Инженерная геология

Нелинейный  закон фильтрации выражается форм>~: А.А. Краснопольского:

V=K_к  ,

где К_к —коэффициент, определяемый опытным путем в поле, м/сут;

i— гидравлический  уклон.

Методы  определения коэффициента фильтрации.

К основным фильтрационным параметрам пород относят коэффициент  фильтрации, а также коэффициенты водопроводимости, пьезопроводности и  уровнепроводности.

Во всех уравнениях определения движения подземных  вод основной расчетной величиной, количественно характеризующей  фильтрационные свойства пород, является коэффициент фильтрации К_ф м/сут. На его величину, а следовательно, и на пень водопроницаемости рыхлых пород оказывают влияние:

диаметр пор  — с уменьшением диаметра пор  уменьшается коэффициент фильтрации;

количество глинистых  частиц — с увеличением количества глинистых частиц, особенно монтмориллонита, К_ф уменьшается;

характер обменных катионов — при наличии двухвалентных катионов (Са²⁺, Мg²⁺) водопроницаемость и К_ф возрастают, а в присутствии одновалентных катионов (Nа⁺, К⁺) — уменьшаются. Влияние Nа⁺, уменьшающее К_ф суглинков в десятки и сотни раз, используется на практике для сокращения потерь воды из водохранилищ.

Определение коэффициента фильтрации методом инфилътрации из шурфа. Существует несколько способов для выполнения этой работы (методы А.К. Болдырева, Н.С. Нестерова, Н.К.Гиринского, Н.Н. Веригина, Н.Н. Биндемана и др.). Наиболее простым является метод А.К. Болдырева. Он применяется для определения К_ф в грунтах, не насыщенных водой. Метод заключается в следующем. В сухом грунте вырывается шурф, не доходящий до уровня грунтовых вод. Из градуированных судов, поставленных у бровки шурфа, по трубке наливается вода на дно шурфа так, чтобы уровень воды в приямке на дне шурфа оставался все время постоянным - около 10 см. Для наблюдения за уровнем воды на дне шурфа устанавливается рейка. Через каждые 10-30 мин ведут замеры расхода воды на фильтрацию по шкалам сосудов. Опыт проводят до стабилизации расхода воды (в песках 10-20 ч, в суглинках 24-48 ч).

Определив значение установившегося (стабилизировавшаяся) расхода Q_уст, м³/сут, и разделив его на площадь дна шурфа F, м², получают среднюю скорость инфильтрации из шурфа м/сут, равную

V_уст = .

Коэффициент фильтрации определяется еще и следующий  методами: 1) полевыми работами - откачками; 2) лаборатории ми методами с использованием специальных приборов; 3) эмпирическим формулам.

Определение коэффициента фильтрации откачкой воды из скважин. Определения К_ф откачкой воды из скважин дают наиболее точные данные для расчета коэффициента фильтрации. Откачки разделяются на откачки из одиночных скважин и кустовые.I Откачка из одиночной скважины позволяет предварительно Вшить водообильность изучаемых пород. Произвести точный расчет коэффициента фильтрации по данным откачек из одной скважины нельзя, т.к. неизвестна величина радиуса влияния, следующий пункт входящая в расчетные формулы. Кустовые откачки проводятся на специально выбритых опытных участках при глубине залегания водоносного горизонта не более 100 м. Опытный куст состоит из центральнной (опытной) скважины и ряда наблюдательных, располагаемых по одному или нескольких лучам в случае неоднородности водоносного пласта. При четырех лучевой системе расположения скважин один луч проводится о направление потока подземных вод, второй — против направления потока подземных вод третий и четвертый — в направлениях, перпендикулярных к ним. При двухлучевой системе применяются один или два луча, состоящие из двух-трех наблюдательных скважин. Один из лучей проводится вниз по течению подземных вод, второй перпендикулярно направлению потока, Расстояние наблюдательных скважин от центральной рекомендуется применять равным 5; 10; 20; 40; 80 м.

