Задачи инженерной геологии
Значение инженерной геологии для строительства железных дорог и их эксплуатации. Основные физико-механические свойства горных пород, необходимые для проектирования и строительства. Образование и строительные свойства аллювиальных грунтовых отложений.
| Рубрика | Геология, гидрология и геодезия |
| Вид | контрольная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.03.2013 |
| Размер файла | 495,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Если в толще водопроницаемых пород залегает линза водонепроницаемых пород, то проникающие сверху осадки, достигая линзы, задерживаются, скапливаются, образуя самостоятельный водоносный горизонт -- верховодку. Верховодка обычно насыщает различные пористые породы. Она встречается также в верхней части коры выветривания скальных пород. Кроме того, верховодка распространена в районах многолетней мерзлоты, где она в зимнее время полностью перемерзает. Мощность пород, насыщенных верховодкой, обычно невелика (в среднем 14-1,0 м), местами она достигает 2-5 м.
Заметное влияние на формирование верховодки оказывает характер рельефа. Так на склонах, особенно крутых, где благоприятны условия для поверхностного стока и неудовлетворительны для инфильтрации, верховодка не формируется. Наилучшие условия для верховодки создаются на плоских водоразделах, особенно в понижениях микрорельефа (западинах, степных блюдцах и т.п.). На территориях больших городов образованию верховодки способствуют также многочисленные понижения, ямы, старые котлованы.
Ввиду незначительной мощности и распространения водоупорных линз верховодка образует лишь временное скопление воды, которое исчезает в засушливое время года. Поэтому вода верховодки используется лишь для водоснабжения отдельных хозяйств сельской местности или снабжения мелких предприятий.
Качество вод верховодки различно. В районах избыточного увлажнения они слабо минерализованы, в засушливых районах -- сильно минерализованы. На территориях городов воды верховодки, вследствие неглубокого залегания от поверхности, сильно загрязняются.
При строительных работах воды верховодки являются неблагоприятным фактором и для устранения вредного влияния верховодки применяется дренаж-осушение.
При инженерно-геологических изысканиях следует учитывать следующие особенности:
1) верховодка может образовываться даже при отсутствии в зоне аэрации каких-либо водоупорных пропластков, например, когда в толщу суглинков обильно поступает вода, но из-за их низкой водопроницаемости просачивание происходит замедленно и в верхней части толщи может образоваться верховодка, которая затем, через некоторое время, рассасывается;
2) в сухое время года верховодка не всегда обнаруживается при изысканиях, поэтому, чтобы предотвратить ее внезапное появление в период строительства, следует выполнять вероятностный инженерно-геологический прогноз ее появления, в том числе, с привлечением методов имитационного моделирования особенно на просадочных (лессовых, протаивающих многолетнемерзлых) и набухающих глинистых грунтах.
Вода в твердом состоянии
Вода - одно из самых распространенных на Земле химических соединений. Она окружает нас повсеместно, даже природные явления, ежедневно наблюдаемые нами - облачность, туман, дождь, снег - всего лишь различные состояния воды жидкое, газообразное и твердое. Газообразное состояние воды принято называть паром. В природе понятие влажности воздуха подразумевает содержание количества водяных паров в воздухе (большое содержание паров - повышенная влажность воздуха).
При температуре 0°С и ниже и нормальном атмосферном давлении вода переходит в твердое состояние - лед. Лед очень плохо поддается сжиманию, а плотность льда, за счет его молекулярного строения меньше плотности воды, поэтому лед находится на поверхности воды и при температуре 0°С всегда выступает из нее на 1/5 своего объема.
В настоящее время известны три аморфных разновидности и 15 кристаллических модификаций льда. Фазовая диаграмма показывает, при каких температурах и давлениях существуют некоторые из этих модификаций.
Рис. 1. Фазовая диаграмма льда. Давление (ГПа) в логарифмическом масштабе, температура слева - в градусах Цельсия, справа - Кельвина, 1 - жидкая фаза.
В природных условиях Земли лёд представлен, главным образом, одной кристаллической модификацией, кристаллизующейся в гексагональной сингонии (лёд Ih). Во льду Ih каждая молекула Н 2O окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых расстояниях от неё, равных 2,76 Е и размещённых в вершинах правильного тетраэдра.
Рис 2. Кристаллическая структура льда Ih.
