Конспект лекций по геологии. Конспект лекций по инженерной геологии направление подготовки Строительство Профиль Промышленное и гражданское строительство
 Скачать 2.57 Mb.
|
|
Таблица 4.2 Данные для определения радиуса депрессии Порода Коэффициент фильтрации f k , м/сут Радиус депрессии R, м Супесь 1 – 2 40 – 50 Песок пылеватый 2 – 5 90 – 140 Песок мелкий 5 – 10 150 – 200 Песок средней крупности 10 – 25 225 – 350 Песок крупный 25 – 55 275 – 400 Песок гравелистый 100 – 115 450 – 500 Кроме того, приближенно радиус депрессии при непродолжительной от- качке воды можно определить, используя формулу И.П. Кусакина, то есть f k H S , R 95 1 (4.22) В случае, если колодец не доходит до водоупора, его называют несовер- шенным (рис. 4.12). Вода в такой колодец поступает не только через стенки, а и через его дно. Австрийский ученый Ф. Форхгеймер пришел к выводу, что для определения притока воды к такому колодцу можно также использовать формулу Дюпюи в несколько измененном виде, а именно: ) / lg( 37 , 1 2 0 2 0 r R h H k Q f , (4.23) 104 Здесь значения параметров H 0 и h 0 принимаются в соответствии с расчетной схемой, показанной на рис. 4.12. Фактически несовершенный колодец заменя- ется совершенным с глубиной активной зоны, которая равна 4/3 глубины стоя- ния воды в колодце, то есть P H 3 4 0 Если же совершенный колодец сооружен в напорном водоносном пласте, используют расчетную схему, приведенную на рис. 4.13, где a – мощность водоносного пласта. Формула Дюпюи для этого случая будет иметь такой вид: ) / lg( 73 , 2 r R h H a k Q f , (4.24) или ) / lg( 73 , 2 r R aS k Q f . (4.25) Приток воды к канаве, доведенной до водоупорного пласта, можно легко определить, используя формулу (4.9) для расхода воды в плоском потоке, ведь в этом случае вода прибывает в виде двух потоков воды с разных сторон. Таким образом, приток воды в канаву длиной b равен: R h H b k Q 2 2 f (4.26) Рис. 4.12. Схема для расчета притока воды к несовершенному колодцу в безнапорном водоносном слое: 1 – уровень грунтовой воды; 2 – линия депрессии; 3 – водоупорный слой; 4 – услов- ный водоупор; s – динамический уровень воды; p – глубина воды в колодце z x R y H 0 h 0 s 1 2 3 p p /3 4 Рис. 4.13. Схема для расчета притока воды к совершенному колодцу в напорном водоносном слое: 1 – статический уровень грунтовой воды; 2 – линия депрессии; 3 – водоупорный слой z x R y H h s 1 2 3 3 a 105 4.9. Взаимодействие скважин и устройство водопонижения Если расстояние между скважинами или другими водозаборными соору- жениями меньше двух радиусов депрессии, то их депрессивные воронки пересекаются (рис. 4.14) и скважины взаимодействуют. Вследствие взаимо- действия происходит снижение уровня безнапорных подземных вод между скважинами, а в напорных водах – снижение напора. По этой причине суммар- ный дебит скважин, которые взаимодействуют, меньше суммарного дебита отдельных скважин. Эффект снижения уровня воды между взаимодействую- щими скважинами использу- ется для устройства водопони- жения во время проведения строительных работ ниже уров- ня грунтовых вод, а также в разнообразных дренажных со- оружениях. С этой целью сква- жины размещают вдоль кон- тура площадки той или иной формы на некотором расстоя- нии от него. Для расчета фор- му водопонижающего контура приводят к равновеликому по площади кругу. Такое упроще- ние позволяет использовать для расчета понижения уровня грунтовых вод метод Форхгей- мера. Рассмотрим случай с со- вершенными скважинами в без- напорном водоносном пласте (рис. 4.15). Для вычисления приближенного значения высо- ты сниженного уровня воды в центре контура используют так называемую формулу «большо- го колодца»: f k r R Q n H h 37 , 1 ) / lg( 0 0 2 0 , (4.27) Рис. 4.14. Схема взаимного расположения скважин: а – взаимодействия нет; б – взаимодействие есть; S – величина понижения уровня воды; R – радиус депрессии; L 1 , L 2 – расстояния между скважинами а б УГВ S R R L 1 L 2 Рис. 4.15. Расчетная схема водопонижения: а – разрез по I-I; б – контур из 8 скважин 7 I I 1 3 2 4 5 8 6 б r 0 h 0 S r r 0 R 0 УГВ H I - I 5 1 а 106 где 0 h – высота сниженного уровня воды в центре контура, м; H – толщина водоносного пласта, м; n – число скважин в контуре; Q – дебит каждой из взаимодействующих скважин, м 3 ; 0 r – радиус равновеликого круга, к которому приводится контур водопони- жающей установки, м; 0 R – радиус депрессии установки ( 0 0 r R R , здесь R – радиус депрессии скважины, который можно определить по формуле И.