10.2 Види гідрогеологічних та інженерно-геологічних досліджень

Інженерно-геологічні вишукування можуть включати в себе аерофотозйомку, маршрутні спостереження, проходку гірничих виробок, геофізичні дослідження, польові дослідження властивостей ґрунтів, лабораторні дослідження складу та властивостей ґрунтів і хімічного складу підземних вод, дослідно-фільтраційні роботи (див. розділ 5), стаціонарні спостереження (при необхідності виявити динаміку геологічних процесів).

Перед проектуванням крупних промислових підприємств та населених пунктів, що розташовуються в межах заново освоюваних територій, виникає необхідність у даних про загальні інженерно-геологічні умови великих площ. При цьому суттєву увагу приділяють вивченню геоморфологічних умов (рельєфу місцевості). Так, при описуванні річкових долин відмічають наявність терас, їхні типи (ерозійні, акумулятивні), ширину, висоту та ін. При описуванні степових територій відмічають наявність степових "блюдець". Для територій розвитку карстових процесів характерна наявність такого геоморфологічного елемента, як карстові западини. Горбистість рельєфу, наявність своєрідних терас у межах схилів і тріщин на земній поверхні в багатьох випадках є ознакою зсувних процесів. Усі ці особливості мікрорельєфу можуть бути виявлені за результатами аерофотозйомки (планові знімки місцевості з літаків та вертольотів).

Для виявлення особливостей геологічної будови та гідрогеологічних умов будівельного майданчика проходять гірничі виробки. До них відносять шурфи, дудки, траншеї, шахти, штольні, свердловини.

Шурф - вертикальна гірнича виробка квадратного або прямокутного перерізу розмірами від 1x1,25 до 1,5x1,5 м, глибиною до 5-8 м. Розробку шурфів проводять вручну. У нестійких породах стінки шурфів доводиться закріплювати (підручним лісоматеріалом).

Шурфи круглого в плані перерізу носять назву дудок. Їхня перевага - більша, ніж при прямокутному перерізі, стійкість стінок. Мінімальний діаметр дудок 0,75-1 м. Для проходки дудок застосовуються спеціальні станки.

До ряду безперечних переваг шурфів та дудок відносяться доступність порід у стінках та вибою для огляду, можливість відбору шляхом вирізання зразків (монолітів) з максимальним збереженням їхньої природної будови та вологості, можливість проведення в них польових випробувань ґрунтів. До ряду недоліків відносяться значна трудомісткість проходки (особливо шурфів), необхідність закріплення стінок, виконання водовідливних робіт при проходці нижче рівня ґрунтових вод.

Розвідувальні виробки великої глибини (декілька десятків метрів) і відповідно значного поперечного перерізу носять назву шахт. Вони використовуються у найбільш відповідальних випадках, як правило, з застосуванням кріплень та механізованого водовідливу і підйому.

Траншеї - це канави, які улаштовуються на схилах при вивченні дислокованих (круто падаючих) товщ. Горизонтальні гірничі виробки, що улаштовуються в межах схилів, називаються штольнями. Для забезпечення стоку підземних вод та полегшення транспортування дну штольні придають деякий нахил від вибою до гирла.

Проходка гірничих виробок супроводжується веденням спеціальних журналів, в яких описуються гірські породи та умови проходки. Зразки порід відбираються у виробках через 0,5-1 м ,а також при зміні складу порід.

Виробки циліндричної форми, що проходяться спеціальними буровими інструментами, називаються свердловинами. Діаметр свердловин, які використовуються в практиці інженерно-геологічних досліджень, знаходиться в межах 34-325 мм. Буріння свердловин може здійснюватися різними способами. При невеликих глибинах та обсягах робіт у слабких породах (пісок, глина) може проводитись ручним способом; глибокі свердловини, особливо в міцних породах, проходять механічним способом. Для прискорення буріння використовується вібрація і застосовується різноманітне вібробурове обладнання.

Верх свердловини називається гирлом, нижня частина - вибоєм.

Для руйнування та відділення гірських порід від масиву використовуються такі робочі наконечники: желонка, буровий стакан, долото, ложковий бур, змійовик.

Желонку застосовують при бурінні свердловин у сипучих породах (пісках) і дуже нещільних розрідинених глинистих. Ударяючись об вибій свердловини, клапан желонки підіймається і грунт упроваджується в желонку. При підйомі клапан знову закривається.

Буріння свердловин у суглинках, глинах та вологих пісках виконується за допомогою бурового стакана - відрізка труби з фрезою. Порода, яка увійшла усередину стакана, утримується в ньому силами тертя.

Для проходки скельних порід застосовують долото. Породи здрібнюються під його ударами і в такому стані витягуються із свердловини. Буріння желонкою, буровим стаканом та долотом відносяться до ударного виду буріння. Поряд з ударним бурінням у практиці широко використовують буріння обертальне.