Ажурная структура такого льда приводит к тому, что его плотность, равная 916,7 кг/мі при 0 °C, ниже плотности воды (999,8 кг/мі) при той же температуре. Поэтому вода, превращаясь в лёд, увеличивает свой объём примерно на 9 %. Лёд, будучи легче жидкой воды, образуется на поверхности водоёмов, что препятствует дальнейшему замерзанию воды.
Высокая удельная теплота плавления льда, равная 330 кДж/кг, (для сравнения - удельная теплоты плавления железа равна 270 кДж/кг), служит важным фактором в обороте тепла на Земле. Так, чтобы растопить 1 кг льда или снега, нужно столько же тепла, чтобы нагреть литр воды от 0 до 80 °C
Лёд встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного), а также в виде снега, инея и т. д. Под действием собственного веса лёд приобретает пластические свойства и текучесть.
Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, так как при кристаллизации воды в первую очередь в решётку встают молекулы воды (см. зонная плавка). Лёд может содержать механические примеси - твёрдые частицы, капельки концентрированных растворов, пузырьки газа. Наличием кристалликов соли и капелек рассола объясняется солоноватость морского льда.
Искусственный лёд можно получить охлаждением, происходящим при растворении некоторых солей в воде или кислотах или охлаждением при испарении жидкостей в разрежённом пространстве.
|
Фаза |
Характеристики |
|
|
Аморфный лёд |
Аморфный лёд не обладает кристаллической структурой. Он существует в трех формах: аморфный лёд низкой плотности (LDA), образующийся при атмосферном давлении и ниже, аморфный лёд высокой плотности (HDA) и аморфный лёд очень высокой плотности (VHDA), образующийся при высоких давлениях. Лёд LDA получают очень быстрым охлаждением жидкой воды ("сверхохлаждённая стекловидная вода", HGW), или конденсацией водяного пара на очень холодной подложке ("аморфная твёрдая вода", ASW), или путём нагрева высокоплотностных форм льда при нормальном давлении ("LDA"). |
|
|
Лёд Ih |
Обычный гексагональный кристаллический лёд. Практически весь лёд на Земле относится ко льду Ih, и только очень малая часть - ко льду Ic. |
|
|
Лёд Ic |
Метастабильный кубический кристаллический лёд. Атомы кислорода расположены как в кристаллической решётке алмаза. Его получают при температуре в диапазоне 130--150 K, он остаётся устойчивым до 200 K, а при дальнейшем нагреве переходит в лёд Ih. Он изредка встречается в верхних слоях атмосферы. |
|
|
Лёд II |
Тригональный кристаллический лёд с высокоупорядоченной структурой. Образуется изо льда Ih при сжатии и температурах 190--210 K. При нагреве он преобразуется в лёд III. |
|
|
Лёд III |
Тетрагональный кристаллический лёд, который возникает при охлаждении воды до 250 K и давлении 300 МПа. Его плотность больше, чем у воды, но он наименее плотный из всех разновидностей льда в зоне высоких давлений. |
|
|
Лёд IV |
Метастабильный тригональный лёд. Его трудно получить без нуклеирующей затравки. |
|
|
Лёд V |
Моноклинный кристаллический лёд. Возникает при охлажении воды до 253 K и давлении 500 МПа. Обладает самой сложной структурой по сравнению со всеми другими модификациями. |
|
|
Лёд VI |
Тетрагональный кристаллический лёд. Образуется при охлажении воды до 270 K и давлении 1,1 ГПа. В нём проявляется дебаевская релаксация. |
|
|
Лёд VII |
Кубическая модификация. Нарушено расположение атомов водорода; в веществе проявляется дебаевская релаксация. Водородные связи образуют две взаимопроникающие решётки. |
|
|
Лёд VIII |
Более упорядоченный вариант льда VII, где атомы водорода занимают, очевидно, фиксированные положения. Образуется изо льда VII при его охлаждении ниже 5 °C. |
|
|
Лёд IX |
Тетрагональная метастабильная модификация. Постепенно образуется изо льда III при его охлаждении от 208 K до 165 K, стабилен при температуре ниже 140 K и давлениях между 200 и 400 МПа. Его плотность 1,16 г/смі, то есть, несколько выше, чем у обычного льда. |
|
|
Лёд X |
Симметричный лёд с упорядоченным расположением протонов. Образуется при давлениях около 70 ГПа. |
|
|
Лёд XI |
Ромбическая низкотемпературная равновесная форма гексагонального льда. Является сегнетоэлектриком. |
|
|
Лёд XII |
Тетрагональная метастабильная плотная кристаллическая модификация. Наблюдается в фазовом пространстве льда V и льда VI. Можно получить нагреванием аморфного льда высокой плотности от 77 K до примерно 183 K и при давлении 810 МПа. |
|
|
Лёд XIII |
Моноклинная кристаллическая разновидность. Получается при охлаждении воды ниже 130 K и давлении 500 МПа. Разновидность льда V с упорядоченным расположением протонов. |
|
|
Лёд XIV |
Ромбическая кристаллическая разновидность. Получается при температуре ниже 118 K и давлении 1,2 ГПа. Разновидность льда XII с упорядоченным расположением протонов. |
|
|
Лёд XV |
Разновидность льда VI с упорядоченным расположением протонов. Можно получить путём медленного охлаждения льда VI примерно до 130 K и давлении 0,8-1,5 ГПа.[4] |
Новые исследования формирования водяного льда на ровной поверхности меди при температурах 100--140 K показали, что сначала на поверхности возникают цепочки молекул шириной около 1 нм не гексагональной, а пентагональной структуры.
