Геология лекции. Конспект лекций для студентов всех форм обучения по направлению подготовки бакалавров 270800. 62 Строительство

• Название: Конспект лекций для студентов всех форм обучения по направлению подготовки бакалавров 270800. 62 Строительство
• Анкор: Геология лекции.docx
• Дата: 10.04.2018
• Размер: 7.71 Mb.
• Имя файла: Геология лекции.docx
• Тип: Конспект лекций; #17901
• страница: 9 из 9

5.2.2. Бурение

Единственный методом, позволяющим изучать (горные выработки не считаем) недра земли является бурение. Результат бурения – скважина.

Скважина – это цилиндрическая выработка в земной коре, имеющая поперечное сечение малой величины при относительно большой протяженности. Начало скважины называется устьем, боковая поверхность – стенками, дно – забоем. По условному назначению скважины (бурение) – геологоразведочные, эксплуатационные, технические.

Геологоразведочные скважины бурятся при съемке, поисковых и разведочных работах на полезные ископаемые, инженерно-геологических, гидрогеологических, геофизических, технологических (режимные наблюдения).

Эксплуатационные скважины бурятся для добычи воды, нефти и газа, других полезных ископаемых (Аu, Cu, U и т.п.).

При производстве инженерно-геологических исследований в основном применяются буровые скважины и шурфы.

Значение:

– установление, уточнение геологического разреза, точность установления границ – 0,25–0,5 м;

– определение залегания уровня грунтовых вод;

– отбор образцов (керн) и монолитов грунта для определения физических (плотность, влажность и т.д.– не менее 10 образцов на каждую разность), физико-механических свойств (не менее – 6 образцов) и не менее 3 проб воды на химический состав каждого водоносного горизонта. Для мерзлых грунтов плотность обычно определяется на скважине.

– проведение полевых опытных испытаний, гидрогеологических исследований;

– ведение стационарных наблюдений;

– выявление и оконтуривание геологических и инженерно-геологических процессов.

Виды бурения: ударно-канатное, вибрационное, вращательное, роторное, ручное, шнековое.

Породоразрушающий инструмент (шарошечное и крестовое долото, буровые коронки различной твердости, пневмоударники) и его диаметры (от 50 мм до 500 мм).

Бурение производится с отбором и без отбора керна (сплошным забоем).

Полевая документация заносится в буровые журналы (дата, время, слои, отметки, образцы).

Ликвидационный тампонаж скважины проводится после завершения работ.

5.2.3. Геофизические работы

Геофизические работы – магниторазведка, гравиразведка сейсморазведка, электроразведка, каротаж в сочетании с другими видами работ.

Сейсморазведка – метод исследований, основанный на измерении скорости прохождения продольных волн по глубине (V₂>V₁).



Рис.42 Сейсморазведка (сейсмозондирование)

Электроразведка – метод исследований, основанный на измерении кажущихся сопротивлений грунтов по глубине (ρ₂>ρ₁). Два заземления (штыря) подключаются к полюсам источника постоянного тока. Прибором измеряется разность потенциалов между ними. Чем дальше друг от друга заземления (больше разнос), тем больше глубина исследования. Измеряется в Ом/м.



Рис. 43. Электроразведка (ВЭЗ)

Каротаж скважин (электро-, сейсмо-, радиометрический) при интерпретации позволяет определять влажность, плотность грунта. Изучая керн скважин, мы имеем ограниченную информацию. Каротаж позволяет изучать пространство около скважин, породы в естественном залегании с точной привязкой. Прямые результаты свойств пород. Часто заменяет буровые работы, поскольку полученная информация дешевле. Решает многие проблемы инженерной геологии.

Значение:

• 
  Определение мощности рыхлых отложений;
  
• 
  Выявление тектонических нарушений и зон повышенной трещиноватости и обводненности;
  
• 
  Определение уровня залегания грунтовых вод, водоупоров, направление движения подземных вод, гидрогеологических параметров;
  
• 
  Определение состава и состояния свойств грунтов.
  

5.2.4. Полевые исследования грунтов

Полевые исследования грунтов следует проводить при изучении массивов грунтов (в основном песчано-глинистые грунты) с целью:

– расчленение геологического разреза, оконтуривание прослоев и линз слабых грунтов,

– определение физико-механических свойств грунтов в условиях естественного залегания,

– оценки пространственной изменчивости свойств грунтов,

– оценка возможности погружения свай в грунты и несущей способности свай.

