Значение инженерной геологии для проектирования и строительства железных дорог, а также для их эксплуатации

Отношение разности напора ∆H к длине пути l называют гидравлическим уклоном (градиентом) I = ∆H/l  

Основной закон  фильтрации подземных вод.  Современная  теория движения подземных вод основывается на применении закона Дарси:

Q=kфF∆H/l= kфFI 
 
 
 

Где Q – расход воды или количество фильтрующей  воды в единицу времени, м3/сут; kф  – коэффициент фильтрации, м/сут; F  – площадь поперечного сечения  потока воды, м2; ∆H – разность напоров, м; I – длина пути фильтрации, м.  

Выведено это  выражение для пород с ламинарным (параллельно, струйчатым, без пульсации) характером движения подземных вод, которое имеет место в песках, песчаниках и других породах. Позднее  Н.Н. Павловским, Т.Н. Каменским и  Н.К. Гиринским доказана правомерность  этого закона и для гравелистых  пород, где скорости достигают 125 м/сут. 

Эту скорость фильтрации называют кажущейся, поскольку расход потока отнесен ко всей площади поперечного  сечения фильтрующей породы. Если принять напорный градиент за единицу, то коэффициент фильтрации можно  рассматривать как кажущуюся  скорость движения воды. 

Действительную  скорость (Vq) представляет собой отношение  расхода воды к той части поперечного  сечения, которая занята порами: 
 
 
 

В глинистых  породах, где много физически  влаги, не участвующей в гравитационном движении воды и заполняющей поры, различают активную пористость (Пакт), показывающую какая часть сечения  породы способна пропускать движущуюся воду 

Пакт=П – WММВ . γск 

Где WММВ максимальная молекулярная влагоёмкость в долях  единицы, γск - объемный вес скелета  породы 

Методы определения  коэффициента фильтрации. 

Расчетным путем  коэффициент фильтрации определяется преимущественно для песков и  гравелистых пород. Эти методы являются приближенными и рекомендуются  на начальных этапах исследования. Для расчетов используют одну из многочисленных эмпирических формул, связывающих коэффициент  фильтрации грунта с его гранулометрическим составом, пористостью степенью однородности  

Лабораторные  методы основаны на изучении скорости движения воды через образец грунта при различных градиентах напора. Все приборы для лабораторного  определения коэффициента фильтрации могут быть подразделены на два типа: с постоянным напором и с переменным. 

Принцип работы приборов: В цилиндрический сосуд  с двумя боковыми пьезометрами помещают испытуемый грунт, через него фильтруют  воду под напором. Зная диаметр цилиндра F, напорный градиент (I = ΔH/L) и измеряя  расход профильтровавшейся воды Q, находим  коэффициент фильтрации по формуле kф = QL/F(h1-h2), 

Где h1 и h2 – показатели пьезометров; L – расстояние между  точками их соединения 

Приборы, моделирующие постоянство напорного градиента, т. е. установившееся движение, применимы  в основном для грунтов с высокой  водопроницаемостью, например для песков. Для суглинков и супесей применяют  приборы типа ПВГ позволяющие  определять коэффициент фильтрации образцов с нарушенной и ненарушенной структурой. Для глинистых пород  наибольшее значение имеет определение  коэффициента фильтрации в образцах с ненарушенной структурой, обжатых  нагрузкой, под которой грунт  будет находиться в основаниях зданий и сооружений. 

Приборы, моделирующие переменный напор, характеризующий  неустановившееся движение, обычно используют для определения коэффициента фильтрации связных грунтов с малой водопроницаемостью.  

Простота и  дешевизна лабораторных методов  позволяет широко их использовать для  массовых определений коэффициента фильтрации. 

Полевые методы позволяют определить коэффициент  фильтрации в условиях естественного  залегания пород и циркуляции подземных вод, что обеспечивает наиболее достоверные результаты.  

Коэффициент фильтрации водоносных пород определяют с помощью  откачек воды из скважин, а в случае неводоносных грунтов – методом  налива воды в шурфы и нагнетанием  воды в скважины. 

Наилучшим питьевым качеством обладают воды при pH = 6,5…8,5. Химически чистая вода бесцветна. Окраску  воде придают механические примеси. Прозрачность воды зависит от цвета  и наличия мути. Вкус связан с  составом растворенных веществ: соленый  – от хлористого натрия, горький  – от сульфата магния и т. д. Запах  зависит от наличия газов биохимического происхождения (сероводород и др.) или гниющих органических веществ. 

Вода для питьевых целей должна быть бесцветна, прозрачна, не иметь запаха, быть приятной на вкус. Количество растворенных солей не должно превышать 1,0 г/л. Не допускается содержание вредных для здоровья человека химических элементов (уран, мышьяк и др.) и болезнетворных бактерий. Последнее в известной  мере может быть нейтрализовано обработкой воды ультразвуком, хлорированием, озонированием  и кипячением. 

Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воздействии растворенных в воде солей на строительные материалы, в  частности, на портландцемент. Поэтому  при строительстве фундаментов  и различных подземных сооружений необходимо уметь оценивать степень  агрессивности подземных вод  и определять меры борьбы с ней. В  существующих нормах, оценивающих степень  агрессивности вод по отношению  к бетону, кроме химического состава  воды, учитывается коэффициент фильтрации пород. Одна и та же вода может быть агрессивной и неагрессивной. Это  обусловлено различием в скорости движения воды — чем она выше, тем больше объемов воды войдет в  контакт с поверхностью бетона и, следовательно, значительнее будет  агрессивность. 

По отношению  к бетону различают следующие  виды агрессивности подземных вод: 

Общекислотная – оценивается величиной pH. 