Использование льда в технике
Ледяная гидросмесь. В конце 1980-х годов лаборатория Аргонн разработала технологию изготовления ледяной гидросмеси (Ice Slurry), способной свободно течь по трубам различного диаметра, не собираясь в ледяные наросты, не слипаясь и не забивая системы охлаждения [1]. Солёная водяная суспензия состояла из множества очень мелких ледяных кристалликов округлой формы. Благодаря этому сохраняется подвижность воды и, одновременно, с точки зрения теплотехники она представляет собой лёд, который в 5-7 раз эффективнее простой холодной воды в системах охлаждения зданий. Кроме того, такие смеси перспективны для медицины. Опыты на животных показали, что микрокристаллы смеси льда прекрасно проходят в довольно мелкие кровеносные сосуды и не повреждают клетки. "Ледяная кровь" удлиняет время, в течение которого можно спасти пострадавшего. Скажем, при остановке сердца это время удлиняется, по осторожным оценкам, с 10-15 до 30-45 минут.
Использование льда в качестве конструкционного материала широко распространено в приполярных регионах для строительства жилищ - иглу. Лёд входит в состав предложенного Д. Пайком материала Пайкерит, из которого предлагалось сделать самый большой в мире авианосец. Использование льда для постройки искусственных островов описывается в фантастическом романе Ледяной остров.
8. Сформулируйте основной закон фильтрации подземных вод. Опишите методы определения коэффициента фильтрации и расхода плоского потока подземных вод. Назовите требования к питьевой воде. Объясните причины агрессивности воды к бетону и металлу
Линейный закон фильтрации
Движение подземных вод в пористых породах (пески, супеси, суглинки) неглубокого залегания имеет параллельно-струйчатый или ламинарный характер, т.е. без разрывов и пульсации, [плавным изменением скорости и подчиняется закону Дарси, экспериментально установленному им в 1856 г. I Основной закон фильтрации -- закон Дарси выражается формулой:
Q=KфF= KфFi,
где Q -расход воды (количество фильтрующейся воды в единицу времени), м3/сут;
Kф- постоянная величина для данной породы, характеризующая ее водопроницаемость; эта величина называется коэффициентом фильтрации, м/сут;
F - площадь поперечного сечения потока, м2;
ДH - разность уровней в двух рассматриваемых сечениях, м;
l - длина пути фильтрации, м;
i - гидравлический уклон.
Разделив обе части уравнения на F и назвав - скоростью фильтрации V, м/сут, получим:
V=Кфi.
Это уравнение показывает, что по линейному закону скорость фильтрации прямо пропорциональна гидравлическому градиенту.
Если принять i = 1, то получим V=Кф, т.е. при гидравлически градиенте, равном единице, коэффициент фильтрации численно равен скорости фильтрации.
Формула позволяет определить так называемую кажущуюся скорость фильтрации. Так как вода течет лишь через часа сечения F, равную площади пор и трещин породы, то для определения действительной скорости фильтрации V, м/сут, следует учесть пористость п, выраженную в долях единицы и корректировать расчет: для песков и крупнообломочных пород
Vд=V/n;
для глинистых -
Vд=V/nакт,
где nакт - актив пористость в долях единицы.
Нелинейный закон фильтрации
В крупнообломочных, сильно трещиноватых скальных породах неглубокого залегания при наличии крупных пустот трещин значительной протяженности движение водного потока имеет вихревой или турбулентный вид.
