8. Инженерно-геологические изыскания

Цель инженерно-геологических исследований - получить необходимые для проектирования объекта инженерно-геологические материалы. В задачи исследований входит изучение геологического строения, геоморфологии, гидрогеологических условий, природных геологических и инженерно-геологических процессов, свойств горных пород и прогноз их изменений при строительстве и эксплуатации различных сооружений.

Инженерно-геологические исследования под постройку отдельных зданий и сооружений производятся на конкретном участке, где будут размещены здания. Объем проводимых на ней работ зависит от вида (назначения) здания, уровня его ответственности, сложности инженерно-геологических условий площадки строительства.

Установлено три уровня ответственности зданий и сооружений: I-повышенный, II - нормальный, III - пониженный.

Повышенный уровень ответственности следует принимать для зданий и сооружений, отказы которых могут привести к тяжелым экономическим, социальным и экологическим последствиям (резервуары для нефти и нефтепродуктов вместимостью 10000 м³ и более, магистральные трубопроводы, производственные здания с пролетами 100 м и более, сооружения связи высотой 100 м и более, а также уникальные здания и сооружения).

Нормальный уровень ответственности следует принимать для зданий и сооружений массового строительства (жилые, общественные, производственные, сельскохозяйственные здания и сооружения).

Пониженный уровень ответственности следует принимать для сооружений сезонного или вспомогательного назначения (парники, теплицы, летние павильоны, небольшие склады и подобные сооружения).

Категории сложности инженерно-геологических условий приведены в Приложении 3.

Инженерно-геологические работы выполняются в следующем порядке: вначале проводят сбор и анализ материалов ранее проводимых изысканий. В соответствии с этим намечается программа исследования. Далее участок изучают разведочными выработками, которые позволяют установить состав и мощность пород, условия их залегания. Отобранные при этом образцы грунтов и пробы подземных вод направляют на лабораторные исследования. Выполненные исследования обобщают и представляют в виде заключения об инженерно-геологических условиях площадки. К заключению прилагают план расположения выработок, разрезы, таблицы. Это служит основанием для составления проекта застройки отдельного здания. Разведочные выработки выполняются в виде скважин и шурфов.

Диаметр скважин, используемых в практике инженерно-геологических исследовании, обычно находится в пределах 100-150 мм. Размер шурфов в плане зависит от их предполагаемой глубины. Чаще всего это 11 м, 11,5 м, 1,51,5 м. Обычно глубина шурфа бывает 2-3 м, максимально до 4-5 м. Количество шурфов по отношению к скважинам составляет 1:10 – 1:20. Скважины и шурфы следует располагать по контурам или осям проектируемого здания, в местах резкого изменения нагрузок на фундаменты, глубины их заложения, на границах различных геоморфологических элементов.

Расстояние между скважинами устанавливается в зависимости от сложности инженерно-геологических условий и уровня ответственности проектируемого здания по табл. 8.1:

Таблица 8.1

Категория сложности инженерно-геологических условий	Расстояние между скважинами для зданий IиIIуровней ответственности
	I	II
I II III	75-50 40-30 25-20	100-75 50-40 30-25
Примечание —Большие значения расстояний следует применять для зданий и сооружений малочувствительных к неравномерным осадкам, меньшие - для чувствительных к неравномерным осадкам, с учетом регионального опыта и требований проектирования.

Общее количество горных выработок в пределах контура каждого здания и сооружения II уровня ответственности должно быть, как правило, не менее трех, включая выработки, пройденные ранее, а для зданий и сооружений I уровня ответственности — не менее 4—5 (в зависимости от их вида).

При расположении группы зданий и сооружений II и III уровней ответственности, строительство которых осуществляется по проектам массового (типовым) и повторного применения, а также для технически несложных объектов на участке с простыми и средней сложности инженерно-геологическими условиями, размеры которого не выходят за пределы максимальных расстояний между горными выработками, выработки в пределах контура каждого здания и сооружения могут не предусматриваться, а общее их количество допускается ограничивать пятью выработками, располагаемыми по углам и в центре участка.

На участках отдельно стоящих зданий и сооружений III уровня ответственности (складские помещения, павильоны, подсобные сооружения и т.п.), размещаемых в простых и средней сложности инженерно-геологических условиях, следует проходить 1-2 выработки.