Г. Кусакина). Дебит взаимодействующей скважины можно определить по измененной формуле В.М. Щелкачова: r nr R S S H k Q n n f 1 0 0 lg ) 2 ( 37 , 1 , (4.28) где S – снижение уровня воды в скважине, м; r – радиус скважины, м. 107 Вопросы для самоконтроля 1. В чем состоит отличие большого круговорота воды в природе от малого? 2. Какой вид воды относится к свободной? 3. Какой вид воды относится к капиллярной? 4. При какой температуре вода имеет наибольшую плотность? 5. Какая вода обладает максимальной плотностью? 6. От каких факторов зависит электропроводность воды? 7. При каких значениях минерализации (ммоль/л) вода имеет среднюю плот- ность? 8. Какие воды называются промышленными? 9. Какую часть земной коры принято называть зоной аэрации? 10. Какой водоносный пласт называют «верховодкой»? 11. Какие воды называются межпластовыми? 12. Какие могут наблюдаться виды движения подземных вод? 13. В каких единицах измеряется коэффициент фильтрации грунта? 14. Какой вид воды относится к физически связанной? 15. Как называют подземные воды, которые накапливаются в больших линзах водонепроницаемых пород вследствие инфильтрации дождевых и талых вод? 16. Как называют воду, которая залегает между двумя водоупорными плас- тами? 17. Как принято называть постоянные подземные воды, залегающие на первом от поверхности водоупорном пласте? 18. К какому виду относят воду в кристаллической решетке минералов? 19. Какую величину называют коэффициентом фильтрации? 20. В чем состоит сущность формулы Дарси? 21. Чем отличается совершенный колодец от несовершенного? 108 ЛЕКЦИЯ 5 ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: ознакомиться с основными стадиями проекти- рования сооружений и выполнения инженерно-геологических исследований 5.1. Общие положения Инженерная геология изучает и оценивает геологические факторы при- родной среды (геологическое строение, рельеф и геоморфология, гидрогео- логические условия, состав и свойства грунтов), влияющие на инженерные соо- ружения, выбор места их расположения, конструкцию, способы выполнения работ. Инженерное сооружение, в свою очередь, может изменить существую- щие природные геологические условия и процессы (осадка, просадка, опускание поверхности земли в результате подработки берегов водохранилищ, подтопление и т. д.). Инженерная геология занимает особое положение в науке о Земле. Где бы ни проводились изыскания: на суше или на море, – они всегда направлены на решение одной из двух основных задач: 1. Выявление, разведка, промышленная оценка месторождений полезных ископаемых. 2. Изучение и оценка геологических условий строительства различных сооружений. Предмет изучения инженерной геологии. Инженерная геология – это наука, посвященная изучению и оценке геологических условий строительства различных сооружений, хозяйственного использования территорий и выполне- ния горных работ на месторождении полезных ископаемых, а также разработке мероприятий, обеспечивающих устойчивость и нормальную эксплуатацию соо- ружений, в том числе прогнозирование изменения природных геологических условий под их воздействием. Методы инженерной геологии. При изучении предмета используют следующие методы: 1. Естественно-исторического анализа (геологический метод). 2. Экспериментальный (лабораторные исследования, полевые опытные работы, стационарные наблюдения). 3. Геологического подобия (аналогии). 4. Моделирования (физического, электрического, электронного). 5. Расчетно-теоретический. 109 Научные направления инженерной геологии: 1. Инженерная петрология (грунтоведение). 