Виды работ при инженерных изысканиях

Топографические съемки на территориях угольных месторождений выполняются разведочными и проектными организациями:

Союзмаркштрестом — для обеспечения геологоразведочных работ планами в масштабах 1:10000 и 1:5000;

- проектными организациями — для проектирования и строительства в масштабах: на строительных площадках — 1:2000, 1:1000 и 1:500; по трассам линейных сооружений — 1:5000 и 1:2000.

Опорной сетью, являющейся основой для всех геодезических работ и топографических съемок, служат пункты триангуляции и полигонометрии, геодезические координаты которых вычисляются в единой системе; высотные отметки определяются в абсолютной системе от уровня Балтийского моря.

Для съемок в масштабе 1:5000 и более крупном (табл. 1) прямоугольные координаты пунктов триангуляции вычисляются в конформной (равноугольной) проекции Гаусса и трехградусных зонах с осевыми меридианами, имеющими долготу от Гринвича: 33, 36, 39° и т. д.

Геодезические работы при топографических съемках проводятся при следующих допустимых невязках:

- угловой — по теодолитным и тахеометрическим ходам 1,5tVn;

- линейной — при измерении линий дальномером d/400Vn, а при измерении лентой 0,001 d;

- высотной — по тахеометрическим ходам 0,04 sVn.

В приведенных выражениях:

t — точность верньеров;

n' — число углов в ходе;

n — число линий в ходе;

d — длина хода, м;

s — средняя длина линии, м.

Инженерно-геологические исследования. Назначение: изучение и анализ геологических условий, пригодности их для строительства и эксплуатации сооружений на основе комплексного освещения общих физико-географических условий района (климата, орографии и гидрографии), геоморфологических особенностей района, геологического строения (стратиграфии, тектоники, литологии), гидрогеологии, физико-геологических явлений (оползней, карстов, сейсмичности и пр), образования почв и растительности и физико-механических свойств горных пород.

Эти исследования обеспечивают получение материалов, по которым устанавливают: геологическое строение и литологический состав горных пород в пределах заложения фундаментов и сжимаемой толщи грунтов; характер и глубину залегания грунтовых вод; физико-геологические процессы и степень устойчивости отдельных участков района, несущие свойства грунтов в основаниях сооружений, характер и категорию грунтов на глубину возможного заложения резервов и выемок; наличие и условия распространения местных строительных материалов.

При инженерно-геологических исследованиях выполняют инженерно-геологическую съемку, горно-буровые разведочные работы, гидрогеологические и лабораторные исследования, камеральную обработку полевых материалов и составляют отчет.

Инженерно-геологическая съемка служит для комплексного изучения и пространственного отображения геологического строения, литологического состава пород, геоморфологических особенностей. физико-геологических явлений и гидрогеологических условий района проектируемых сооружений.

В процессе съемки производят вспомогательные работы: зондировочное бурение и проходку мелких горных выработок, отбор образцов пород и проб воды для лабораторных анализов, полевые лабораторные исследования, глазомерную топографическую съемку, фотографирование.

Объем шурфования и бурения устанавливают в зависимости от масштаба съемки, геологической сложности и обнаженности исследуемого района. Общее количество точек наблюдения (естественных обнажений и искусственных выработок), необходимых для обоснования инженерно-геологической съемки, принимают по табл. 2.

Горно-буровне разведочные работы служат для детального исследования геологического строения и литологического состава горных пород при помощи буровых скважин, шурфов, расчисток, канав и т. п.

Местоположение и глубину горно-буровых разведочных выработок устанавливают в зависимости от геологического строения района и конструктивных особенностей проектируемого сооружения.

Гидрогеологические исследования проводят для определения положения уровня грунтовых вод, их дебита и условий питания, установления возможного влияния подземных вод на проектируемые сооружения и определения коэффициента фильтрации пород.

Эти вопросы решаются:

- стационарными наблюдениями за уровнем воды и его колебаниями, при помощи которых определяют направление подземного потока и его уклон положение зеркала волы, а также условия питания водоносного горизонта и его связи с поверхностными водами;

- определением скорости подземных вод путем непосредственного измерения времени прохождения индикаторов (растворы солей или красящие вещества), специально запускаемых в скважины;

- определением расхода подземного потока путем одиночных и кустовых опытных откачек.