Глубины горных выработок при изысканиях для зданий и сооружений, проектируемых на естественном основании, следует назначать в зависимости от величины сжимаемой толщи с заглублением ниже нее на 1-2 м.

При отсутствии данных о сжимаемой толще грунтов оснований фундаментов глубину горных выработок следует устанавливать в зависимости от типов фундаментов и нагрузок на них (этажности) по таблице 8.2:

Таблица 8.2

Здание на ленточных фундаментах		Здание на отдельных опорах
Нагрузка на фундамент, кН/м (этажность)	Глубина горной выработки от подошвы фундамента, м	Нагрузка на опору, кН	Глубина горной выработки от подошвы фундамента, м
До 100 (1)	4-6	До 500	4-6
200 (2-3)	6-8		5-7
500 (4-6)	9-12	2500	7-9
700 (7-10)	12-15	5000	9-13
1000 (11-16)	15-20	10000	11-15
2000 (более 16)	20-23	15000	12-19
		50000	18-26
Примечания: 1 Меньшие значения глубин горных выработок принимаются при отсутствии подземных вод в сжимаемой толще грунтов основания, а большие - при их наличии. 2 Если в пределах глубин, указанных в таблице, залегают скальные грунты, то горные выработки необходимо проходить на 1-2 м ниже кровли слабовыветрелых грунтов или подошвы фундамента при его заложении на скальный грунт, но не более приведенных в таблице глубин. 3. На участках расположения слабых пород (водонасыщенные пески, илы и т.д.) скважины должны достигнуть их и на 2-3 м войти в пород, которые могут служить надежным основанием.

Глубину горных выработок при плитном типе фундаментов (ширина фундаментов более 10 м) следует устанавливать по расчету, а при отсутствии необходимых данных глубину выработок следует принимать равной половине ширины фундамента, но не менее 20 м для нескальных грунтов. При этом расстояние между выработками должно быть не более 50 м, а количество выработок под один фундамент — не менее трех.

При нагрузке на куст висячих свай свыше 3000 кН, а также при свайном поле под всем сооружением глубину 50% выработок в нескальных грунтах следует устанавливать ниже проектируемой глубины погружения нижнего конца свай, как правило, не менее чем на 10 м.

Глубину горных выработок при опирании или заглублении свай в скальные грунты следует принимать ниже проектируемой глубины погружения нижнего конца свай не менее чем на 2 м.

Для свай, работающих только на выдергивание, глубину выработок следует принимать на 1 м ниже проектируемой глубины погружения нижнего конца свай.

Из буровых скважин, шурфов, обнажений и других выработок производят отбор образцов для исследований. Пробы отбирают послойно, на всю глубину выработки, но не реже чем через каждые 0,5-1,0 м. Из всех образцов, полученных при инженерно-геологических исследованиях, 5-10% отбирают для последующих лабораторных анализов.

По данным бурения скважин составляются буровые колонки, или, чаще всего, инженерно-геологические разрезы по скважинам. Пример построения геологических разрезов см. в разделе 5 (Геологические карты и разрезы).

Физико-механические характеристики грунтов по результатам испытаний оформляют в виде таблицы 8.3.

Таблица 8.3

Наименование выработки и её номер	Номер пробы	Глубина отбора пробы, м	Плотность, г/см3	Плотность частиц, г/см3	Природная влажность, д. ед.	Плотность скелета грунта, г/см3	Коэффициент пористости	Влажность на границе текучести, %	Влажность на границе раскатывания, %	Число пластичности, %	Показатель текучести	Грануломе-трический состав, %				Угол внутреннего трения, град		Удельное сцепление, кПа		Модуль деформации, МПа		Наименование грунта
												Песок, 2-0,05мм	Пыль, 0,05-0,005мм	Глина, <0,005мм
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13				14		15		16		17
скв.1	1	1,8	1,92	2,71	0,24	1,54	0,74	33	18	15	0,40	28	57	15	25		10		8,6		Суглинок тяжелый, пылеватый, тугопластичный

За последние годы большое распространение получило изучение грунтов в полевых условиях (опытные работы), непосредственно в условиях их естественного залегания. Это сокращает количество разведочных выработок, объем лабораторных работ и в ряде случаев дает возможность определить прочностные, деформативные и другие характеристики грунтов с точностью большей, чем при лабораторных работах. В некоторых случаях, для зданий более 5 этажей, испытания грунтов на площадке опытными нагрузками являются обязательными. Опытные работы используются для изучения:

1. Водопроницаемости галечниковых, трещиноватых и других пород (опытное нагнетание и откачка);

2. Деформативных характеристик песчано-глинистых пород (опытные нагрузки, прессиометрия);

3. Прочностных характеристик и детального расчленения геологических разрезов (опытные сдвиги, зондирование).