Полевые штамповые испытания – эталонный метод деформационных испытаний на сжимаемость. Результаты других полевых и лабораторных деформационных испытаний сопоставляются с результатами штамповых испытаний. Штамп – квадратная или круглая плита, площадью 5000 см², служащая для передачи давления на грунт при полевых испытаний грунтов методом опытных нагрузок (рис. 44). Давление создается домкратами или платформами с грузом и производится ступенями с выдержкой определенное время до стабилизации осадки. Строится график зависимости осадки штампа от давления и осадки штампа во времени по ступеням нагрузки, определяют деформационные свойства (модуль деформации Е, МПа). Штамповые испытания могут проводиться и в скважинах. Для этого используют штамп площадью 600 см², а давление передается от платформы с грузом через штангу.

Достоинство: испытание грунта ненарушенной структуры.

Недостатки: трудоёмкость, продолжительность испытаний.

Статическое и динамическое зондирование (пенетрация) – исследование песчаных и глинистых грунтов путем вдавливания (статическое) и забивки (динамическое) конусовидного металлического наконечника на глубину, превышающую его высоту. Определяют сопротивление проникновению зонда на глубину. По результатам испытаний определяют однородность грунтов по площади и глубине, приближенную количественную оценку свойств грунтов.



Рис. 44. Схема штампового испытания грунта в полевых условиях с построением кривой осадки и последующим вычислением модуля общей деформации

Прессиометрия проводится в глинистых грунтах, определяя их деформационные свойства. Прессиометр – резиновая цилиндрическая камера, которая на определенной глубине в скважине расширяется за счет давления жидкости или газа, нагнетаемого в камеру (рис. 45). Замеряется давление и радиальное перемещение грунта в стенках скважины, что позволяет рассчитать модуль деформации.



Рис. 45 д) радиальный прессиометр е) лопастной прессиометр

Прочностные испытания грунтов. Определяется сопротивление грунтов сдвигу (скальных и дисперсных) при предельных значениях напряжений (разрушение грунта). Методы: зондирование, искусственное обрушение откосов, лопастные испытания (крыльчатка), метод шарикового штампа.

Крыльчатка (метод вращательного среза) – определяют прочностные свойства для слабых грунтов (рис. 46). Крыльчатка представляет собой четырехлопастной зонд, который опускают в забой скважины, вдавливают и поворачивают. Замеряют крутящий момент, что позволяет рассчитать сопротивление грунта сдвигу, величину внутреннего трения φ и удельного сцепления С, МПа.



Рис. 46 Метод вращательного среза

5.2.5. Гидрогеологические исследования (опытно-фильтрационные работы)

Гидрогеологические исследования выполняются в случае распространения или возможности формирования подземных вод в сфере взаимодействия проектируемого объекта с геологической средой (загрязнение, истощение, прогноз подтопления, возможность ухудшения свойств грунтов).

Полевыми методами определяется коэффициент фильтрации К_ф и радиус влияния скважины (депрессионной воронки) в условиях естественного залегания пород и циркуляции подземных вод.

Коэффициент фильтрации для обломочных пород определяется с помощью откачек воды из скважин. Различают в зависимости от поставленных целей: экспресс-откачка (0,5 суток), пробные, опытные, опытно-эксплуатационные; одиночные и кустовые откачки из скважин. Строится график откачки (зависимость понижения (S) от времени (t) в полулогарифмическом масштабе).

Оборудование необходимое для проведения опытных гидрогеологических работ (насосы глубинные, поверхностные, уровнемеры, полевая лаборатория). Откачки производятся насосом (2–2,5 л/с) или эрлифтом (рис. 47) «air» – воздух, «lift» – подъем (до 10 л/с). Приборы для замеров глубины залегания уровня подземных вод в скважинах – электроуровнемеры, «хлопушки», манометры –для фонтанирующих.



Рис. 47 Схема работы эрлифта

Для определения К_ф для супесей и суглинков применяют методы налива в шурфы и нагнетание воды в скважины.

