Зоценко Н.Л. Инженерная геология. Механика грунтов, основания и фундаменты

Подождите немного. Документ загружается.

140

5.7. ЛАБОРАТОРНІ РОБОТИ

Комплекс лабораторних робіт включає перш за все визначення основних фізичних та

класифікаційних характеристик ґрунтів (див. пп. 4.2, 4.3).

Щільність частинок ґрунту

залежить лише від мінерального складу ґрунтів і зрос-

тає зі збільшенням вмісту в ґрунті важких мінералів. Щільність розповсюджених породоут-

ворюючих мінералів коливається в невеликих межах й орієнтовно може бути прийнята для

пісків – 2,65-2,66 т/м

, для супісків – 2,68-2,70 т/м

, для суглинків – 2,70-2,72 т/м

, для глин –

2,72-2,74 т/м

. Для точного визначення ρ

необхідно пробу повітряно-сухого ґрунту подріб-

нити та просіяти через сито з розміром вічка 2 мм. Наважку ґрунту з розрахунку ≈15 г на к о-

жні 100 см

ємності засипають у сухий пікнометр. Потім пікнометр заповнюють рідиною до

мірної риски. В процесі досліду визначають масу повітряно-сухого ґрунту g, масу абсолютно

сухого ґрунту

, де

– гігроскопічна вологість, масу пікнометра з ґрунтом і рі-

диною, долитою до мірної риски

, масу пікнометра з рідиною, долитою до мірної риски

. Щільність частинок ґрунту визначається за формулою

ggg

ρρ

⋅

−+

120

. (5.7)

При визначенні ρ

використовується дистильована вода, однак для проведення дослі-

дів із засоленими ґрунтами воду замінюють нейтральними рідинами – керосином, бензином,

толуолом тощо. Для повного видалення адсорбованого на поверхні частин повітря прово-

диться попереднє кип’ятіння суміші ґрунту з водою або вакуумування при використанні ней-

тральної рідини. Існує можливість сильного стиснення шару води навколо колоїдних части-

нок глин, викликаного молекулярними силами притягання, в результаті чого отримаємо за-

вищене значення ρ

. Для запобігання цьому слід використовувати рідини з малим поверхне-

вим натягом – толуол, ксилол та ін.

Щільність ґрунтів, що легко піддаються різанню ножем, не кришаться, а також у тих

випадках, коли об’єм і форма зразка можуть бути збережені лише за допомогою жорсткої

тари (наприклад для піщаних ґрунтів), визначається методом різання кілець. При цьому вну-

трішній діаметр кільця при визначенні щільності глинистих ґрунтів повинен бути не менше

ніж 50 мм, а піщаних – 70 мм. Відповідно щільність ґрунту визначається як відношення маси

ґрунту за об’єму, який він займає.

Однак для зв’язних ґрунтів, а особливо для ґрунтів, що не піддаються відбору в кільце

(схильних до викришування), використовується метод парафінування. При цьому зразку ґру-

нту непорушеної структури надають по можливості округлі форми, визначають його масу g,

після чого парафінують, опускаючи кілька разів у розплавлений парафін із температурою 57-

60°С. Товщина парафінового шару має складати 0,5-1,0 мм. Визначивши масу запарафінова-

ного зразка ґрунту g

занурюють зразок у воду і визначають його масу в зваженому стані g

Щільність ґрунту визначають за формулою

wп

пw

)gg()gg(

ρρ

−−−

121

, (5.8)

де ρ

та ρ

– щільність води й парафіну відповідно.

При визначенні щільності методом лакування зразок покривають тонким шаром біло-

го спиртового лаку, після чого виконують всі операції, як і при парафінуванні. При тонкому

шарі лаку його об’єм можна не враховувати.

При ртутному методі зразок будь-якої форми масою g

опускають у ванну, заповнену

ртуттю й визначають масу витісненої ртуті g

. Щільність ґрунту визначають за формулою

, (5.9)

141

де ρ

=13,6 т/м

– щільність ртуті.

Волюмометричний метод ґрунтується на вимірюванні

об’єму ґрунту спеціальними об’ємометрами Тетмайєра, Гірш-

вальда та інших.

За визначенням (п. 4.2), ваговою вологістю ґрунту нази-

вають відношення маси води до маси твердих частинок. Масу

твердих частинок визначають після просушування при темпе-

ратурі 105°С. Аналогічно встановлюють гігроскопічну воло-

гість, якою називають відношення маси води, що знаходиться у

повітряно-сухому зразку ґрунту, до маси сухого ґрунту. При

визначенні вологості ґрунту маса однієї проби повинна стано-

вити не менше ніж 10 г.

