и плотность, применяют радиационные методы, основанные на измерении поглощающей способности горных пород при прохождении различных излучений.

М, а г н и т н ы е методы основаны на измерении особенностей магнитного поля Земли и магнитных свойств горных пород. Магнитные свойства массивов горных пород резко изменяются в зонах тектонических разломов и трещиноватости, а также в зонах геодинамической нестабильности горных пород. По данным магнитной разведки устанавливают генезис и состав пород.

Термометрические методы нашли широкое применение при изучении криогенных физико-геологических процессов и явлений в районах многолетней мерзлоты.

В практике инженерных изысканий для решения практических задач инженерной геологии часто приходится использовать сразу несколько принципиально различных геофизических методов. Применение комплекса геофизических методов является весьма эффективным средством для однозначного решения задач по изучению свойств пород и инженерно-геологических процессов. В настоящее время происходит интенсивное развитие и внедрение геофизических методов в практику инженерно геологических изысканий и исследований.

Наблюдение за режимом подземных вод, развитием инженерно-геологических процессов

П о д з е м н ы е в о д ы являются важнейшим элементом инженерно-геологических условий той или иной территории. При проектировании и строительстве сооружений, рациональном использовании территорий, геологической среды подземные воды всегда имеют не только инженерно-геологическое значение. Поэтому столь необходимо изучить подземные воды — их распространение, условия залегания, гидравлические особенности, условия питания и разгрузки, запасы (ресурсы), режим и т. д. Стационарные наблюдения проводят на стадии проведенья инженерно-геологической съемки и разведки для изучения:

— положения уровня подземных вод;

— условий питания подземных вод и их запасов (ресурсов);

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

— взаимосвязи между отдельными горизонтами и зонами подземных вод, наличия и надежности водоупоров как локальных, так и региональных;

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

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

Глубину залегания у р о в н я п о д з е м н ы х в о д определяют с помощью специальных приспособлений (рис. 2.2). Для проведения химического анализа воды в лабораторных условиях из скважин отбирают ее пробы, причем с разных глубин.

Глубина и мощность водоносного безнапорного пласта определяются замерами расстояний от устья скважины до зеркала водоносного горизонта и от зеркала подземных вод до кровли водоупорного пласта. В напорном водоносном пласте мощность горизонта определяется расстоянием между верхним и нижним водоупорами.

а) б) Рис. 2.1. Средства для замера уровня подземных вод, а — хлопушка; б — свисток.

Получаемые сведения дают возможность: обоснованно оценивать инженерно-геологические условия территории; определять условия производства строительных и горных работ, условия эксплуатации сооружений, агрессивное воздействие вод на подземные части конструкций сооружений и т. п.; разрабатывать мероприятия по борьбе с подтоплением территорий, с водопритоками при проходке котлованов и подземных выработок и т. п.; разрабатывать мероприятия по охране окружающей геологической среды.

И з у ч е н и е ф и з и к о-г е о л о г и ч е с к и х п р о ц е с ;

с о в. Основная цель изучения физико-геологических процессов и явлений состоит в оценке степени их влияния и в выборе способов борьбы с их неблагоприятным воздействием на проектируемые сооружения. Для достижения этой цели должны быть изучены условия и закономерности развития процессов и явлений, т. е. выявлены их типы и приуроченность этих типов к определенным видам грунтов, элементам и формам рельефа, гидрогеологическим и криогенным условиям.

На формирование и развитие физико-геологических процессов и явлений обычно оказывает влияние нескольких природных факторов. Часть из них создает условия для их возникновения, часть способствует активизации их развития. Среди этих факторов определяющими являются геологические и климатические, взаимодействие которых и определяет тип процесса и характер его проявления. Ниже перечисленные физико-геологические процессы и явления не охватывают всего их многообразия, а приведены как наиболее часто встречающиеся. Это: элювиообразование, промерзание и оттаивание, обвалы и осыпи, лавины, оползни, наледи и надледные бугры, явления развевания и навевания, солифлюкция, эрозия почв, подмыв берегов, оврагообразование, размыв склонов, сели, абразия озерная и морская, затопление и подтопление, заиление водохранилищ, суффозионные и фильтрационные деформации поверхности, карстовые явления, сейсмические явления, горное давление, просадки в лессовидных породах и лессах, явление усадки, сдвижение горных пород на подрабатываемых территориях и др.

Наиболее часто при инженерно-геологических изысканиях приходится сталкиваться с проявлениями различного рода процессов, протекающих на склонах (оползни, обвалы, осыпи, курумы), с проявлениями карста, выявлением селеопасности районов и пр.

При описании гравитационных процессов на склонах необходимо придерживаться следующим схем.

П о о б в, а л, а м:

область отрыва — высота, генезис, возраст склонов; условия залегания и основные свойства пород, слагающих склон; форма склона;

область транзита — длина пути, относительная высота падения, морфология пути движения, следы движения;

область отложения — характеристика места отложения; приблизительный объем обвалившейся массы и ее морфология; примерное определение примерной даты обваливания; форма #лыб обвалившейся массы, особенности сортировки, дальность падения и размер отдельных глыб; причиненные разрушения или нарушения в районе обвала;

статистические сведения об обвалоопасности района проведения съемки и сведения о наличии и характере противообвальных сооружений, а также их эффективности.

П о о с ы п я м:

область отрыва и процесс осыпания — морфометрическая характеристика склона, его экспозиция; положение, форма и размеры области питания осыпи; состав и основные свойства слагающих область питания пород (условия залегания, трещиноватость, выветрелость); размер, форма обломков, характер их перемещения (скольжение, перекатывание); наличие участков, свидетельствующих о прекращении процесса;

область аккумуляции — условия залегания осыпи, ее морфология; размеры и признаки сортировки материала осыпи, наличие или отсутствие заполнителя и его состав; условия обводнения осыпи, источники обводнения и его признаки; наличие растительности на теле осыпи и другие признаки, позволяющие оценить возраст и степень ее подвижности.

П о о п о л з н я м:

склон или откос, на котором возник оползень, — местоположение, экспозиция, генезис, возраст, морфометрическая и морфологическая характеристики, геологическое строение склона (откоса) и его основания, состояние горных пород, слагающих склон; гидрогеологические условия склона; наличие естественных и искусственных нарушений на склоне, за бровкой и у его подножия, для откосов — время и способ сооружения;

характеристика оползня — положение бровки срыва, наличие и размеры вала выдавливания; гидрогеологические условия тела оползня, наличие и интенсивность водопроявлений; оценка мощности оползневого тела и динамика перемещения материала тела оползня; состояние растительности, сооружений, наличие и характер проявления деформации сооружений; возраст оползня, соотношение оползней разного возраста и соотношение описываемого оползня с соседними оползнями; сведения о динамике оползня, при наличии наблюдений, или по опросным данным; сведения о противооползневых мероприятиях; выводы — тип оползня и его причины, относительное значение различных факторов в образовании оползня; взаимосвязь процессов, протекающих на оползневом склоне, стадия развития оползня и прогноз дальнейшего развития оползневого процесса.

К, а р с т обычно типизируется по составу карстующихся пород, по их залеганию относительно земной поверхности и относительно регионального уровня подземных вод.