Оно характеризуем вихреобразностыо, пульсацией и перемешиванием отдельных струй воды.
Нелинейный закон фильтрации выражается формулой А.А. Краснопольского:
V=Kк,
где Кк -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 Кф м/сут. На его величину, а следовательно, и на пень водопроницаемости рыхлых пород оказывают влияние:
1) диаметр пор - с уменьшением диаметра пор уменьшается коэффициент фильтрации;
2) количество глинистых частиц - с увеличением количества глинистых частиц, особенно монтмориллонита, Кф уменьшается;
3) характер обменных катионов - при наличии двухвалентных катионов (Са2+, Мg2+) водопроницаемость и Кф возрастают, а в присутствии одновалентных катионов (Nа+, К+) - уменьшаются. Влияние Nа+, уменьшающее Кф 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 Кф 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 Qуст, м3/сут, и разделив его на площадь дна шурфа F, м2, получают среднюю скорость инфильтрации из шурфа м/сут.
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 Кф 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 Са 5О 4-2Н 2О 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 СО 2. В процессе взаимодействия с водой из цемента выделяется свободная известь С 03, которая реагирует со свободной углекислотой СО 2 Реакция идет по схеме:
СаСО3 + СО2'+ Н2О = 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.
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 подземной воды, увеличение скорости ее движения, электрические токи.
9. Опишите методы инженерно-геологических исследований (статическое зондирование грунтов, определение коэффициента фильтрации)
Определение коэффициента фильтрации
Для хорошо фильтрующих грунтов kf определяют с помощью прибора, состоящего из трубы длиной L, заполненной грунтом, и двух трубок - подводящей и отводящей воду. При разности напоров H2--Н 1 вода будет фильтроваться под действием градиента i.
Определив объем воды в колбе V, профильтровавшейся за время t, можно найти
kf = V/Ait,
где А - площадь поперечного сечения образца грунта.
При пылевато-глинистых грунтах для определения коэффициента фильтрации приходится создавать большой напор. Тогда значение можно определять с помощью прибора конструкции Б.И. Далматова. В этом приборе образец грунта 5 помещается в кольцо 1, устанавливаемое на фильтрующее днище 6. Сверху располагается фильтрующий поршень 4. Вода поступает со значительным давлением под фильтрующее днище, проходит через образец грунта, заполняет пространство над поршнем и выливается в колбу. Для ускорения процесса фильтрации камера над поршнем заранее заливается водой. Как установлено опытами, вследствие образующегося выпуклого мениска вода поступает в колбу периодически и сразу в относительно большом количестве. Для устранения мениска на уровне сливного отверстия устанавливается пластинка 3 с вырезом в месте отверстия. Это способствует капельному поступлению воды в колбу. Для исключения испарения воды прибор герметизируется завинчивающейся крышкой 2.
Для предотвращения движения воды вдоль стенок кольца к фильтрующему поршню прикладывают внешнюю нагрузку, большую, чем структурная прочность грунта. Если это по каким-либо причинам нежелательно, берут образец, имеющий диаметр на 8... 10 мм меньше внутреннего диаметра кольца, и зазор между грунтом и стенками кольца заполняют нефильтрующим вязким веществом.
С помощью такого прибора можно устанавливать коэффициент фильтрации суглинков и глин при kf < 10-9 см/с. Коэффициент фильтрации песков и супесей для расчета притока воды в котлованы рекомендуется определять в полевых условиях методом пробных откачек или путем налива воды в скважины.
Статическое зондирование грунтов
Теория статического зондирования
Повышение эффективности и качества строительства в значительной степени зависит от правильного выбора фундаментов сооружений. Стоимость и трудоемкость возведения фундаментов составляют значительную долю затрат в строительстве. Правильный выбор фундаментов - это полное использование несущей способности грунтов оснований при обеспечении необходимой надежности сооружений. Решение этой задачи зависит от наличия у проектировщика исчерпывающих данных об инженерно-геологических условиях строительных площадок.
В последние десятилетия происходит увеличение пролетов производственных зданий и этажности жилых домов, что приводит к значительному повышению нагрузок на основание. В то же время для строительства отводятся площадки со все более сложными инженерно-геологическими условиями, изучение которых требует комплексных исследований грунтов оснований сооружений с помощью лабораторных и полевых методов.