5.2.6. Стационарные наблюдения (режимные)

Стационарные наблюдения необходимо выполнять для изучения:

– динамики развития опасных геологических процессов (карст, оползни, сели, переработка берегов, выветривание и пр.),

– изменений состояния свойств грунтов,

– изменения уровня, температуры, химического состава подземных вод;

– деформации грунтов оснований.

Продолжительность не менее одного гидрогеологического года или сезона проявления процесса с частотой регистрации экстремальных значений.

5.3. Лабораторные и камеральные работы

В течение камерального периода выполняются лабораторные работы, производится обработка полевых данных и лабораторных анализов. Составляется инженерно-геологический отчет и графические приложения (инженерно-геологическая карта, геологические колонки и разрезы).

Назначение и состав лабораторных испытаний.

1) Определение физических свойств грунтов – плотность, влажность, пористость и пр.

2) Определение механических свойств:

– деформационные – в компрессионных приборах (рис. 48) определяют коэффициент сжимаемости грунта (μ₀) и рассчитывают модуль общей деформации – Е₀ (МПа);



Рис.48 Компрессионный прибор

Компрессия – это сжатие грунта без возможного бокового расширения.

Прикладываем на образец грунта нагрузку (Р₁)– произойдет уплотнение и уменьшение коэффициента пористости (е₁).

Затем прикладываем нагрузку Р₂, получим коэффициент пористости е₂ и т.д. (4–5 ступеней) По результатам испытаний строится график компрессионной кривой и рассчитывается коэффициент сжимаемости грунта

μ₀ = (е₁-е₂)/(Р₂-Р₁), МПа (22)

.

Рис.49 График компрессионного испытания

– прочностные – в сдвиговых приборах определяют угол внутреннего трения φ (град), сцепление С (МПа)



Рис.50 Схема испытаний грунта в сдвиговом приборе.

Сдвиговой прибор представляет собой толстостенный цилиндр, состоящий из 2 частей, одна из которых неподвижна, а другая может смещаться на величину S от действия сдвигающей нагрузки Т.

В прибор помещается образец грунта и нагружается давлением Р₁, затем прикладываем ступенями сдвигающую нагрузку (Т), происходит сдвиг (разрушение образца) при τ₁.

Берём второй образец с Р₂ и получаем τ₂.



Рис.51 Результаты испытаний на сдвиговом приборе.

φ – угол внутреннего трения грунта; Р_е – давление связности; С – сцепление глинистого грунта (начальный параметр прямой). Левый график представленной схемы – доведение до разрушений 3 образцов грунта, обжатого давлениями Р₁< Р₂< Р₃, В результате в момент разрушения образца грунта получаем максимальные значения касательных напряжений сдвига τ_max1, τ_max2, τ_max3, значения которых откладываются на графике τ_max=τ_max(Р) (средний и правый графики представленной схемы). Различие в очертании графиков на данных схемах обусловлено свойствами песка и глины, обладающей способностью сцепления.

– предел прочности на одноосное сжатие определяется для скальных грунтов.

3) Определение агрессивности подземных вод и коррозионной активности грунтов.

4) Определение коэффициента фильтрации.

Состав камеральных работ

«Технический отчет об выполненных инженерно-геологических изысканиях по объекту» включает в себя следующие главы:

1. Общая часть

2. Инженерно-геологические условия площадки

2.1. Физико-географические условия

2.2. Геолого-литологическое строение

2.3. Физико-механические свойства грунтов (ИГЭ)

2.4. Гидрогеологические условия

2.5.Специфические грунты. Геологические и инженерно-геологические процессы

3. Выводы

4. Литература

5. Текстовые приложения

5.1. Техническое задание на производство инженерных изысканий

5.2. Разрешение на производство работ

5.3. Каталог данных по выработкам

5.4. Таблица показателей физико-механических свойств грунтов

5.5. Определение агрессивного воздействия грунтов

5.6. Ведомость определения коррозионной агрессивности грунтов к стали

5.7. Результаты определения компрессионных свойств грунтов

5.8. Результаты определения прочностных свойств грунтов

5.9. Сводная таблица результатов химических анализов подземных вод

5.10.Свидетельство о допуске к работам по выполнению инженерных изысканий

6. Графические приложения

6.1. Схема расположения объекта

6.2. План расположения выработок М 1:500

6.3. Альбом геолого-литологических колонок

6.4. Инженерно-геологические разрезы