У випадку масових визначень вологості можливе вико-

ристання прискореного методу визначення вологості, при якому просушування ґрунту відбу-

вається на спиртівці. Для висушування 10-15 г ґрунту його розміщують на дні металевої бю-

кси, котру встановлюють на спиртівці. Для просушування пісків і супісків достатньо спалити

дві таблетки сухого спирту одночасно масою 3 г кожна, для просушування суглинків та глин

– двічі по дві таблетки.

Не всі мінерали витримують нагрівання до температури 105°С, тому для визначення

вологості можна скористатися пікнометричним способом (аналогічно до визначення щільно-

сті частинок ґрунту). Вологість визначається за формулою

1323

132

g)(gg[)(g

g)(gg

wss

swss

ρρρρρ

ρρρρ

−+−−

−−+

, (5.10)

де g

– маса пікнометра з водою і ґрунтом; g

– маса пікнометра з чистою водою; g

– маса

ґрунту природної вологості.

Класифікаційною характеристикою для глинистих ґрунтів є число пластичності I

, що

визначається за формулою (4.2) як різниця між вологостями на межі текучості W

і пластич-

ності W

. Вологість на межі текучості визначається за допомогою балансирного конуса

(рис. 5.18). Конус масою 76 г із кутом при вершині 30° має кругову мітку на відстані 10 мм

від вершини. Стійкість забезпечується балансирним пристроєм. Для проведення випробувань

приготовляють ґрунтове тісто з перетертого або просіяного через сито з отворами діаметром

0,5 мм сито. Тістом заповнюють стаканчик діаметром не менше ніж 4 см і висотою не менше

ніж 2 см. Поверхню тіста вирівнюють шпателем, підносять до неї вістря конуса й відпуска-

ють конус. Якщо через 5 с глибина занурення конуса становить 10 мм, вважають, що воло-

гість тіста відповідає вологості на межі текучості. Після досягнення потрібної глибини зану-

рення конуса зі стаканчика відбирають пробу ґрунту і визначають його вологість одним із

методів.

Для визначення вологості на межі пластичності приготовлене тісто розкочують рука-

ми на скляній поверхні у джгутики діаметром 2-3 мм. Якщо джгутик при розкочуванні роз-

падається на окремі частини по всій довжині, то вважають, що вологість тіста відповідає во-

логості на межі пластичності. В іншому разі джгутик зминають і повторюють операцію роз-

кочування.

Піщані ґрунти класифікуються за гранулометричним складом, визначають який сито-

вим методом. Наважку ґрунту просіюють крізь набір сит з отворами діаметром 0,1, 0,25, 0,5

та 2 мм і визначають процентний уміст кожної фракції. Класифікація піщаних ґрунтів наве-

дена в таблиці 4.3.

У деяких випадках необхідно знати гранулометричний склад глинистих ґрунтів, для

чого можна скористатися методом Рутковського. За допомогою цієї методики можна визна-

чити три основні групи фракцій: глинисту, пилувату й піщану. Для досліду ґрунт в повітря-

но-сухому стані обережно перетирається гумовим товкачем і просіюється через сито з отво-

рами 0,5 мм. Для визначення вмісту глинистих частинок у мірний циліндр насипається поча-

тковий об’єм ґрунту V

=5 см

, потім доливається 50-60 см

води, і ґрунт розмішується скля-

Рис. 5.18. Балансирний

конус:

1 – конус; 2 – ручка;

3 – балансирний пристрій

100

142

ною паличкою. До отриманої суспензії добавляють 2,5-3,0 см

коагулятора (розчин хлорис-

того кальцію), розмішують, після чого добавляють води до 100 см

та залишають відстоюва-

тися. По закінченні відстоювання визначають об’єм ґрунту в мірному циліндрі V

і вміст

глинистих частинок за формулою (%)

722

⋅

−

. (5.11)

Для визначення вмісту піщаних частинок у мірний циліндр насипають 10 см

ґрунту,

доливають води до поділки 100 см

, ретельно розмішують і залишають відстоюватися на 90

с. Через 90 с зливають 70-75 см

суспензії, знову доливають воду до поділки 100 см

, розмі-

шують та залишають відстоюватися. Цю операцію повторюють, поки рідина не стане майже

прозорою. Після цього воду доливають до позначки 30 см

, розмішують і зливають через 30

с. Цю операцію повторюють до повного освітлення рідини. Після закінчення досліду доли-

вають воду до 100 см

, дають відстоятися й визначають кількість піщаних частинок, що за-

лишилися, у відсотках до початкового об’єму. Визначити вміст пилуватих частинок можна,

вирахувавши зі 100% сумарний вміст піщаних і глинистих частинок.