В этой связи большое распространение получают полевые методы исследований грунтов в условиях их естественного залегания, позволяющие исследовать и такие грунты, отбор образцов из которых практически невозможен. Из всех полевых методов исследований, разработанных в последние десятилетия, наибольшее применение получило статическое зондирование, обладающее рядом существенных преимуществ. Во многих случаях, особенно, при использовании свайных фундаментов, исследования грунтов статическим зондированием становятся основным методом.
Тензометрические наконечники с датчиками порового давления (пьезоконусы).
Появившиеся в последние годы наконечники с датчиками порового давления (пьезоконусы) являются перспективным дополнением к обычным установкам зондирования, расширяя возможности оценки грунтов. В установках для измерения порового давления конструкция электрического наконечника обеспечивает измерение сопротивления конуса qс, трения по муфте fs и порового давления и. Применение пьезоконусов началось около 10 лет назад. Исследования с помощью пьезоконусов расширяют и улучшают возможности обычного статического зондирования. Основные преимущества испытаний с пьезоконусом: возможность различать дренированные и недренированные испытания, возможность уточнять замеренное сопротивление конуса на основе учета порового давления и конструкции наконечника, возможность определять консолидационные характеристики грунтов. Эти преимущества позволяют более точно определять характер напластования и вид грунтов, а также их физико-механические характеристики.
Пьезоконус, в дополнение к обычному конусу, имеет следующие основные части для измерения порового давления: пористый фильтр, камеру поровой жидкости и датчик измерения порового давления. Местоположение фильтра на наконечнике до настоящего времени не стандартизировано. В различных конструкциях он располагается: на острие конуса, на теле конуса, непосредственно над основанием конуса, над муфтой трения и т.д.
Фильтр представляет собой кольцевой элемент внешним диаметром 35,6 мм, обычно высотой 5 мм. Изготовляют фильтры из нержавеющей стали, керамики, прокаленной бронзы, карборунда, сцементированного кварцевого песка, пропилена и т.п. Фильтр должен удовлетворять трем, в известной степени противоречивым, требованиям: он должен быть жестким, обладать высокой проницаемостью для жидкости и низкой для воздуха. Размер отверстий фильтров составляет примерно 100 микрометров. Одним из основных требований к фильтрам является их невысокая стоимость, так как после каждого испытания фильтр следует менять, В качестве жидкости, заполняющей камеру, наиболее часто используются силиконовое масло или глицерин (малосжимаемые жидкости).
Поровое давление при зондировании изменяется очень быстро, особенно в частослоистых грунтах, поэтому измеряемое давление имеет динамический характер. Для надежного измерения непрерывно меняющегося порового давления преобразователь должен обеспечить минимальное запаздывание во времени. Преобразователи располагаются на уровне фильтров и находятся поэтому в прямом контакте с поровой водой, поступающей через фильтр. Чувствительность преобразователя измеряется изменением объема поровой жидкости на единицу давления. В показанном на рис. 1 пьезоконусе преобразователь давления имеет чувствительность 0,2 мм на весь диапазон давления от 0 до 2 МПа.
Изготовление и использование пьезоконусов является сложной технической задачей, поэтому, несмотря на получаемые с их помощью дополнительные данные о грунтах, их применение весьма ограничено. Они используются в основном для исследований глинистых грунтов в научных целях, а также при зондировании на шельфе, где усложнение испытания определяется необходимостью получения достоверных данных о грунтах, используемых для проектирования сложных и очень дорогих сооружений. В работе приведен результат опроса 80 специалистов различных стран о применении пьъезоконусов. Из ответов видно, что зондирование пьезоконусом составляет менее 10% общего объема статического зондирования. Исключением являются исследования на шельфе в некоторых странах (Норвегия, Канада), где зондирование пьезоконусом составляет более 80% общего объема статического зондирования.
В основные задачи статического зондирования входит обеспечение исходными инженерно-геологическими данными проектирования и строительства (для выбора типа фундаментов, определения глубины заложения и предварительных размеров фундаментов, выбора несущего слоя грунтов под сваи, определение несущей способности и размеров свай, составления проекта производства земляных работ, контроля разуплотнения грунтов при производстве земляных работ).
Статическое зондирование следует применять в сочетании с другими видами инженерно - геологических исследований для:
· выделения инженерно-геологических элементов (мощность, граница распространения грунтов различного состава и состояния);
· определения однородности грунтов по площади и глубине;
· определение глубины залегания кровли крупнообломочных грунтов;
· приближенной количественной оценки характеристик свойств грунтов;
· определение сопротивления грунта под сваей и по ее боковой поверхности;
· определения степени уплотнения и упрочнения во времени искусственно сложенных (насыпных и намывных) грунтов;
· выбора мест расположения опытных площадок для детального изучения физико-механических свойств грунтов.