Оценка  качества питьевой воды. При оценке подземных вод водоснабжения пользуются ГОСТами. В этой связи питьевая вода должна быть бесцветной, прозрачной, иметь температуру от 4 до 15°С, не иметь неприятного вкуса и запаха, не содержать болезнетворных бактерий и солей тяжелых металлов. Сухой остаток в воде не должен превышать 1 г/л. жесткость должна быть менее 7 мг-экв/л. Совершенно не допускается в питьевой воде присутствие аммиака и азотистой кислоты, указывающих на фекальную загрязненность. Питьевая вода может содержать не более 0,1 мг/л свинца, 0,05 мг/л мышьяка, 1,5 мг/л фтора, 3 мг/л меди, 5 мг/л цинка, 1 мг/л железа 0,6 мг/л урана, 0,005 мг/л ртути. В воде не должны присутствовать болезнетворные бактерии брюшного тифа, холеры и другая недопустимая патогенная флора. Бактериальное загрязнение оценивается по «коли-титру», который должен быть не менее 300 мл и «коли-индексу», который должен быть не более 3.

Оценка качества технической воды. Вода, предназначен для промышленных целей, должна быть прозрачной, без запаха и мягкой. Вода для питания котлов должна иметь сухой остаток не более 0,3 г/л, содержать хлора мене 200 мг/л, жесткость должна быть не более 3 мг-экв/л.

Агрессивность подземных вод по отношению к  бетону. Бетонные сооружения, находясь в соприкосновении с подземными или поверхностными водами, часто разрушаются некоторые химическими соединениями, содержащимися в воде. Это разрешающее действие естественных вод называется агрессивной способностьо вод. В целях увеличения срока службы сооружений необходимо определить степень агрессивности воды.

Сульфатная агрессивность. При повышенном содержании сульфатов происходит кристаллизация в бетоне гипса Са5О₄-2Н₂О с увеличением объема в 2 раза и образование «цементной бациллы», с увеличенная объема в 2,5 раза. Все это приводит к разрушению бетона.

Магнезиальная агрессивность ведет к разрушению бетона при проникновении в тело бетона воды с повышенным содержанием. При содержании иона более 2000 мг/л вода агрессивна по отношению к бетонным сооружениям в песчаных породах, а при содержании иона свыше 5000 мг/л вода становится агрессивной в суглинках,

Карбонатная (углекислая) агрессивность проявляется преимущественно в песчаных породах. Карбонатная агрессия возникает [результате действия агрессивной углекислоты СО₂. В процессе взаимодействия с водой из цемента выделяется свободная известь С0₃, которая реагирует со свободной углекислотой СО₂ Реакция идет по схеме:

СаС0₃ + СО₂'+ Н₂0 = Са (НСО₃)₂ 

Образующийся  бикарбонат кальция является растворимым  и легко выносится из бетона. Максимальным содержанием агрессивен СО₇ является 3 мг/л, при менее опасных породах — 8,3 мг/л.

Кислородная агрессивность вызывается содержащимся в воде кислородом и проявляется преимущественно по отношению к металлическим конструкциям.

При совместном присутствии кислорода с углекислотой агрессивное действие кислорода  повышается. 
 

9. Описать методы  инженерно-геологические  исследования. (Определение прочности пород, определение газопроницаемости пород)

Во всех случаях  исследования должны начинаться со сбора  имеющихся материалов о природных  условиях района (геологическом строении, гидрогеологических условиях, климате, гидрологии, почвенном покрове, топографии). Инженерно-геологические работы обычно выполняют в три этапа:

1) подготовительный;

2) полевой;

3) камеральный.

Эту работу выполняют  в подготовительный период до начала полевых работ; изучают материалы, хранящиеся в геологических фондах и других организациях, опубликованные работы, собирают данные об опыте строительства и эксплуатации аналогичных сооружений в местных природных условиях. Тщательный сбор и анализ имеющихся материалов, дополнительный в ряде случаев рекогносцировочным обследованием района, позволяет целенаправленно составить программу исследований и значительно сократить объём их работ. После проведения необходимых организационно-хозяйственных мероприятий изыскательский отряд и приступает к работам (съёмка, буровые, геофизические и другие работы). Окончательная обработка полевых материалов и результатов лабораторных анализов производится в стационарных условиях в течение камерального периода. Камеральная обработка материалов завершается составлением инженерно-геологического и гидрогеологического отчётов. Объём выполняемых инженерно-геологических исследований бывает различен.