За допомогою лабораторних робіт також визначаються показники міцності й дефор-

мативності ґрунту, характеристики просадочності, набрякання, водопроникності та ін. Дета-

льно ці досліди, їх обробка і прилади для їх проведення розглянуті в інших розділах підруч-

ника (див. пп. 3.10, 4.5, 4.6).

5.8. ІНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГІЧНА ЕКСПЕРТИЗА

Термін “інженерно-геологічна експертиза” застосовують для робіт, пов’язаних із ви-

вченням основ і фундаментів будівель та споруд, які зводяться або експлуатуються. Таке ви-

вчення проводять у випадку аварійного стану будівель і споруд або в зв’язку з їх реконстру-

кцією. В аварійний стан будівлі й споруди можуть перейти як в експлуатаційний період, так і

в період будівництва. Він може бути викликаний нерівномірними осіданнями фундаментів,

унаслідок яких несучі конструкції дістають пошкодження, кренами, надмірними за абсолют-

ним значенням осіданнями, що порушують нормальну експлуатацію будівель та споруд. Ін-

женерно-геологічна експертиза повинна встановити причини виникнення деформацій основ і

дати рекомендації щодо усунення аварійного стану.

При реконструкції експертиза виявляє можливості збільшення навантажень на фун-

даменти в зв’язку з надбудовою будівель і споруд або в зв’язку зі збільшенням ваги облад-

нання тощо. Іноді виникає потреба в загальному оцінюванні стану основ і фундаментів.

Проведення експертизи починають із загального огляду будівлі або споруди. Якщо

експертизу проводять у зв’язку з аварійним станом, то передусім необхідно виявити, чи не є

порушення в надфундаментних конструкціях (наприклад тріщини в простінках) наслідком їх

недостатньої міцності; якщо ж вони виявляться достатньо міцними, то причиною їх пошко-

дження, очевидно, буде незадовільний стан основ і фундаментів.

У першу чергу ознайомлюються з інженерно-геологічними умовами на майданчику,

де розташований об’єкт, який вивчається. Коли в основі фундаментів залягають просадочні

ґрунти, то ймовірною причиною порушень можуть бути осідання ґрунтів, викликані зволо-

женням їх аварійним витіканням води із системи водопроводу або каналізації.

Осідання можуть викликатися також загальним підвищенням рівня ґрунтових вод у

даному місці. Якщо об’єкт розташований на схилі, то порушення можуть бути пояснені змі-

щенням ґрунтів унаслідок зсуву. Треба враховувати, що зовні таке зрушення може й не про-

являтися. Порушення в надфундаментних конструкціях можуть бути викликані й іншими

процесами та явищами.

Нерідко причиною аварійного стану будівель і споруд або частини їх є відхилення від

проектів, допущені будівельниками. Щоб виявити їх, доводиться розкривати фундаменти

шурфами. Шурфи відкопують біля фундаментів на глибину 0,5 м нижче від їх підошви. У

143

будівлях із підвалом шурфи краще відкопувати з боку підвалу. Під фундамент роблять під-

коп на ширину його підошви. Після відкопування шурфу і розкриття фундаменту замірюють

ширину його підошви і глибину його закладання, встановлюють конструкцію фундаменту.

Одержані результати порівнюють із проектом.

Помилки можуть бути допущені також проектувальниками. Щоб їх виявити, викону-

ють перевірочні розрахунки з визначенням навантажень на фундаменти та їх розмірів у пла-

ні. Одночасно визначають фізико-механічні характеристики ґрунтів основ, для чого на рівні

підошви фундаменту і нижче відбирають моноліти, які відправляють у лабораторію на ви-

пробування. Результати, отримані при цьому, порівнюють із прийнятими при проектуванні.

Після виявлення причин порушень у надфундаментних конструкціях дають рекомен-

дації до їх усунення. Ці рекомендації зводяться до закріплення ґрунтів основи або до підси-

лення фундаментів різними способами, аж до підведення нових фундаментів.

Вивчення основ і фундаментів при реконструкції має багато спільного з вивченням їх

у зв’язку з аварійним станом. Але необхідно враховувати ту обставину, що іноді доводиться

приймати рішення щодо будівель і споруд, на які технічна документація з різних причин не

збереглася. Це стосується, головним чином, будівель та споруд старої забудови. Для прийн-

яття рішення про реконструкцію, пов’язану зі збільшенням навантажень, доводиться розкри-

вати всі основні фундаменти, визначати їх ширину і глибину закладання, оцінювати стан ма-

теріалу фундаментів, проводити потрібні розрахунки й визначати фізико-механічні характе-

ристики ґрунтів.