При проведении инженерно-геологических изысканий под конкретные здания и сооружения зондирование грунтов следует производить в пределах их контуров или на расстоянии от контуров зданий и сооружений не более 5 м.
Для получения сопоставительных данных часть точек необходимо располагать на расстоянии не ближе 25 диаметров зонда от не обсаженной и незаполненной бетоном скважины, в которых производят отбор грунтов для лабораторных исследований и другие виды полевых испытаний грунтов, и не ближе 1 м от ранее выполненного зондирования.
В соответствии с потребностями практики различными фирмами выпускается широкий ассортимент установок, начиная от ручных переносных и кончая установками на трехосных автомобилях и вездеходах.
В результате полевых испытаний грунтов статическим зондированием определено:
1. удельное сопротивление грунта под наконечником (конусом) зонда qc (cone resistance), МПа;
2. удельное сопротивление грунта на участке боковой поверхности (муфте трения) зонда fs (sleeve friction), МПа;
3. вычислен показатель
Rf (%) = F/Q*100,
где F - удельное трение по боковой поверхности зонда,
Q - сопротивление внедрению конуса
Аппаратура зондирования
Статическое зондирование проводится при помощи задавливающего устройства, разработанного с учетом основных требований рекомендательного Европейского стандарта по зондированию.
При выполнении зондирования использован тензометрический пьезоконус типа F7,5CKEW2/V (далее по тексту - зонд), позволяющий производить измерения лобового сопротивления, сопротивления муфты трения, значений порового давления, а также измерять отклонение от вертикали при помощи инклинометра.
Основные преимущества испытаний с указанным зондом:
· возможность различать дренированные и недренированные испытания;
· возможность уточнять замеренное сопротивление конуса на основе учета порового давления и конструкции наконечника;
· возможность определять консолидационные характеристики грунтов.
Эти преимущества позволяют более точно определять характер напластований и вид грунтов, а также физико-механические характеристики.
Установка состоит из следующих элементов:
· Установка для вдавливания зонда на базе ПБУ 2-12 на шасси КАМАЗ, обеспечивающая усилие вдавливания до 20 т.
· Регистрирующее устройство ПИКА-15П производства НИИОСП им. Герсеванова.
· Зонд для статического зондирования грунтов второго типа производства НИИОСП им. Герсеванова.
· Штанги длиной 1 м.
· Фальшзонд, которым проходится первый метр испытания для задания направления зондирования
Методика зондирования
Грузовик для выполнения испытаний устанавливается так, чтобы направление задавливливания было бы как можно ближе к вертикальному. Отклонение начального направления погружения не превышало 2°. Оси труб должны совпадать с направлением погружения. Трубы проверены на прямолинейность.
Погружение зонда в грунт производится с постоянной скоростью 1м/мин ± 30% при помощи силовой установки с синхронной записью показаний приборов на персональный компьютер Tosiba Satellite 1500.
Лобовое сопротивление, сопротивление муфты трения и поровое давление регистрируются тензометрическими датчиками, расположенными в зонде. Также, с помощью инклинометра, расположенного в зонде регистрируется угол отклонения от вертикали.
Сигналы измеряющих устройств передаются посредством универсального 12 канального кабеля, протянутого внутри полых штанг толкателя к регистратору сигналов, с которого данные поступают на компьютер, который выполняет непрерывную графическую запись показателей лобового сопротивления, сопротивления муфты трения и порового давления. Опрос датчиков производится 1 раз в секунду, что соответствует примерно 2 см погружения в грунт; при этом уровень погружения должен поддерживается постоянным (2-2,5 см/c). Одновременно происходит автоматическая компьютерная обработка данных и рисование графиков. По окончании испытания зонд извлекают из грунта.
При проведении статического зондирования оператор должен следить за всеми параметрами задавливания. В параметры задавливания входят: сопротивление конусу зонда (лобовое сопротивление), сопротивление муфты трения (сопротивление по боковой поверхности), угол отклонения колонны штанг-толкателей с зондом от вертикали, скорость задавливания зонда. Оператор также должен следить за наличием крупнообломочного материала в исследуемой толще (крупная галька, валуны). Особое внимание должно быть уделено отслеживанию нарастания общего сопротивления. Задавливание прекращается, если сопротивление конусу зонда превышает 60 - 65 МПа, и если отклонение колонны штанг от вертикали превышает 10° при лобовом сопротивлении в 35 - 38 МПа. При попадании зонда на валун точка должна быть продублирована. Колонна штанг извлекается, и зондирование выполняется в 1 - 2 м от исходной точки.