Одиночные откачки применяют при несложных гидрогеологических условиях и на первой стадии проектирования Кустовые откачки дают более точные результаты и применяются при решении специальных гидрогеологических вопросов (табл. 3).

Для расчета коэффициента фильтрации К применительно к различным условиям производства опытных работ и в зависимости от гидравлического типа подземных вод пользуются основными формулами.

При одиночных откачках из совершенных скважин, расположенных вдали от водоема:

При кустовых откачках из совершенных скважин, расположенных вдали от водоема:

При одиночных откачках из совершенных скважин, расположенных вблизи водоема:

При кустовых откачках из совершенных скважин, расположенных вблизи водоема:

В формулах (7) и (9) знак плюс перед r1 и r2 принимается, когда наблюдательная скважина расположена на луче, направленном от центральной скважины в глубь берега; минус, если наблюдательная скважина находится между водоемом и центральной скважиной.

При откачках из несовершенных скважин, расположенных вдали от водоема, при длине фильтра менее одной трети мощности водоносного слоя:

- при одиночных откачках из напорных и безнапорных горизонтов

- при кустовых откачках из напорных и безнапорных горизонтов

Формула (11) может быть использована для подрусловых откачек при условии погружения фильтра ниже дна реки на величину

где l0 — длина фильтра;

r0 — радиус фильтра.

В приведенных формулах приняты обозначения: R — радиус воронки депрессии; Q — дебит скважины.

Лабораторные исследования проводят наряду с обычным геолого-литологическим изучением пород в естественном залегании. Характеристики грунтов определяют на специально отобранных образцах с сохранением естественной структуры и влажности, а также на образцах с нарушенной структурой и измененной влажностью.

Характер и объем лабораторных исследований устанавливают в зависимости от стадии проектирования, сложности геологического строения и ответственности возводимых сооружений.

Показатели и методы их определения зависят от стадии проектирования и характера сооружений. На первой стадии проектирования исследования должны давать материалы для предварительной классификации пород. На последующих стадиях определяют количественную характеристику отобранных видов пород в отношении их прочности и изменения под воздействием сооружений (табл. 5).

В результате лабораторных исследований грунтов получают косвенные и прямые расчетные показатели (табл. 6), при помощи которых в каждом генетическом комплексе пород выделяются литологические разновидности, характеризующиеся определенными физикомеханическими свойствами.

Нормативные классификационные значения основных показателей физико-механических свойств грунтов приведены в табл. 7, 8, 9. Классификация грунтов в табл. 10, 11, 12 дана согласно НиТУ 127—55.

В зависимости от значения коэффициента относительной просадочности (bпрi) макропористые грунты делят на обладающие просадочными свойствами (bпр > 0,02) и практически не обладающие просадочными свойствами (bпр < 0,02).

Мероприятия, обеспечивающие эксплуатационную пригодность зданий и промышленных сооружений, возводимых на макропористых грунтах, составляются в зависимости от категории просадочности толщи, определяемой по коэффициенту относительной просадочности: I категория до 15 см, II категория— от 16 до 50 см, III категория — более 50 см.

По коэффициенту сжимаемости (а) различают породы, сильно сжимаемые при а больше 0,1. средне сжимаемые при а = 0,1—0,005, слабо сжимаемые при а < 0,005.

Угол внутреннего трения для чистых песков находится в пределах 30—40° и практически не зависит от влажности. Соответственно величина коэффициента внутреннего трения колеблется от 0,58 до 0,84. Величина коэффициента и угла внутреннего трения для глинистых пород находится в пределах от 0,1-0,2 (угол 5—10°) у глин в мягкопластичном состоянии, до 0,4— 0,5 (угол 20—25°) у твердопластичных глин и суглинков. Величина сцепления соответственно колеблется в пределах от 0,1 до 1,5 kT/cм2.