У слабких глинах та суглинках, у супісках, сухих пісках, крейді застосовується ложковий бур. При обертанні цього наконечника його лезо, яке знаходиться унизу, зрізує породу. Зрізана порода заповнює порожнину циліндра.

При обертальному бурінні в щільних глинах, суглинках, мергелі, крейді застосовується змійовик. Це спіраль, яка закінчується донизу ріжучим лезом у вигляді риб'ячого хвоста. При підйомі порода утримується між його лопостями.

Робочі наконечники з'єднуються з буровими штангами. Для кріплення стінок свердловин у породах, що обсипаються та обвалюються, застосовують стальні обсадні труби.

При обертальних способах буріння немає можливості витягувати зразки порід непорушеної структури. Тому для відбору зразків використовують спеціальні ґрунтоноси (порожнисті циліндри з утримуючим грунт обладнанням).

При проходці скельних порід використовується колонкове буріння за допомогою бурової коронки. Коронки мають у нижній частині зубці із твердих сплавів, алмазів або дробові наконечники. При обертанні коронки в породі вибурюється кільцевий вибій, а усередині її залишається циліндр, який називається керном. Для очищення свердловини при колонковому бурінні її продувають повітрям, промивають водою або глинистим розчином.

При бурінні свердловин ведуть буровий журнал і складають розріз (колонку) свердловини.

З розвідувальних виробок, в міру їх проходки, відбирають зразки ґрунтів двох видів - порушеної структури і непорушеної при природній вологості (моноліти). Зразки порушеної структури для визначення вологості відбирають із збереженням природної вологості (у мішечки з еластичної плівки або щільної тканини). Об'єм відібраних зразків повинен бути не менше 2000 см³ у скельних і великоуламкових ґрунтах, 1000 см³ - у піщаних і 500 см³ - у глинистих ґрунтах. Готують дві етикетки, в яких зазначені місця, номер розвідувальної виробки і глибина відбору. Одну етикетку, загорнуту в кальку, вкладають усередину, другу - наклеюють на мішечок.

Із шурфів моноліти відбирають у формі кубів і циліндрів, а із свердловин - циліндричні. Розміри монолітів у формі кубів звичайно дорівнюють 20x20x20 см (для скельних ґрунтів 10х10х10 см). Діаметр монолітів циліндричної форми - не менше 8 см при висоті не більше 16 см. Моноліти ізолюють двома шарами марлі, змоченої сумішшю парафіну з гудроном. Моноліти теж наділяють двома етикетками з позначенням їх верху і низу.

У теперішній час велике розповсюдження одержали геофізичні методи досліджень, які дозволяють прискорити і підвищити точність інженерно-геологічних вишукувань. Ці методи застосовуються для дослідження в природних умовах процесів та явищ у гірських породах, а також для визначення фізико-механічних властивостей гірських порід з урахуванням їхньої просторової мінливості.

Серед геофізичних методів широке розповсюдження одержали  сейсмічні, електричні, магнітні, термічні та ядерної фізики.

Сейсмічні методи ґрунтуються на виявленні швидкості розповсюдження хвиль (пружних коливань), які спеціально збуджуються в гірських породах за допомогою вибухів та ударів. У результаті оцінюється вплив ґрунтових умов на розповсюдження сейсмічних коливань. Ці методи дозволяють оцінити стан і властивості гірських порід в умовах природного залягання, визначити глибину залягання скельних порід, карстові порожнини, рівень підземних вод, потужність талого шару у вічномерзлих породах та ін.

Електричні методи ґрунтуються на дослідженнях природних та штучно утворених електромагнітних полів. Оскільки кожна порода має певний електричний опір, то, вимірюючи його, можна скласти геоелектричний розріз. Використовуючи цей принцип, можна визначити потужність водоносних пластів та порожнин у карстових районах і т.і.

Магнітні методи побудовані на використанні особливостей магнітного поля Землі та магнітних властивостей гірських порід. Частіше за все магнітна розвідка гірських порід застосовується в інженерно-геологічному картуванні.

Термічні методи застосовуються для досліджень фізико-геологічних процесів у районах багаторічної мерзлоти.

Методи ядерної фізики засновані на вимірюванні інтенсивності природних та штучних випромінювань (наприклад, гама-каротаж). Методи дозволяють оцінити щільність та вологість гірських порід.

Польові методи визначення властивостей гірських порід призначені для оцінки як фізичних (щільність, вологість), так і механічних характеристик (стисливості та міцності).