2. Инженерная геодинамика. 3. Специальная инженерная геология. Методика инженерно-геологичес- ких исследований. 4. Инженерно-геологические исследования для различных видов строи- тельства. 5. Региональная инженерная геология. Геологическая среда – это приповерхностная часть литосферы, включа- ющая твердое минеральное вещество горных пород, в том числе органического происхождения; воду или другие жидкие компоненты (нефть); газы, присутст- вующие в порах и трещинах твердой фазы или растворенные в подземных водах, на которую распространяется деятельность человека. Геологической среде присуще такое свойство, как изменчивость. След- ствием изменчивости является неоднородность среды в пространстве, которая проявляется в анизотропии. Фундаментальным свойством геологической среды является такой принцип организации: минерал – порода – формация (сооб- щество пород). Грунты – горные породы, формирующие многокомпонентную и много- образную геологическую среду, одновременно являющиеся объектом инже- нерной деятельности человека и материалом для сооружений. В процессе инженерно-геологических исследований выделяют инженер- но-геологические элементы (ИГЭ). Под инженерно-геологическими элементами понимают геологические те- ла (слои, прослои, линзы), они генетически однородны, похожи по минераль- ному составу и имеют примерно одинаковую структуру и текстуру, близкие показатели физико-механических свойств. В пределах ИГЭ отдельные значения показателей свойств носят случайный характер, но близки между собой. Эти элементы выделяют предварительно в процессе разведки, главным образом, по литологическому составу и состоянию грунтов. В дальнейшем производится их уточнение, затем по результатам опытных и лабораторных работ определяются нормативные и расчетные значения показателей физико- механических свойств. 5.2. Оценка инженерно-геологических условий строительства и эксплуатации зданий и сооружений При планировании, строительстве и эксплуатации как отдельных соору- жений, так и целых комплексов необходимо учитывать природные условия, которые в данном случае принято называть инженерно-геологическими. 110 Эти условия – совокупность природных геологических показателей, которые определяют рациональное использование территории, выбор района и мест возведения различных сооружений, устойчивость и нормальную их эксплуатацию, а также не препятствуют выполнению строительных и горных работ. Для оценки инженерно-геологических условий используется как накоп- ленная, так и оперативная информация, а при строительстве и эксплуатации сооружений – только оперативные данные. В результате изучения и анализа этой информации устанавливаются нормативные и расчетные значения показателей физико-механических свойств грунтов, определяются величины осадки и устойчивости сооружений, выпол- няются фильтрационные расчеты, оценивается возможность возникновения неблагоприятных инженерно-геологических процессов и явлений. Оценка всегда заканчивается прогнозом изменения инженерно-геологических условий в процессе строительства и эксплуатации зданий и сооружений. Существуют три категории сложности инженерно-геологических усло- вий, их различают по: особенностям геоморфологии и рельефа территорий, геологическому строению и тектонике в области взаимодействия среды и сооружений; гидрогеологическим условиям, с учетом физико-геологических про- цессов и явлений, наличию специфических грунтов в активной зоне фундаментов. Описание категорий содержится в СНиП 1.02.07-87. Инженерные изыскания для строительства. 5.3. Классы сооружений Изучая и анализируя инженерно-геологические условия территорий, строительных площадок, нужно обязательно учитывать, для какого вида инже- нерных работ эта информация предназначена. Каждое сооружение оказывает определенное воздействие на геологи- ческую среду в зависимости от: величины и характера передаваемых нагрузок (большие или малые, равномерные или неравномерные, статические или динамические); степени нарушения напряженного состояния грунтов; изменения их влажности, плотности и температурного режима. В то же время любое сооружение отличается определенной степенью ответственности, жесткостью, чувствительностью к окружающей геологичес- кой среде. 