Итогом инженерно-геологических исследований, их заключительным звеном является инженерно-геологический отчет.

В состав отчета обычно входит четыре части: общая, специальная, графические приложения и инженерно-геологическая записка.

Общая часть отчета начинается с введения, в котором указываются цели и задачи исследований, состав, объем и характеристика выполненных работ, состав исполнителей и сроки работ. Далее приводится описание гидрографии, климата, дается характеристика рельефу, климатическим особенностям (температура, осадки, промерзание грунтов, направление ветров). В главе «геология района» приводится весь материал по геологическому строению, тектонике, в главе «гидрогеология» описываются подземные воды, условия их питания, состав, агрессивность, фильтрационные свойства пород и др. Далее детально описываются «Природные геологические явления и инженерно-геологические процессы», которые могут повлиять на строительство и эксплуатацию сооружения.

Специальная часть отчетов содержит методику исследований, физико-механические свойства грунтов, инженерно-геологические условия строительства.

В конце отчета дается заключение с основными выводами по всем разделам. К отчету прилагают различный графический материал (карты, разрезы, колонки разведочных выработок).

В практике инженерно-геологических исследований очень часто вместо больших отчетов приходится составлять инженерно-геологические заключения. Выделяются три вида заключений: 1) по условиям строительства объекта 2) о причинах деформаций зданий и сооружений 3) экспертиза

В первом случае заключение носит характер сокращенного заключения и может быть выполнено для строительства отдельного здания. Заключение о причинах деформаций зданий и сооружений могут иметь различное содержание и объем. Заключение должно вскрыть причины деформаций и наметить пути их устранения. Экспертиза силами крупных специалистов устанавливает: правильность приемов исследований, достаточность объемов работ, правомерность выводов и рекомендаций и т.д.

Задачи

1. По результатам бурения одной скважины необходимо построить геолого-литологическую колонку, на которой видно, как залегают слои, их мощность, литологический тип, глубина залегания уровня грунтовых вод, возраст пород. Буровые колонки составляют в масштабе 1:100 – 1:500.

Таблица 8.4

№ варианта (скважины)	абс. отметка устья скважины, м	№ слоя	Возраст горных пород	Описание горных пород	Мощность слоя, м	Глубина залегания уровня воды, м
						появ.	установ.
1	2	3	4	5	6	7	8
8.0	80,0	1 2 3 4	аQIV аQIV аQIII аQII	Суглинок серый, средней плотности Песок мелкозернистый, влажный, рыхлый Глина тугопластичная, с тонкими прослойками песка Гравийно-галечниковые отложения с включением песка, водонасыщенные, плотные	2,0 6,0 5,0 5,0	4,0 13,0	4,0 9,5
8.1	79,2	1 2 3 4 5 6	LQ3-4 mN2 mN2 mN2 mN2 mN2	Лёсс Песок пылеватый средней плотности Глина тугопластичная Песок пылеватый плотный Глина тугопластичная Песок мелкий плотный	6,6 2,2 8,5 2,6 3,9 8,0	29,3	29,3
8.2	20,2	1 2 3 4 5 6	dQ N N К К К	Суглинок бурый, полутвердый Глина полутвердая, темно-серая Песок мелкий, плотный, желтый Глина зеленая, тугопластичная песок пылеватый, плотный, серый Глина тугопластичная	2,0 1,0 2,0 3,3 0,3 2,0	3,5 8,3	3,5 4,0
8.3	51,2	1 2 3	dQ4 аQ2 mQ1	Супесь пластичная макропористая Песок мелкий средней плотности Глина с тонкими песчаными прослоями тугопластичная	3,0 3,0 6,0	4,8	4,8
8.4	45,3	1 2 3 4	tQ4 tQ4 mQ1 N2	Глыбы известняка-ракушечника Суглинок со щебнем Песок мелкий плотный Известняк-ракушечник	2,0 0,5 3,6 10,0	9,3	9,3
8.5	20,1	1 2 3 4	dQ4 lQ2 lQ2 K	Суглинок полутвердый со щебнем Песок крупный плотный Песок пылеватый плотный Глина полутвердая зеленая	0,2 1,5 3,0 5,2	3,0	3,0
8.6	150,0	1 2 3	аQ3 аQ3 аQ3	Глина полутвердая Суглинок тугопластичный Песок кварцевый средней крупности средней плотности	0,5 4,0 3,5	4,5	4,0

