Види інженерно-геологічних досліджень

Інженерно-геологічні вишукування можуть включати в себе аерофотозйомку, маршрутні спостереження, проходження 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 0,75-1м.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 надають деякого нахилу від вибою до гирла.

Проходження 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 вібробурові 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 розріджених глинистих. Ударяючись об вибій свердловини, клапан желонки підіймається і ґрунт переміщується 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 проходження свердловин в скельних породах 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 бура його лезо, яке знаходиться унизу, зрізує породу. Зрізана порода заповнює порожнину циліндра.

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

Робочі наконечники з'єднуються з буровими штангами. Для кріплення стінок свердловин у породах, що обсипаються та обвалюються, застосовують сталеві 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 проходженні свердловин в скельних породах 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 проходження, 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 зазначено 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 складають 20×20×20 см (для скельних ґрунтів 10×10×10 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 їх 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, виявити 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 (стисливості та міцності) характеристик.

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 характеристик міцності ґрунтів в польових умовах. 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.