Косвенной приблизительной характеристикой морозоустойчивости пород является коэффициент водонасыщения. При коэффициенте водонасыщения меньше 0,8 вода при замерзании увеличивается в объеме за счет незаполненных пор При коэффициенте насыщения больше 0,8 при замерзании воды может возникнуть сильное давление на стенки пор, поскольку объем свободных открытых пор в породе недостаточен для вмещения воды при переходе в лед.

Для общей характеристики минералогического состава при инженерно-геологических исследованиях крупнообломочных пород производят макроскопический осмотр и микроскопические анализы (изготовление шлифов и просмотр их под микроскопом). Для песчаных пород, кроме макроскопического осмотра, просматривают образцы под бинокулярной лупой и под микроскопом — иммерсионным методом или в шлифах. Для глинистых пород используются специальные методы — рентгенографический, электронографический и др.

С точки зрения изменения состава пород практическое значение имеет определение количества нестойких составляющих — минералов, в значительной степени растворяющихся в воде (кальцит, доломит, гипс, каменная соль, мирабилит, пирит, глауконит и др.). Для определения количества присутствующих в породе растворимых простых солей приготовляют водные или солянокислые вытяжки и производят их химический анализ.

Химические анализы поверхностных и грунтовых вод при инженерно-геологических исследованиях производят, когда их уровни находятся выше отметок заложения фундаментов сооружений. Пробы отбирают не менее чем из трех скважин, расположенных в различных пунктах, в количестве 0,5 л — для сокращенного анализа и 1 л — для полного Для определения агрессивности одновременно отбирают пробу воды в количестве 0,5 л, в которую для связывания свободной углекислоты добавляют 5 Г химически чистого углекислого кальция.

Исследования химического состава сопровождаются изучением физических свойств воды (температуры, прозрачности, цвета, запаха, вкуса и др.). Методы их определения установлены ГОСТ 1030—41 и ГОСТ 3351—46. Оценка агрессивности воды по отношению к бетону принимается по НиТУ 114—54. Химические анализы воды в зависимости от их целевого назначения проводят в соответствии с табл. 13.

Для установления характеристик изоляции от коррозийного воздействия грунта на металлические трубы при инженерно-геологических изысканиях производят отбор образцов грунта для исследования их полевым и лабораторным методами.

При полевом методе степень коррозийного воздействия грунта. на металлическую трубу, находящаяся в прямой зависимости от удельного электросопротивления грунта рк (табл. 14), определяется непосредственным измерением электросопротивления грунтов при помощи потенциометра.

При лабораторном методе степень коррозийности грунтов определяется потерей веса стальной трубки длиной 10 см и диаметром 19 мм, уложенной в испытуемый грунт, через который пропускается электрический ток (табл. 15).

Камеральная обработка материалов полевых и лабораторных исследований заключается в систематизации, проверке, анализе и обобщении всех данных, полученных при производстве различных видов и элементов работ, входящих в комплекс инженерно-геологических изысканий, и составлении отчета.

Поиски и разведка местных строительных материалов при инженерно-геологических изысканиях производятся лишь в отдельных случаях, для выявления пород, наиболее широко применяемых при строительстве и не требующих технологической переработки (песок, гравий, галька для дорожных и бетонных работ и бутовый камень).

Гидрологические исследования. В угольных районах объектами гидрологических исследований являются неизученные малые реки.

Состав гидрологических работ: наблюдения над уровнями; измерение скоростей течения и расходов воды; наблюдения над наносами; определение уклонов и коэффициентов шероховатости; изучение температурного режима, замерзания, зимнего режима и. вскрытия от льда.

В зависимости от назначения и состава наблюдений гидрологические работы выполняются в течение многолетнего периода или непродолжительного времени (не менее одного года).

Наблюдения над уровнями при инженерных изысканиях проводят на гидрометрических станциях и водомерных постах. Последние располагают в створе проектируемого сооружения (моста, плотины) или вблизи него на параллельном створе, привязанном к створу будущего сооружения. Временные посты привязывают нивелировкой к ближайшим постоянным постам. На каждом посту для закрепления нуля графика устанавливают два репера. При изысканиях на малых реках и озерах применяют водомерные посты: свайные, реечные и смешанного типа.

При наблюдениях устанавливают отметки и даты наиболее характерных уровней воды (высших, низших, меженных) в створе поста за многолетний период.