Продолжение табл.8.4

1	2	3	4	5	6	7	8
8.7	126,2	1 2 3	dQ4 lQ4 gQ3	Суглинок бурый с галькой Песчано-гравийные отложения Суглинок полутвердый красно-бурый с валунами и галькой	1,2 6,0 4,2	5,5	5,5
8.8	45,4	1 2 3	tQ4 mQ1 N2	Супесь со щебнем кирпича и древесными обломками Песок мелкий плотный Известняк-ракушечник	3,2 4,1 10,0	9,1	9,1
8.9	60,5	1 2 3 4	dQ4 аQ1 аQ1 аQ1	Суглинок со щебнем и глыбами Лёсс твердый Песок мелкий средней плотности Песок крупный с гравием и галькой средней плотности	2,8 4,0 9,5 7,1	19,5	19,5
8.10	97,5	1 2 3 4	аQ4 аQ4 аQ4 С1	Суглинок заторфованный текучепластичный Торф Песок крупный, средней плотности Алевролит трещиноватый	4,0 4,2 3,8 6,0	4,0	1,8

Пример выполнения задачи 8.0:

2. В шурфе, пройденном в контуре будущего сооружения, выполнялись испытания грунтов статическими нагрузками на штамп площадью 0,5 м². При этом фиксировалась осадка штампа S (мм) и среднее давление p под подошвой штампа (МПа). Постройте график зависимости S=f(p) и по нему определите модуль деформации грунтов Е (МПа). Варианты заданий представлены в табл.8.5.

Таблица 8.5

N варианта	Наименование грунта	Глубина установки штампа Н, м	Осадка штампа S, мм, при очередной ступени нагружения удельным давлениемp, Мпа
			0,05	0,10	0,15	0,20	0,25	0,30	0,35	0,40
1	пески	2,3	0,15	0,60	1,20	1,05	1,50	2,45	3,50	3,50
2	пески	2,5	0,20	0,50	0,70	0,60	0,75	1,20	1,70	1,30
3	пески	4,4	0,20	0,60	0,70	0,60	0,75	1,10	1,40	1,90
4	пески	4,9	1,15	1,40	1,50	2,05	2,10	1,80	2,00	3,50
5	пески	5,0	0,65	0,60	1,20	1,30	1,40	2,50	3,80	4,25
6	пески	7,3	0,20	0,55	0,80	0,75	0,75	1,00	1,55	1,40
7	пески	9,7	0,15	0,70	0,60	0,75	1,20	1,70	1,90	3,20
8	суглинки	7,5	0,05	0,15	0,05	0,20	0,35	0,65	0,80	1,00
9	супеси	13,0	0,10	0,50	0,70	0,80	1,15	1,50	1,65	1,70
10	глины	12,0	0,30	0,50	0,35	0,40	0,45	0,70	0,75	0,80

Коэффициент Пуассона  принимают равным: для песков и супесей =0,30; для суглинков =0,35; для глин =0,42. Плотность всех грунтов  = 210³ кг/м³.

Пример расчета.

При испытании суглинков на глубине 2,5 м получены следующие результаты:

Удельное давление на штамп р, МПа	0,05	0,10	0,15	0,20	0,25	0,30
Приращение осадки штампа S, мм	0,95	1,70	1,70	1,95	3,75	6,90
Полная осадка штампа S, мм	0,95	2,65	4,35	6,30	10,05	16,95
Удвоенное приращение осадки штампа, 2S, мм	1,9	3,4	3,4	3,9	7,5	13,8

Построим график зависимости осадки от удельного давления S=f(p):

Далее вычисляем значение модуля деформаций по формуле:

, (8.1)

где k – безразмерный коэффициент, зависящий от материала штампа и его формы; принимаем для круглых штампов равным 0,8; d – диаметр штампа;  - коэффициент Пуассона; p – приращение среднего давления по подошве штампа; s – приращение осадки штампа при изменении давления на p.