5.9. КАМЕРАЛЬНІ РОБОТИ

Кожен етап інженерно-геологічних досліджень завершується камеральними робота-

ми, під час яких підводять підсумки проведеної роботи та складають звіти. Так, за результа-

тами інженерно-геологічної рекогносцировки складається звіт, що включає схематичну ін-

женерно-геологічну карту з розрізами, зведену інженерно-геологічну колонку й текстову ча-

стину. Зміст карти і тексту визначається завданнями, які розв’язувалися при рекогносциров-

ці. До звіту обов’язково прикладається карта фактичного матеріалу, на якій показуються всі

точки спостережень, об’єкти, до котрих вони були приурочені, напрямки маршрутних дослі-

джень (у тому числі й аеровізуальних, якщо вони проводились), а також гірські виробки, то-

чки проведення геофізичних робіт тощо. Текст звіту, крім необхідних загальних відомостей

про географічне положення району робіт та його короткої фізико-географічної характерис-

тики, повинен включати лише ті інженерно-геологічні відомості і висновки, які мають бути

враховані при прийнятті проектних рішень.

Вихідними матеріалами для обробки результатів інженерно-геологічної зйомки слу-

жать: польова карта фактичного матеріалу; польова інженерно-геологічна карта; польові що-

денники, бурові журнали, журнали гірських, зондувальних та інших видів робіт; геологічно

інтерпретовані результати геофізичних робіт; результати дешифрування аерофотоматеріалів,

уточнені в процесі проведення польових робіт; каталоги виконаних лабораторних аналізів з

визначення показників властивостей ґрунтів і хімічного складу підземних вод; допоміжні

польові карти, складені в процесі проведення зйомки (геологічна, гідрогеологічна, геомор-

фологічна, мерзлотна й ін.); польові геолого-літологічні розрізи, побудовані за даними буро-

вих, гірських, геофізичних та зондувальних робіт; польовий звіт про виконані роботи. В про-

цесі камеральної обробки виконуються такі роботи: петрографічне, літологічне, хімічне, мі-

нералогічне вивчення зібраних колекцій ґрунтів і їх класифікація; палеонтологічні визначен-

ня; визначення фізико-механічних властивостей ґрунтів у лабораторії й статистична обробка

отриманих результатів; повна геологічна інтерпретація , підсумків геофізичних робіт та їх

ув’язка з результатами, отриманими іншими методами; остаточне дешифрування аерофото-

матеріалів; уточнення, корекція польових карт і розрізів та складання остаточних карт й ін-

ших графічних додатків до звіту; складання тексту звіту.

При виконанні інженерно-геологічної розвідки камеральні роботи ведуться безперер-

144

вно протягом усього часу проведення польових робіт та після їх закінчення. Основні завдан-

ня камеральних робіт на цьому етапі зводяться до систематизації даних, що отримуються в

процесі польових робіт, їх зіставлення й аналізу для уточнення програми та організації

польових робіт; контролю за якістю документації польових робіт; уточнення розміщення

місць відбору зразків і номенклатури визначення показників властивостей ґрунтів та підзем-

них вод; уточнення меж інженерно-геологічних елементів й узагальненню фактичного мате-

ріалу, що характеризує всі елементи геологічного середовища об’єкта, який проектується;

складання звіту за результатами інженерно-геологічної розвідки.

Текст технічного звіту повинен включати вступ, п’ять розділів, висновки, список ви-

користаних матеріалів.

У вступі слід умістити обґрунтування виконання робіт, задачі інженерно-геологічних

досліджень, місцезнаходження району вишукувань, дані про об’єкт, що проектується, види

та обсяги виконаних робіт, строки їх проведення тощо. Розділ “Вивченість інженерно-

геологічних умов” включає відомості про раніше виконані дослідження, їх основні результа-

ти, дані про освоєння та використання території, досвід місцевого будівництва, характер і

причини деформацій будівель, якщо вони є, та ін.У розділі “Фізико-географічні умови” пода-

ється опис рельєфу, гідрографії, геоморфології. Розділ “Геологічна будова і гідрогеологічні

умови” описує умови залягання ґрунтів, тектонічну будову, дає літолого-петрографічну ха-

рактеристику виділених шарів ґрунту за генетичними типами, оцінює гідрогеологічні умови

території та можливі їх зміни під впливом будівництва й експлуатації будівель і споруд, які

проектуються. В розділі “Фізико-механічні властивості ґрунтів” наводиться характеристика

складу, стану, фізичних та механічних властивостей ґрунтів та їх просторової мінливості. Ро-

зділ “Інженерно-геологічні умови і районування” містить опис основних результатів вивчен-

ня геоморфологічних умов, геологічної будови, сейсмічності, гідрогеологічних умов, власти-

востей ґрунтів, розвитку геологічних процесів й інших факторів, що впливають на будівниц-

тво (наявність підроблюваних територій, глибина промерзання ґрунтів тощо). Необхідно

включити також інженерно-геологічне районування території з обґрунтуванням та характе-

ристикою виділених на інженерно-геологічній карті районів, ділянок. Дається порівняльна

оцінка варіантів майданчиків і трас для будівництва. Наводяться рекомендації по інженер-

ному захисту й підготовці території та можливому її використанню. Підсумковий розділ міс-

тить основні висновки і рекомендації щодо прийняття проектних рішень, проведення пода-

льших вишукувань та необхідності виконання спеціальних робіт і досліджень.