Стисливість у польових умовах оцінюється в основному на базі випробувань ґрунтів статичним навантаженням на штамп у шурфах та свердловинах. Суть методу полягає в тому, що за допомогою спеціальних пристроїв створюється навантаження на жорсткий штамп площею 5000 см² у шурфах або 600 см² у свердловинах. У процесі передачі навантажень вимірюють деформацію ґрунту під штампом, у результаті чого визначають головну деформаційну характеристику ґрунту - модуль загальної деформації.

Існують декілька методів визначення в польових умовах характеристик міцності ґрунтів. Найбільш достовірними із них є випробування на зсув у заданій площині з використанням обійм (у шуфрах). У свердловинах характеристики міцності визначають методами поступального та кільцевого зрізу, а також крильчаткою (обертальний зріз).

Для визначення щільності ґрунтів у польових умовах частіше за все застосовують зондування. Суть його полягає у занурюванні конічного наконечника (зонда) діаметром 36 або 74 мм з кутом при вершині 60°. Розрізняють статичне та динамічне зондування.

При динамічному зондуванні зонд занурюють в грунт ударами молота. При статичному вдавлюють за допомогою різних механізмів. Кожний із способів має свої переваги і недоліки. Перевагою динамічного зондування є те, що воно дозволяє дослідити ґрунти з більшим опором занурювання конуса. Для його проведення необхідне нескладне устаткування. До недоліків слід віднести можливе розрідження деяких ґрунтів під впливом ударних навантажень. Тому динамічне зондування не можна застосовувати в пилуватих пісках, насичених водою, в глинистих ґрунтах текучо- і м'якопластичної консистенції. Статичне зондування вільне від цих недоліків, однак воно потребує використання складного обладнання з застосуванням анкерних або інших пристроїв для сприйняття зусиль, прикладених до зонда.

У ході динамічного зондування визначають показник динамічного зондування або число ударів для занурення на визначену глибину (як правило, 10 см). Для оцінки характеристик ґрунту переходять до умовного питомого динамічного опору q_d (за емпіричними формулами). Результати динамічного зондування оформляють з допомогою графіків (рис. 10.1). За графіком можна виділити шари ґрунтів.

За допомогою установок статичного зондування, які застосовують пошукові організації, випробування ґрунтів можна проводити за двома основними схемами. За першою схемою зондування виконують при діаметрі наконечника, що дорівнює діаметру штанг; при цьому фіксують опір ґрунту конусу (q_c) і тертю по бічній поверхні штанг (f_c). Тертя може фіксуватись по всій поверхні штанг або на визначеній ділянці (муфті тертя) вище конічного наконечника. Результати також оформляють за допомогою графіків (рис. 10.2).

Рисунок 10.1 - Графік динамічного зондування:

S - занурення конуса зонда; N - кількість ударів; 1 - рослинний шар; 2 - лес; 3 - суглинок; 4 - пісок; 5 - мулистий грунт; 6 – глина

Рисунок 10.2 - Графік  статичного зондування:

а - лобовий опір ґрунтів; б - загальний опір ґрунтів

За другою схемою зондування виконують при діаметрі наконечника, який перевищує діаметр штанг в 1,6 і більше разів; при такому співвідношенні, крім виключення або значного зниження тертя по бічній поверхні штанг, створюються умови для випирання ґрунту в утворювану при  зондуванні порожнину між стінками свердловини і штангою.

При роботі за першою схемою значна частина корисного зусилля зондування витрачається на подолання сил тертя по бічній поверхні штанг. Це явище не дозволяє в щільних ґрунтах досягти проектних відміток, а в слабких ґрунтах через малі розміри наконечника значно знижується точність даних, що одержують. Зондування розширеним наконечником дозволяє з більшою ефективністю використати статичне зусилля за рахунок зняття тертя з поверхні штанг. Застосування наконечників великих розмірів дозволяє підвищити точність визначення показників слабких ґрунтів. Щільність ґрунту визначають за кореляційними залежностями від опору ґрунту зануренню зонда під вістрям наконечника (q_c при статичному зондуванні і q_d при динамічному). Результати зондування використовують також для визначення модуля загальної деформації та характеристик міцності піщаних ґрунтів (також за емпіричними залежностями). Крім того, ці дані дозволяють визначити несучу здатність паль.

Лабораторні дослідження проводяться для визначення характеристик фізико-механічних властивостей, а також для вивчення складу підземних та поверхневих вод, їхньої агресивності по відношенню до матеріалів будівельних конструкцій. Перевагою лабораторних досліджень є їхня велика точність, невелика трудомісткість та вартість, можливість багаторазового повторення дослідів, проведення дослідів при різних значеннях вологості ґрунту. До недоліків слід віднести невеликий розмір зразків, викривлення природного напруженого стану, неможливість відбору зразків із таких ґрунтів, як сухі та пилуваті водонасичені піски, глинисті ґрунти, що близькі до текучого стану, ґрунти, що містять великоуламкові включення та ін.