Значение p определяют графически в пределах условно прямолинейного участка графика. Началом участка является точка на графике, соответствующая природному давлению. За конечные значения р_к и S_к — значения р_i и S_i соответствующие четвертой точке графика на прямолинейном участке.

Если при давлении р_i приращение осадки будет вдвое больше, чем для предыдущей ступени давления р_i-1, а при последующей ступени давления р_i+1 приращение осадки будет равно или больше приращения осадки при р_i, за конечные значения р_к и S_к следует принимать р_i-1 и S_i-1. При этом количество включаемых в осреднение точек должно быть не менее трех. В противном случае при испытании грунта необходимо применять меньшие ступени давления.

Для вычисления p на графике находим опытную точку 1, соответствующую полной осадке штампа при природном давлении грунта p_пр на глубине установки штампа Н.

Точка 1. p₁ = p_пр = = 20(кН/м³)  2,5 (м) = 50 кПа = 0,05 МПа => s₁=0,95мм.

Затем обозначают на графике следующие точки 2, 3, 4, 5, 6 полученные при последующих ступенях нагружения. Точка 4 соответствует давлению 0,2МПа (см.таблицу).

Точка 4. p₄=0,2МПа => s₄=6,3мм.

Поскольку приращение осадки штампа при давлении 0,2 МПа не превышает двойного приращения осадки за предыдущую ступень нагружения (0,15МПа): Δs₄=1,95 < 2Δs₃=3,4мм, за конечное давление р_к можно принять 0,2 МПа.

Следовательно, p = р₄-р₁ = 0,2 - 0,5 = 0,15 МПа и s = s₄ - s₁ = 6,3-0,95 =5,35 мм. Отсюда модуль деформаций:

15,8МПа.

2. На рис. 8.1 представлены результаты статического зондирования зондом диаметром 36 мм с регистрацией удельного сопротивления грунта под конусом зонда q и сопротивления грунта по боковой поверхности зонда f.

В пределах заданных литологических слоев по варианту определите среднее значение q_З и f_З и произведите оценку следующих показателей грунтов:

для песков – угол внутреннего трения φ, модуль деформации Е, плотность сложения;

для глинистых грунтов – угол внутреннего трения φ, удельное сцепление с, модуль деформации Е и показатель текучести I_L.

Варианты заданий

Вариант	№ слоя	Вариант	№ слоя
8.1	1,2,3	8.6	1,3,4
8.2	2,3,4	8.7	2,4,5
8.3	3,4,5	8.8	1,5,6
8.4	2,5,6	8.9	1,4,5
8.5	1,4,6	8.10	1,5,6

Рис. 8.1.График статического зондирования грунтов установкой С-979: 1 – q - удельное сопротивление грунта под конусом зонда; 2 -f– сопротивление грунта по муфте трения.

При определении физико-механических характеристик грунтов в качестве показателей зондирования следует принимать:

при статическом зондировании – удельное сопротивление грунта под конусом зонда q_З и удельное сопротивление грунта по муфте трения зонда f_З. В случае применения зонда I типа сопротивление грунта по боковой поверхности Q_З пересчитывается для каждого инженерно-геологического элемента на удельное сопротивление грунта трению f_З, где f_З – среднее значение сопротивления грунта по боковой поверхности зонда, МПа, определяемое как частное от деления измеренного общего сопротивления по боковой поверхности зонда на площадь его боковой поверхности в точке зондирования;

при динамическом зондировании – условное динамическое сопротивление грунта погружению зонда р.

Пример ответа: Для интервала глубины статического зондирования 2-4 м в аллювиальных песках средней крупности получены осредненные значения q_З = 12,0МПа и f_З = 0,8МПа. В соответствии с прил. 8 по значению q определяют показатели, требуемые по заданию. Пески имеют среднюю плотность сложения, φ= 35⁰, Е = 30МПа.