Текстові додатки технічного звіту повинні включати копію технічного завдання замо-

вника; копію дозволу на проведення робіт; зведені таблиці результатів лабораторних визна-

чень властивостей ґрунтів та хімічного складу підземних вод; таблиці результатів геофізич-

них і польових досліджень ґрунтів, стаціонарних спостережень й інших робіт; опис точок

спостережень; каталоги координат та позначок виробок, точок зондування тощо.

Графічні додатки технічного звіту мають включати інженерно-геологічні, а при пот-

ребі – гідрогеологічні розрізи; геолого-літологічні колонки або опис виробок; графіки зонду-

вання, матеріали обробки лабораторних і польових досліджень ґрунтів, дослідно-

фільтраційних робіт.

За необхідності текстові та графічні додатки можуть включати й інші матеріали.

5.10. ОСОБЛИВОСТІ ІНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГІЧНИХ

ДОСЛІДЖЕНЬ У РАЙОНАХ РОЗВИТКУ НЕБЕЗПЕЧНИХ

ІНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ

До небезпечних інженерно-геологічних процесів, розповсюджених на території Укра-

їни, перш за все можна віднести процеси, що відбуваються на схилах, – зсуви, обвали. При

вивченні таких процесів додатково встановлюються форми рельєфу; історія розвитку, гене-

зис і вік схилів та їх морфологічних елементів; умови залягання в масиві ґрунту поверхонь та

145

зон ослаблення (в тому числі поверхонь ковзання старих і стародавніх зсувів); фізико-

механічні властивості порід (особливо міцність на зрушення) по цих поверхнях і зонах; тек-

тонічні порушення гірських порід, сучасні тектонічні рухи, сейсмічність із результатами сей-

смічного районування; режим горизонтів підземних вод й умов їх розвантаження на схилах з

оцінкою їх впливу на розвиток зсувів і обвалів; особливості та інтенсивність вивітрювання,

ерозії, переробки берегів й інших процесів, що сприяють розвитку зсувів і обвалів тощо. Ва-

жливе значення має вивчення позитивного та негативного досвіду захисних і профілактич-

них заходів, що проводилися на ділянках з аналогічними інженерно-геологічними умовами.

Особливості інженерно-геологічних умов зумовлюють проведення випробувань на зрушен-

ня, які б ураховували характер ґрунту, умови роботи ґрунту на схилі та у взаємодії зі спору-

дами, можливу зміну властивостей ґрунту протягом часу. Підготовку зразка до досліду необ-

хідно вести з урахуванням прогнозованого стану ґрунту. Розущільнення моделюється шля-

хом тривалого витримування зразків під водою при навантаженнях, рівних або менших від

природних. Порушення структури – переминанням зразків ґрунту природної вологості або

додатково зволожених та тривалим витримуванням зразків під водою при навантаженнях,

рівних природним. Вплив сезонних коливань вологості моделюється додатковим зволожен-

ням зразків або просушуванням їх на повітрі. Вплив вивітрювання можна врахувати багато-

разовим зволоженням і просушуванням зразків. Проведення випробувань на зрушення вико-

нуються без попереднього ущільнення за схемою недренованого, неконсолідованого зру-

шення. Мінімальні втрати вологості забезпечуються прискореним проведенням випробувань

(тривалість не більше ніж 2 хв). Урахування тріщинуватості глинистих порід або утворення

поверхні ковзання виконується шляхом проведення зрушення по попередньо розрізаних зра-

зках зі змоченою поверхнею зрізу. Для пісків випробування проводяться без попереднього

ущільнення в умовах повного водонасичення. За наявності на схилі контактів різних водона-

сичених порід із глиною визначається опір ґрунту зрушенню по контакту як на природних,

так і на штучних зразках.

На основі інженерно-геологічних вишукувань повинно бути виконано: інженерно-

геологічне районування території за небезпекою виникнення зсувних та обвальних процесів;

оцінка стійкості схилів і прогноз її зміни з указанням типів можливих процесів, їх місцезна-

ходження, розмірів й інших параметрів; оцінка наслідків, що можуть бути викликані цими

процесами.