111 Все сооружения принято подразделять на 5 классов. Не подлежат классификации монументальные сооружения исключитель- ного и исторического значения, рассчитанные на службу более 100 лет (па- мятники, музеи). 1-й класс – сооружения особо ответственные большой капитальности, рассчитанные на службу более 60 лет (ГЭС, крупные мосты, метрополитены, здания государственных и научных, учебных и общественных учреждений, железнодорожные вокзалы в крупных городах). 2-й класс – обычные капитальные сооружения в транспортном, комму- нальном и промышленном строительстве, рассчитанные на срок службы более 40 лет. 3-й класс – сооружения облегченного типа, применяемые в массовом строительстве (промышленном и жилищном), рассчитанные на срок службы менее 40 лет. 4-й класс – сооружения временного характера, а также всякого рода строения, рассчитанные на срок службы не более 5 лет, а гражданские – не более 10 лет. 5.4. Стадии проектирования сооружений и выполнения инженерно-геологических исследований Во вновь осваиваемых районах, а также перед началом проектирования крупных и сложных объектов перед техническим проектированием принято разрабатывать технико-экономическое обоснование (ТЭО). Задача этого доку- мента – определить целесообразность строительства и установить основные технические параметры сооружения, которые будут использованы в проекти- ровании. Техническое проектирование сооружений начинается с составления тех- нического проекта (ТП). При этом уточняют расположение сооружений на выб- ранной площадке, определяют их типы, конструкцию и параметры, компо- новку, условия строительства и эксплуатации. На стадии технического проек- тирования обосновывают все мероприятия, обеспечивающие полную устой- чивость, долговечность сооружений и безопасность их эксплуатации. На стадии составления рабочих чертежей (РЧ) проводят плановую и высотную привязку проектируемых сооружений на местности; уточняют де- тали природных условий и отдельных технических решений, которые могут повлиять на устойчивость сооружений, организацию строительных работ. При планировании массового строительства несложных объектов с ис- пользованием типовых проектов или при повторном использовании индиви- 112 дуальных проектов проектирование сооружений ведут в одну стадию, на кото- рой составляют технорабочий проект (ТРП). Рассмотренная выше технологическая последовательность проектирова- ния сооружений обусловливает постадийное ведение инженерно-геологических исследований (рис. 5.1). Рис. 5.1. Стадии инженерно-геологических исследований После инженерно-геологических исследований приступают к выпол- нению инженерно-геологических работ (табл. 5.1.): к ним относятся: камеральные работы; инженерно-геологическая съемка; разведочные работы; полевые опытные работы; режимные стационарные наблюдения; лабораторные работы; организация и ликвидация работ. Стадии инженерно-геологических исследований Технико- экономическое обоснование (ТЭО) Рекогносциро- вочные исследования Технический проект (ТП) Предварительные исследования Детальные исследования Рабочие чертежи (РЧ) Дополнительные исследования Стадии инженерно-геологических исследований 113 Таблица 5.1 Виды инженерно-геологических работ Камеральные работы. Выполняются непрерывно, начиная с подготовки к рекогносцировочным исследованиям, на протяжении всех этапов полевых исследований и по завершении каждого из них. Эти работы предусматривают изучение литературных, фондовых материалов, характеризующих инженерно- геологические условия рассматриваемой территории, составление программ и проектов исследований на каждой стадии, выполнение полевой обработки ма- териалов, окончательную обработку материалов по завершении полевых иссле- дований, составление отчетов, заключений, выдачу исходных данных для про- ектирования. |