В результате наблюдений и камеральной обработки записей составляют графики колебаний уровней воды для каждого месяца и года; графики характеризуют начало и конец ледохода, вскрытие реки, ледостав.

Расход воды определяют при помощи вертушек (основной способ), батометров, гидрометрических трубок, поплавков, а на малых водотоках — объемным способом. Расход воды определяют по формуле

где Q — расход воды, м3/сек;

vср — средняя скорость течения в живом сечении. м/сек;

2 — площадь живого сечения, м2.

Основная формула для вычисления расхода воды при помощи вертушек

где v1, v2, ..., vn — средняя скорость на вертикалях;

w0, w1, w2. .., wn — площадь живого сечения между скоростными вертикалями.

Скорость на поверхности измеряют поплавками; расход воды

Фиктивный расход Qф вычисляют по формуле (14) с заменой средних скоростей на вертикалях поверхностными скоростями.

Коэффициент k вычисляют по формуле

где hcp — средняя глубина живого сечения hcp = Q/B;

В — ширина реки;

i — уклон.

Для приближенных расчетов принимают k = 0,8—0,5.

По вычисленным значениям расходов Q1, Q2, ..., Qn и соответствующих им уровней H1, H2, ..., Hn строят кривую расходов Q = f(H).

Годовой сток подсчитывают как сумму объемов месячных стоков.

Среднемесячные расходы

где Qc — среднесуточные расходы, определяемые по таблицам среднесуточных уровней и кривым расходов, полученных в результате исследования водотока;

tд — число дней в месяце

Сток водотока за месяц и год подсчитывают по среднемесячным и среднегодовым расходам.

Наблюдения за наносами ведутся для получения данных о формировании русла реки, заиления чаши водохранилища и пр., суммируя сток взвешенных, донных и растворенных наносов, получают твердый сток через данный створ в год.

При изучении зимнего режима реки проводят наблюдения, охватывающие период от наступления отрицательных температур до очищения реки от льда весной. За это время изучают изменения температурного режима, колебания уровней воды и скорости течения, появление шуги и процесс замерзания, характер ледяного покрова — толщину льда, донный лед; вскрытие реки; продолжительность и интенсивность весеннего ледохода — колебания уровней воды, скорость течения, размеры наиболее крупных льдин, направление движения льда.

Трассирование линейных сооружений. Различают: камеральное — на топографическом плане и по-левое — непосредственно на местности.

Сложность трассирования зависит от вида и назначения сооружения, а также от топографических и инженерно-геологических условий района.

При трассировании линии в зависимости от топографических условий между двумя заданными пунктами могут быть препятствия преодолимые, допускающие пересечения, или непреодолимые, вызывающие отклонения трассы от ее основного направления. Вследствие различного положения на местности этих препятствий возникают различные варианты направления трассы.

В зависимости от уклона местности трассировочные ходы подразделяются на вольные и напряженные:

- участки вольных ходов имеют средний уклон местности меньше руководящего;

- участки напряженных ходов имеют средний уклон местности больше руководящего.

При трассировании в открытой местности на участках вольных ходов направление линий определяется положением фиксированных точек, принимаемых за вершины углов поворота трассы; соединив их прямой линией, принимают малые углы поворота в пределах 10—20°, что незначительно удлиняет трассу (табл. 16).

На участках напряженных ходов трассирование ведется по принципу подбора на местности направления, отметки точек которого соответствуют проектному положению продольного профиля трассы при заданном руководящем уклоне; в этом случае применяют приемы трассирования под теодолит или под нивелир.

При трассировании под теодолит устанавливают визирную ось трубы под углом наклона, соответствующим уклону трассирования, т. е. iт=ip—iк по направлению, близкому к заданному по карте, и находят точки на линии нулевых работ, по которым намечают трассу.

Установку вертикального круга теодолита на определенный отсчет, соответствующий уклону, производят по данным табл. 17.

Одной минуте угла при малой его величине соответствует уклон 0,29 промилле, или 1 промилле — 3,44' угла. Это соотношение достаточно точно до 10° наклона к горизонту, так как ошибка не превышает 1%.