Аналогічні вимоги ставляться до інженерно-геологічних вишукувань при вивченні

районів із можливістю утворення селевих потоків. Додатково визначаються такі показники,

як розмокання (для зв’язних ґрунтів), кут природного укосу (при різній вологості й під во-

дою), фільтраційні та тиксотропні властивості. Оцінку селевої небезпечності території слід

давати на базі вивчення матеріалів аерофото- і космічної зйомки, камерального аналізу топо-

графічних та інженерно-геологічних карт, а також на основі обов’язкових маршрутних спо-

стережень.

При інженерно-геологічних дослідженнях у районах розвитку карсту необхідно вста-

новити геологічні, гідрогеологічні і геоморфологічні умови розвитку карсту; розповсюджен-

ня, характер та інтенсивність проявів карсту; оцінку стійкості території відносно карстових

провалів й осідань; особливості фізико-механічних властивостей ґрунтів і гідрогеологічних

умов, пов’язаних із карстом, тощо. Особливу увагу приділяють виявленню та оконтурюван-

ню в товщі порід ослаблених розущільнених зон і порожнин. Ці роботи можуть виконувати-

ся за допомогою буріння, динамічного, статичного або вібраційного зондування з викорис-

танням згущеної сітки розміщення виробок (відстань між виробками менше ніж 20 м). Не

допускається використання безкернового буріння. Для визначення фільтраційних властивос-

тей порід виконують польові дослідно-фільтраційні роботи – відкачки і нагнітання води зі

свердловин, для визначення зон проникнення і ліній току підземних вод використовують ін-

дикаційні методи (хімічний, електрохімічний, колориметричний, радіоіндикаторний). При

проведенні таких робіт необхідно дотримуватися вимог до охорони навколишнього середо-

вища, щоб не спровокувати активізації карстових процесів та явищ, пов’язаних із ними.

146

Обов’язковий ліквідаційний тампонаж свердловин глиною або цементним розчином. Лабо-

раторні дослідження повинні включати визначення складу й фізико-механічних властивостей

як розчинних, так і нерозчинних порід, а також заповнювача карстових порожнин та тріщин.

5.11. ВИКОРИСТАННЯ ГЕОФІЗИЧНИХ МЕТОДІВ

Використання геофізичних методів при вирішенні інженерно-геологічних задач дає

можливість отримати значну економію часу та коштів при доволі високій точності результа-

тів. Однак широкому їх запровадженню перешкоджає можливість різноманітної інтерпрета-

ції в багатьох випадках. Крім того, геофізичні методи мають обмежені галузі застосування,

тому використовуються лише деякі з них і в комплексі з іншими методами досліджень – бу-

рінням опорних свердловин, визначенням характеристик ґрунтів лабораторними методами та

ін.

Геофізичні методи можуть дати позитивні результати лише при вивченні неоднорід-

них тіл, тобто в тому випадку, коли показники властивостей гірських порід, що вивчаються,

суттєво відрізняються один від одного. Найбільш чіткі результати отримують при різких ві-

дмінностях властивостей порід, наприклад при визначенні меж карстових порожнин. При

поступовій зміні властивостей порід (поступовому затуханні тріщинуватості, зміні літологі-

чного складу, вологості тощо) визначення точних меж інженерно-геологічних елементів зна-

чно утруднюється або стає практично неможливим.

Найбільш широко використовуються методи електророзвідки, сейсморозвідки, радіо-

активний каротаж.

Основними методами електророзвідки, що застосовуються при інженерно-

геологічних дослідженнях, є вертикальне електрозондування (ВЕЗ) та електропрофілювання

(ЕП). Крім того, можуть використовуватися кругове вертикальне електрозондування (КВЗ),

метод зарядженого тіла (МЗ), метод природного поля (ПП), резистивіметрія.

Успішне застосування електророзвідки можливе за таких умов:

1. при витриманій та постійній різниці електроопорів між об’єктами вивчення та навколиш-

нім середовищем;

2. при порівнянних розмірах об’єкта, що вивчається, глибині його залягання і геологічних

елементів навколо нього.

Основним показником властивостей порід, що використовується при електророзвідці,

є їх питомий електроопір.

Упровадження портативних сейсмічних установок для вивчення малих глибин дозво-

лило широко використовувати методи сейсморозвідки для розв’язання інженерно-

геологічних задач. Визначення параметрів інженерно-геологічних елементів ґрунтується на

різній швидкості проходження сейсмічних хвиль через їх товщі та відбитті хвиль на їх межі.

Для створення сейсмічної дії спочатку використовувалась вибухівка, а в наш час застосову-

ються механізми ударної дії або вібромеханізми.