Используемая установка статического зондирования позволяет выполнять в день до 230 метров зондирования (при средней глубине точки 30-35 метров).
Интерпретация результатов статического зондирования
Расшифровку графиков статического зондирования следует производить с выделением характерных интервалов с одинаковыми или близкими значениями удельного сопротивления грунта под наконечником и на участке боковой поверхности.
Многочисленные исследования указывают на то, что соотношение сопротивления муфты трения к лобовому сопротивлению ("пропорция трения") помогает идентифицировать тип грунта. Этот показатель может варьировать в значительных пределах в зависимости от того, является ли грунт песчаным или глинистым.
Сопротивление конуса в песках и глинистых грунтах резко различны. В то время как в глинах удельное сопротивление конуса возрастает медленно, равномерно и редко превышает 4Мпа, сопротивление конуса в песках, как правило, быстро и зигзагообразно увеличивается с глубиной и составляет более 4 МПа. Эта зигзагообразность объясняется снижением сопротивления при разрушении песчаного основания и последующим увеличением сопротивления конуса погружению. В глинистых грунтах последовательность снижения и восстановления прочности происходит так часто, что не отражается на графике зондирования.
Впечатляет и скорость, с которой зонд погружается в грунт. И если, скажем, качество полученных данных при бурении напрямую зависит от квалификации и добросовестности оператора буровой установки, который проводит забор проб, метод статического зондирования этот фактор исключает. Все параметры свойств грунтов фиксирует компьютер.
К тому же, статическое зондирование позволяет получать широкий диапазон данных. Например, датчики регистрирует информации неоднородности почв, определяют поровое давление, удельную электропроводность, температуру и т.д. Это позволяет проектировщикам принять верное решение при выборе типа фундаментов и далее провести расчеты несущих способностей как буронабивных, так и забивных свай.
Несомненным преимуществом метода является его экологичность и относительно невысокая стоимость, Погонный метр исследования разреза методом статического зондирования обходится в 4 раза дешевле бурения.
Зондирование можно отнести и к более щадящему методу изучения почв. Особенно это важно при обследовании грунтов в историческом, плотно застроенном центре Петербурга. Бурение десятка скважин по периметру здания 18 века, несомненно, принесет больше вреда, чем зондирование.
Особую актуальность метод приобретает в подземном строительстве - при сооружении новых станций метро, коллекторов, пешеходных переходов, паркингов, реконструкции подвальных помещений. Исследования грунтов статическим зондированием дает возможность получать точные сведения, необходимые при разработке проекта, выборе технологий, материалов, способов укрепления конструкций подземного объекта.
Список литературы
1. Методические указания "Инженерная геология", М:1990 г.
2. Ананьев В.П., Потапов А.Д. "Инженерная геология: Учеб. для строит. спец. Вузов" - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2002.
3. http://ru.wikipedia.org
4. http://www.yondi.ru/inner_c_article_id_609.phtm
5. http://twirpx.com
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Значение инженерной геологии для промышленного и гражданского строительства. Описание условий образования и строительные свойства грунтовых отложений (аллювиальных). Относительный и абсолютный возраст горных пород. Основной закон фильтрации подземных вод.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 24.06.2011Обоснование роли инженерной геологии для строительства железных дорог и их эксплуатации. Анализ физико-механических свойств горных пород, необходимых для проектирования и строительства. Методы определения абсолютного и относительного возраста пород.
контрольная работа [1,8 M], добавлен 26.04.2010Значение инженерной геологии для строительства. Физико-механические свойства горных пород. Суть процессов внешней динамики Земли (экзогенных процессов). Классификация подземных вод, основной закон фильтрации. Методы инженерно-геологических исследований.
контрольная работа [1,5 M], добавлен 26.07.2010Значение инженерной геологии для проектирования и строительства. Задачи, решаемые этой наукой. Происхождение, минералогический и химический составы, структура, текстура и условия залегания. Основные физико-механические показатели свойств горных пород.
контрольная работа [260,9 K], добавлен 14.07.2010Основные этапы развития инженерной геологии как науки. Особенности определения абсолютного возраста горных пород. Ключевые методы борьбы с подвижными песками. Анализ строительства в районе вечной мерзлоты. Способы определения притока воды к водозаборам.