Подготовительные  работы включают изучение района по архивным, фондовым и литературным материалам. Осуществляется подготовка к полевым  работам.

В полевой период проводят все инженерно-геологические работы, предусмотренные проектом для данного участка:

- инженерно-геологическая  съёмка;

- разведочные  работы и геофизические исследования;

- опытные полевые  исследования грунтов;

- изучение подземных  вод;

- анализ опыта  местного строительства и т. д.

В течение камерального периода производят обработку полевых  материалов и результатов лабораторных анализов, составляют инженерно геологический  отчёт с соответствующими графическими приложениями в виде карт, разрезов и. т.д.

Инженерно-геологический отчёт является итогом инженерно-геологических изысканий. В общем виде отчёт состоит из введения, общей и специальной частей, заключения и приложений. Во введении указывают место проведения изыскательских работ и время года, исполнители и цель работ. В общей части, в её отдельных главах даётся описание:

- рельефа, климата,  населения, растительности;

- геологии с  приложением геологических карт  и разрезов;

- карт необходимы  для выполнения работ.

В специальных  главах большое внимание уделяется  грунтам и подземным водам. Грунты являются основным объектом исследований. Поэтому указываются, какие грунты, их свойства, выраженные в цифрах, что необходимо для определения расчётных характеристик, пригодность грунта для строительства объекта. Подземные виды оцениваются в двух направлениях: как источники водоснабжения при строительстве и эксплуатации объекта и как они могут помешать строительству. В заключительной части отчёта даётся общая инженерно-геологическая оценка участка по пригодности для данного строительства, указываются наиболее приемлемые пути освоения территории, заостряется внимание на вопросах охраны окружающей среды. Отчёт обязательно должен иметь приложение, в котором даётся различный графический материал (карты, разрезы, колонки скважин и др.), а также таблицы свойств грунтов, химических анализов воды, каталог геологических выработок и др.

Инженерно-геологические  заключения. В практике инженерно-геологических исследований очень часто вместо больших отчётов приходиться составлять инженерно-геологические заключения. Выделяется три вида заключений:

1) по условиям  строительства объекта;

2) о причинах  деформации зданий сооружений;

3) экспертиза.

В первом случае заключение носит характер инженерно-геологического отчёта. Такое заключение может быть выполнено для строительства отдельного здания.

Инженерно-геологическая  экспертиза проводиться, главным образом, по проектам крупных сооружений. Основой для экспертизы является наличие спорных и разноречивых оценок природных условий (в процессе изысканий) или аварий сооружений (в процессе их эксплуатации).

Экспертиза силами крупных специалистов устанавливает:

- правильность  приёмов исследований;

- достаточность  объёмов работ;

- правомерность  выводов и рекомендаций;

- причины аварий  и т.д.

Определение прочности пород при сжатии в натурных условиях   

Натурные испытания  проводят для определения прочности  массива с учетом ослабляющего влияния  трещин. Размер образцов (призмы) при  натурных испытаниях должен быть таким, чтобы в нем содержался достаточно представительный набор различного рода структурных неоднородностей (трещин, слоев и т. п.),

Испытания производят в стенке выработки, предварительно зачищаемой от разрушенной и выветренной  породы. Для оконтуривания призмы в породах с прочностью в образце  до 200—400 кгс/см 2 применяют цепную пилу типа МС-10 с зубцами, армированными твердым сплавом. В более прочных породах, оконтуривающие щели образуют пробуриванием скважин станками вращательного бурения.

Рекомендуемая схема испытаний приведена на рис. 8. В шпуры, пробуренные вращательным способом до оконтуривания призмы, закладывают реперы для наблюдения продольных и поперечных деформаций призмы в процессе испытаний с помощью индикаторов часового типа,

Размеры призмы а, b , с выбирают с учетом мощности давильной установки. Испытание призмы большого размера весьма трудоемко. Ее целесообразные размеры таковы: а= b =0,5 м; с=0,75 м. Высота ниши для монтажа давильной установки определяется ее габаритами.

Для загружения призм указанного размера рекомендуются  давильная установка ВНИМИ типа 9С12 (усилие до 100 тс) и комплект из 9 давильных цилиндров типа БУ-ЗО (усилие до 1800 тс),