Радіоактивні методи, що використовуються в наш час, базуються на зміні інтенсив-

ності випромінювання при проходженні його через гірські породи. Наприклад за допомогою

нейтронного методу, який ґрунтується на здатності атомів водню сповільнювати швидкі

нейтрони, можна визначати вологість ґрунту. Гамма-метод використовується для визначення

щільності порід, адже для пухких порід здатність поглинати гамма-промені залежить лише

від їх щільності і не залежить від мінералогічного складу.

Основні переваги радіоактивних методів:

1. ефективність при вивченні стану порід та їх властивостей в умовах природного заляган-

ня;

2. можливість отримання інженерно-геологічних характеристик безперервно по розрізу, а

не за окремими пробами;

3. можливість визначення показників порід, для яких загальноприйняті методи не можуть

бути використані (наприклад, зсувні щебенисто-глинисті накопичення, вивітрілі породи

147

тощо).

Ці методи дозволяють визначати властивості ґрунтів, що знаходяться як вище від рів-

ня ґрунтових вод, так і нижче від нього, включаючи ґрунти донних відкладів водоймищ та

морських акваторій. Використання цих методів дозволяє одночасне отримання декількох па-

раметрів. Можливе також суміщення радіоактивного каротажу зі статичним чи динамічним

зондуванням, котрі були розглянуті у п. 5.6.

Основні задачі, що можуть бути визначені за допомогою геофізичних методів, наве-

дені в таблиці 5.5.

Таблиця 5.5. Основні задачі, що розв’язуються геофізичними методами

Інженерно-геологічні задачі

Геофізичні методи

Розчленування геолого-літологічного розрізу

на породи, що мають різні властивості

Електророзвідка методами ВЕЗ, КВЗ, ЕП,

сейсморозвідка, пенетраційно-каротажні ме-

тоди

Виявлення порожнин, пустот, якісна оцінка

карстових, суфозійних, зсувних й інших фі-

зико-геологічних процесів, тріщинуватих зон

Те ж

Вивчення динаміки зсувних процесів

Те ж, магнітні і контактні репери

Оцінка гідрогеологічних умов та хімічного

складу вод

Електророзвідка методами ВЕЗ, КВЗ, ЕП,

сейсморозвідка, резистивіметрія, методи вве-

дення радіоактивних індикаторів, уведення

електролітів

Вивчення корозійних властивостей ґрунтів та

виявлення блукаючих токів

Електророзвідка з використанням спецелект-

родів

Сейсмічне мікрорайонування

Електророзвідка, сейсморозвідка, сейсмічні

спостереження

Визначення фізико-механічних властивостей

порід

Електророзвідка, сейсморозвідка, акустичні і

каротажні методи з виявленням кореляційних

залежностей між фізичними та механічними

властивостями

Вивчення мерзлотних умов і явищ

Те ж, термічний каротаж

Виявлення похованих штучних споруд – ста-

рих фундаментів, траншей тощо

Електророзвідка, сейсморозвідка, ультразву-

кові, акустичні методи

148

Частина друга

МЕХАНІКА ҐРУНТІВ

6. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧНІ ПЕРЕДУМОВИ

МЕХАНІКИ ҐРУНТІВ

6.1. ЗАГАЛЬНІ УЯВЛЕННЯ ПРО ҐРУНТ І РОЗВИТОК

МЕХАНІКИ ҐРУНТІВ

Із розділу 4 нам уже відомо, що ґрунт – це несуцільний (зернистий і дис-

персний), пористий, трифазний матеріал, який: 1) при деформуванні в більшос-

ті випадків не є пружним, бо його залишкові деформації значно більші від пру-

жних; 2) за певними межами втрачає властивість лінійної залежності між на-

пругами та деформаціями; 3) деформується не миттєво, а у часі; 4) має специ-

фічні особливості деформування, викликані зовнішнім впливом, як-от: видами,

значеннями, сполученнями навантажень, температурно-вологісним режимом

зовнішнього середовища тощо – і численними фізико-механічними властивос-

тями кожного з видів ґрунтів; 5) практично не працює на розтягання й опира-

ється лише стискаючим та зрушуючим зусиллям.

Як і в інших галузях будівельної техніки, виникненню теорії проектуван-

ня основ, фундаментів та земляних споруд передував тривалий період накопи-

чення практичного досвіду. В цей час значного поширення набув так званий

метод спроб та помилок, і за результатами аналізу аварій споруд установлюва-

лись емпіричні значення допустимого тиску на ґрунт. Так, відомий архітектор

стародавнього світу Вітрувій (I ст. до н. е.) писав: “Для закладання фундаментів

храмових споруд слід рити до глибини твердих порід… і закладати фундамент

на твердих пластах на глибині, відповідно до величини будівлі…”.