курсовая работа [1017,4 K], добавлен 10.09.2013Сущность понятия "инженерная геология". Минерал мусковит и порода сенит-порфит, супесь, мел. Условия образования и строительные свойства грунтовых отложений. Процесс просадки леса и обвала, возможные защитные мероприятия. Классификация подземных вод.
контрольная работа [59,7 K], добавлен 23.04.2010Литолого-стратиграфическая характеристика, физико-механические свойства горных пород по разрезу скважины. Осложнения при бурении. Работы по испытанию в эксплуатационной колонне и освоению скважины, сведения по эксплуатации. Выбор способа бурения.
дипломная работа [185,5 K], добавлен 13.07.2010Исторический образ, обзор первобытной обработки камня. Залегания горных пород и их внешний вид. Структура, текстура горных пород Южного Урала. Способы и оборудование для механической обработки природного камня. Физико-механические свойства горных пород.
курсовая работа [66,9 K], добавлен 26.03.2011Типы трещин, понятия о трещиноватости и её видах. Ее значение в горном деле и геологии. Инженерно-геологические условия Нойон-Тологойского месторождения полиметаллических руд. Влияние трещиноватости на изменение физико-механических свойств горных пород.
курсовая работа [899,3 K], добавлен 15.01.2011Методики определения возраста горных пород, закономерности развития земной коры во времени и в пространстве. Основные этапы развития исторической геологии. Определение строения и закономерностей развития земной коры, тектонических движений и структур.
реферат [22,2 K], добавлен 24.04.2010Характеристики и свойства горных пород и их породообразующих минералов. Условия образования эоловых отложений. Составление инженерно-геологической характеристики грунтов. Описание подземных межмерзлотных вод, особенности их существования и движения.
контрольная работа [588,9 K], добавлен 31.01.2011Образование нефтяных и газовых месторождений в складках слоев горных пород. Стратиграфическая шкала осадочных пород, моделирование внешней формы залежи. Осуществление разделения продукции скважин в сепараторах. Основные элементы, обеспечивающие сепарацию.
контрольная работа [75,3 K], добавлен 13.05.2011Литолого-стратиграфическая характеристика и физико-механические свойства горных пород по разрезу скважины. Возможные осложнения при бурении. Обоснование, выбор и расчет типа профиля скважины и дополнительных стволов. Расчет диаметра насадок долота.
дипломная работа [3,1 M], добавлен 22.01.2015Разработка угольных месторождений. Факторы, влияющие на параметры процесса их сдвижения: вынимаемая мощность пласта, глубина горных разработок и угол падения пород, строение горного массива и физико-механические свойства пород, геологические нарушения.
контрольная работа [65,8 K], добавлен 15.12.2013Проведение на электронных вычислительных машинах имитационных лабораторных испытаний горных пород и определение их механических свойств (пределов прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона). Теории определения прочности горных пород Кулона-Мора.
курсовая работа [3,8 M], добавлен 27.06.2014Место экологической геологии в системе наук, ее задачи, решаемые с помощью различных методов. Специальные методы экологической геологии. Эколого-геологическое картирование, моделирование, мониторинг. Функциональный анализ эколого-геологической обстановки.
реферат [18,3 K], добавлен 25.11.2010Свойства минералов и горных пород. Условия образования отложений, форма дислокации, причины образования оползней, стадии их развития, форма делювиальных склонов. Условия строительства сооружений и сущность метода инженерно-геологических исследований.
контрольная работа [77,6 K], добавлен 14.03.2009Понятие и задачи исторической геологии. Палеонтологические и непалеонтологические методы восстановления геологического прошлого. Определение относительного возраста магматических пород. Периодизация истории Земли. Понятие стратиграфических единиц.
реферат [23,6 K], добавлен 24.05.2010Историческая геология - раздел геологических наук, где в хронологическом порядке рассматривается геологическое прошлое Земли. Формирование исторической геологии в 18 веке. Развитие геологии на современном этапе: стратиграфия, палеогеография и тектоника.
реферат [43,4 K], добавлен 03.02.2011Физико-географические, геологические и гидрогеологические условия территории строительства. Физико-механические свойства грунтов в зоне влияния участка. Расчет устойчивости откосов, крена и осадки свайного фундамента. Определение несущей способности свай.
курсовая работа [538,3 K], добавлен 06.02.2014