Ход под нивелир выполняется по пробному направлению трассы, по которому разбивается пикетаж и производится нивелировка; в необходимых случаях делают смещение трассы или производят разбивку и съемку поперечников.

Ход по магистрали применяется в трудных топографических условиях; на таких участках производят предварительно съемку плана в горизонталях, принимая за основу съемки магистраль, разбиваемую по направлению, близкому к общему направлению будущей трассы.

При трассировании в лесной местности решающим фактором является наличие картографического материала. Изыскания производят путем рекогносцировки по просекам, дорогам, а также применяя шары-зонды, поднимаемые над лесом в контрольных точках.

Углы поворота трасс. Сопряжения прямых участков трасс различных трубопроводов, линий электропередачи и канатных дорог производят в процессе изысканий непосредственно на вершинах углов поворота; сопряжения прямых участков трасс дорог при предварительных изысканиях и трасс каналов — при помощи круговых кривых (табл. 18); при окончательных изысканиях дорог применяют, кроме того, переходные кривые, сопрягающие прямые участки с круговыми кривыми.

В процессе измерения длины линий вводится поправка по табл. 19 на наклон линии к горизонту (всегда с минусом), вычисленная по формуле

где D — длина линии, измеренная по наклону;

а — угол наклона.

Точность геодезических работ при изысканиях железных дорог должна удовлетворять данным, приведенным в табл. 20.

Точность геодезических работ при окончательных изысканиях линии электропередачи должна удовлетворять данным, приведенным в табл 21.

При этом угловая невязка подсчитывается по формулам:

- для разомкнутого хода

- для замкнутого хода

Требования к точности геодезических работ при трассировании других линейных сооружений инструкциями не установлены; при изысканиях трасс автомобильных и канатных дорог, а также водоводов и каналов рекомендуется пользоваться нормативами табл 21.

Зависимость трассирования от инженерно-геологических условий. При выборе направления трассы одновременно с топографическими работами проводят изучение инженерно-геологических условий района и их влияния на устойчивость сооружений.

Степень устойчивости грунтов как естественных оснований для возведения на них линейных сооружений определяют на стадии предварительных изысканий (для обоснования проектного задания) при помощи инженерно-геологической съемки с проведением незначительного количества разведочных выработок, а на стадии окончательных изысканий (для обоснования технического проекта и рабочих чертежей) при помощи разведочного бурения На участках развития оползней и карстов возведение линейных сооружений не разрешается и при трассировании такие участки обходятся.

Участки развития осыпей обычно обходятся трассами железных и автомобильных дорог, водоводов и канализации понизу. Линиями электропередачи и канатными дорогами такие участки пересекаются одним пролетом или также обходятся.

Участки селевых потоков при возведении железных и автомобильных дорог перекрываются в узком месте мостовым пролетом При строительстве водоводов, канализационных коллекторов, линий электропередач и канатных дорог такие участки пересекаются одним пролетом или обходятся.

В сейсмических районах трассирование всех линейных сооружений проводят вдали от гор и с выходом в долину.

Болота пересекаются железными и автомобильными дорогами в узких местах или обходятся Водоводы и канализационные коллекторы должны пересекать болота в узких местах. Линии электропередач и канатные дороги проводятся в узком месте болот одним пролетом, а при широких болотах — длинными пролетами с опорами на свайных основаниях.

При трассировании всех линейных сооружений поймы пересекают в узком месте под углом 90° избегая староречий. Применение в трудных условиях косых пересечений обосновывается технико-экономическим сравнением вариантов.

В районах повсеместного развития макропористых грунтов трассы всех линейных сооружений прокладывают в пониженных участках.

Разрывы между наружной гранью фундаментов зданий или сооружений и близрасположенными осями трубопроводов принимаются:

- при грунтах I категории просадочности толщи — не менее 5 м независимо от диаметра труб;

- при грунтах II и III категорий при диаметре труб более 300 мм — 15 м, при 300—150 мм — 10 м. при 150—100 мм — 7,5 м и менее 100 мм — 5 м

Трассирование линейных сооружений на территории угольного месторождения должно соответствовать условиям охраны этих сооружений от вредного влияния подземных горных выработок.