Першою теоретичною роботою з механіки ґрунтів прийнято вважати

статтю Ш.-О. Кулона (1773) “Про застосування правил максимуму та мінімуму

до деяких проблем статики, що відносяться до архітектури”. У ній автор ставив

за мету “визначити, наскільки дозволяє поєднання теорії й експерименту, вплив

тертя і зчеплення в певних задачах статики”. Зміст цієї роботи й досі актуаль-

ний для проблем міцності та стійкості ґрунтових масивів.

У 1801 р. М. І. Фусс запропонував гіпотезу про пропорційну залежність

деформації ґрунту від навантаження. В 1885 р. Ж. Буссінеск отримав рішення

задачі про розподіл напруг у напівпросторі від дії зосередженої сили, започат-

кувавши тим самим основи теорії розподілу напруг у ґрунті. У другій половині

XIX і на початку XX ст. Г. Є. Паукер, М. Леві, У. Ренкін, Л. Прандтль та інші

створили принципи сучасної теорії граничної рівноваги сипучих середовищ.

У 1919 р. К. Терцагі створив комплекс приладів для дослідження стисли-

вості й міцності ґрунтів. Свої випробування він виконував, головним чином, з

однорідними глинистими пастами та з ідеальними сипучими ґрунтами, які від-

бивають далеко не всі властивості реальних ґрунтів. Незважаючи на це, одер-

149

жані результати дозволили йому в 1925 р. сформулювати ряд положень, які

склали базу класичної механіки ґрунтів і сприяли її подальшому розвитку. До

появи робіт К. Терцагі ґрунти розглядали як суцільні, однорідні, однофазні ма-

теріали, вважалось, що щільність та вологість їх у процесі деформування прак-

тично не змінюються. К. Терцагі виявив, що основні явища, котрі спостеріга-

ються в поведінці ґрунту під навантаженням, залежать від зміни кількісного

співвідношення фаз ґрунту в процесі деформування й від механічної взаємодії

фаз.

Перевагою класичної механіки ґрунтів є простота її математичних моде-

лей. К. Терцагі вважав, що через складність опису механічних властивостей ре-

альних ґрунтів у переважній більшості практичних задач є сенс обмежуватися

тільки приблизними рішеннями, а якщо їх не можна досягти простими засоба-

ми, які не потребують складного математичного апарату, то їх узагалі немож-

ливо отримати. Він вважав, що в подібних задачах найважливішим є не одер-

жання найбільш точного розв’язання, а визначення впливу різних можливих ві-

дхилень природних умов від прийнятих у розрахунку.

До недоліків класичної механіки ґрунтів слід віднести те, що вона не

розв’язувала найголовнішу проблему визначення напруженого стану ґрунтів за

межами лінійної пружної стадії деформування. З особливою гостротою недос-

коналість ряду методів класичної механіки ґрунтів виявилась, коли при зведен-

ні сучасних будівель і споруд, чутливих до нерівномірних деформацій основи,

виникла необхідність використання під забудову територій з несприятливими

геологічними умовами. Через це назріла потреба розширення та уточнення тео-

ретичної бази механіки ґрунтів, а також посилення її зв’язків з інженерною гео-

логією, без чого не можуть удосконалюватися розрахункові моделі.

Кроком у цьому напрямі став принцип умовних розрахунків

М. М. Герсеванова. За ним розрахунковим моделям дозволялось умовно нада-

вати певні ідеальні властивості, як, наприклад, припущення про рівномірний

розподіл напруги за горизонтальними перерізами основи, поверхня котрої міс-

цево завантажена. При цьому моделі повинні відповідати двом обов’язковим

умовам: 1) відображати найбільш істотні фактори, що визначають роботу спо-

руди; 2) ставити споруду в менш сприятливі, ніж у дійсності, умови роботи.

Користуючись подібними моделями, можна порівнювати різні варіанти

проектних рішень із точки зору їх надійності та встановлювати значення коефі-

цієнтів умов роботи й однорідності ґрунтів. Ці коефіцієнти мають регіональний

та навіть локальний характер і далеко не завжди можуть бути використані за

межами даного району з його специфічними інженерно-геологічними умовами.

Недостатня в багатьох випадках надійність рішень класичної механіки

ґрунтів була однією з причин того, що в 1948 р. групою інженерів на чолі з

В. М. Келдишем був запропонований новий підхід до проектування – принцип

граничних станів. Стосовно основ цей принцип уперше був сформульований у

1948 р. Д. Є. Польшиним. Зокрема, при визначенні навантажень на основи було

запропоновано виходити з гранично допустимих для даної споруди осідань і

повністю відмовитися від необґрунтованого методу стандартних “допустимих

тисків” на ґрунти. Деформації основ не повинні перевищувати гранично допус-