Сульфатная –  определяется по содержанию иона SO42-  

Магнезиальная – устанавливается по содержанию иона Mg2+ 

Карбонатная –  связанная с воздействием на бетоны агрессивной углекислоты (возможен только в песчаных породах) 

Агрессивное действие подземных вод на металлы (коррозия металлов). Подземная вода с растворенными  в ней солями и газами может  обладать интенсивной коррозионной активностью по отношению к железу и другим металлам. Подземные воды обладают коррозионными свойствами при содержании в них также  агрессивной углекислоты, минеральных  и органических кислот, солей тяжелых  металлов, сероводорода, хлористых  и некоторых других солей. Мягкая вода действует значительно агрессивней, чем жесткая. Влияние сильнокислых и сильно щелочных вод способствует наибольшему разъеданию металлов. Коррозии способствует повышение температуры  воды, увеличение скорости ее движения, электрического поля в грунтовых  толщах. 
 

Вопрос № 9. 

Опишите методы инженерно – геологических иследований (динамическое зондирование пород, полевые  методы исследования ). 
 

Ответ. 

Динамическое  зондирование - процесс погружения зонда в грунт под действием  ударной нагрузки (ударное зондирование) или ударно-вибрационной нагрузки (ударно-вибрационное зондирование) с измерением показателей  сопротивления грунта внедрению  зонда. 

Сущность метода 

Испытание грунта методом динамического зондирования проводят с помощью специальной  установки, обеспечивающей внедрение  зонда ударным или ударно-вибрационным способом. 

При динамическом зондировании измеряют: 

-глубину погружения  зонда h от определенного числа  ударов молота (залога) при ударном  зондировании; 

-скорость погружения  зонда v при ударно-вибрационном  зондировании. 

По данным измерений  вычисляют условное динамическое сопротивление  грунта погружению зонда р_d. 

Оборудование  и приборы 

В состав установки  для испытания грунта динамическим зондированием должны входить: 

-зонд (набор  штанг и конический наконечник); 

-ударное устройство  для погружения зонда (молот  или вибромолот); 

-опорно-анкерное  устройство (рама с направляющими  стойками); 

-устройства  для измерения глубины погружения  зонда или скорости погружения  зонда. 

Проведение испытания. 

Динамическое  зондирование следует выполнять  непрерывной забивкой зонда в  грунт свободно падающим молотом  или вибромолотом, соблюдая порядок  операций, предусмотренный инструкцией  по эксплуатации установки. Перерывы в  забивке зонда допускаются только для наращивания штанг зонда. 

При ударном  зондировании следует фиксировать  глубину погружения зонда h от определенного  числа ударов молота (залога), а при  ударно-вибрационном зондировании следует  производить автоматическую запись скорости погружения зонда v. Число  ударов в залоге при ударном зондировании следует принимать в зависимости  от состава и состояния грунтов  в пределах 1 - 20 ударов, исходя из глубины  погружения зонда за залог 10 - 15 см, определяемой с точностью ± 0,5 см. Примечание - По специальному заданию допускается  фиксировать число ударов при  погружении зонда на определенный интервал глубины (например, на 10 см). В процессе зондирования необходимо осуществлять постоянный контроль за вертикальностью  погружения зонда. При наращивании  звеньев колонну штанг поворачивают вокруг оси по часовой стрелке  с помощью штангового ключа. Сопротивление  повороту штанг, возникающее в результате трения штанг о грунт, при крутящем моменте до 15 кН х см следует учитывать  при обработке результатов испытания  по 6.5.2. В случае значительного сопротивления  повороту колонны штанг (при крутящем моменте более 15 кН х см), вызванного искривлением скважины, зонд извлекают  из грунта и повторяют испытание  в новой точке зондирования на расстоянии 2 - 3 м от прежней. Испытание  заканчивают после достижения заданной глубины погружения зонда или  в случае резкого уменьшения скорости погружения зонда (менее 2 - 3 см за 10 ударов или менее 1 см/с). По окончании испытания  зонд извлекают из грунта, а скважину тампонируют. Регистрацию результатов  испытания производят в журнале  испытания (приложение Б) или на диаграммной  ленте. 
 

Основными методами полевых исследований грунтов являются статическое и динамическое зондирование, испытание штампом и прессиометром, испытание на срез, испытание эталонной  сваей. 

Полевые исследования грунтов проводятся для: 

- изучения массивов  грунтов, расчленения геологического  разреза, оконтуривания линз и  прослоев слабых грунтов;  

- определения  физических, деформационных и прочностных  свойств грунтов в условиях  естественного залегания;  

- оценки пространственной  изменчивости свойств грунтов;  

- оценки возможности  погружения свай в грунты и  несущих способностей свай;  

- проведения  стационарных наблюдений за изменением  во времени физико-механических  свойств намывных и насыпных  грунтов;  

- определения  динамической устойчивости водонасыщенных  грунтов 

Использование полевых методов исследования физико-механических свойств грунтов во многих случаях  позволяет существенно снизить  стоимость строительства. Большие  непроизводительные расходы вызывают как строительство по проектам с  излишним запасом прочности оснований  сооружений, так и дополнительные работы по устранению недопустимых деформаций или даже аварий вследствие неправильной оценки свойств грунтов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы 

1 Ананьев В.  П. Потапов А. Д. Инженерная  геология 

2. Черноусов  С.И. Основы инженерной геологии  для транспортных строителей  

3. СП 11-105-97 _ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ  ИЗЫСКАНИЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА_  ЧАСТЬ II_ ПРАВИЛА ПРОИЗВОДСТВА  РАБОТ В РАЙОНАХ РАЗВИТИЯ ОПАСНЫХ  ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ  ПРОЦЕССОВ