Разведочные выработки и опробование пород

Разведочные выработки проходят для выяснения геологического строения и гидрогеологических условий участка, предназначенного под строительство, установления типа и состояния пород, отбора, образцов пород и проб подземных вод.

Рисунок - Вертикальные разведочные выработки: 1- наносы; 2 – коренные породы.

К главнейшим разведочным выработкам относят расчистки, ка­навы, штольни, шурфы и буровые скважины. При инженерно-геоло­гических работах наиболее часто используют шурфы и буровые скважины.

Шурфы — колодцеобразные вертикальные выработки прямо­угольного (или квадратного) сечения. Шурф круглого сечения на­зывают «дудкой». Проходку дудок легче механизировать, но по пря­моугольным шурфам проще и точнее определить положение пласта в пространстве.

Шурфы помогают детально изучать геологическое строение участка, производить отбор любых по размеру образцов с сохране­нием их структуры и природной влажности. Недостатком является высокая стоимость и трудоемкость работ по отрывке шурфов, особенно в водонасыщенных грунтах. Следует отметить, что за последнее время появились специальные шурфокопательные машины, по­зволяющие проходить шурфы круглого сечения, например, машина КШК-30, позволяющая выполнять выработки диаметром до 1,3м и глубиной до 30м.

Размер шурфов в плане зависит от их предполагаемой глубины. Чаще всего это 1х1м, 1х1,5м, 1,5х1, м и т. д. Диаметр дудок обычно не превышает 1м.

Проходку шурфов производят путем углубления забоя и выброса грунта на поверхность вначале лопатой, далее с помощью простых подъемных механизмов. По мере углубления стенки шурфов необходимо укреплять, в противном случае возможно их обрушение.

Характер и способ крепления зависит от устойчивости пород. Если дудки стремятся проходить в устойчивых породах и для них крепление обычно не требуется, то для прямоугольных шурфов в сыпучих грунтах применяют забивное крепление, в слабых грунтах при отсутствии воды (или слабом притоке) —распорное и в водонасыщенных грунтах или в шурфах большой глубины — срубовое крепление.

По мере проходки шурфа непрерывно ведут документацию — в шурфовой журнал записывают данные о вскрываемых породах, ус­ловиях их залегания, появлении грунтовых вод; производят отбор образцов. По всем четырем стенкам и дну делают зарисовку и со­ставляют развертку шурфа. Это позволяет более точ­но определить мощность слоев и элементы, их залегания. По окончании разведочных работ шурфы тщательно засыпают, грунт утрамбовывают, а поверхность земли выравнивают.

Буровые скважины представляют собой круглые вертикальные или наклонные выработки малого диаметра, выполняемые специаль­ным буровым инструментом. В буровых скважинах различают устье, стенки и забой.

Рисунок - Буровая скважина: 1 – устье; 2 – стенки; 3 – забой.

Бурение является одним из главнейших видов разведочных ра­бот, применяется в основном для исследования горизонтальных или пологопадающих пластов. С помощью бурения выясняют состав, свойства, состояние грунтов, условия их залегания. Вся эта работа основывается на исследовании образцов пород, которые непрерывно извлекаются из скважины по мере ее углубления в процессе бу­рения. В зависимости от способа бурения и состава пород образцы могут быть ненарушенной или нарушенной структуры. Образцы, полученные бурением, получили название керна.

К преимуществам бурения относят: скорость выполнения сква­жин, возможность достижения больших глубин, высокую механиза­цию производства работ, мобильность буровых установок. Бурение имеет свои недостатки: малый диаметр скважин не позволяет производить осмотр стенок, размер образцов ограничи­вается диаметром скважины, по одной скважине нельзя определить элементы залегания слоев.

Диаметр скважин, используемых в практике инженерно-геологических исследований, обычно находится в пределах 50—150мм. При отборе образцов для лабораторных испытаний скважины следу­ет бурить диаметром не менее 100мм. Глубина скважин определя­ется задачами строительства и для промышленно-гражданских со­оружений редко превышает 30м. При гидротехническом строитель­стве глубина скважин достигает сотен метров, при поисках нефти и газа 7—8км.

При инженерно-геологических исследованиях применяют следу­ющие виды бурения скважин: ручное ударно-вращательное, враща­тельное колонковое, вибрационное, шнековое. Другие виды бурения, с помощью которых нельзя отобрать керн, при инженерно-геологи­ческих работах применения не находят.

Во всех случаях бурение скважин производят буровым наконеч­ником (буром), который, соединяясь с бурильными трубами (штан­гами), создает буровой снаряд. Удары или вращение этого снаряда или то и другое вместе осуществляют буровыми стан­ками, приводимыми в действие различными двигателями (механи­ческое бурение), либо ручным бурением. Последний способ приме­няют в основном в малопрочных породах и при мелком буре­нии (10—15м).

Тип бурового наконечника зависит от прочности и особенностей породы. Так, например, для проходки скальных пород используют долота и коронки. Долотом дробят породу, ее извлекают на поверхность в виде щеб­ня. С помощью коронок с зачеканенными в них зубьями из твердых сплавов в забое скважин вырабатывается кольцевой зазор, и образец получает форму цилиндра. В более мягких поро­дах ту же работу выполняет пустоте­лый зубчатый цилиндр длиной 1—3м, внутри которого остается порода в ви­де керна или колонки. Отсюда и назва­ние этого вида бурения — вращатель­ное колонковое. В глинистых породах используют наконечники специальной конструкции — грунтоносы, диаметром не менее 100—125мм. Это дает воз­можность получить образцы грунта с ненарушенной структурой в виде моно­литов.

В последние годы стали применять вибрационный метод бурения, т. е. бу­рение с использованием вибратора для погружения бурового снаряда в поро­ду забоя. При помощи вибробура можно проходить насыпные грунты, мягкие глинистые мергели и многие другие осадочные по­роды, но следует помнить, что глинистые грунты при этом меняют свое физическое состояние. При вибробурении почти невозможно зафиксировать уровень грунтовых вод.

Шнековое бурение. Шнеки — особые штанги, на поверхность ко­торых навита стальная спираль. Шнеки соединяются в буровой снаряд, образуя непрерывный винтовой транспортер для извлече­ния грунта из скважины.

Разрушение забоя и подъем грунта на поверхность происходит одновременно. Этот вид бурения позволяет проходить скважины диаметром от 150 до 1500 мм.

Шнековое бурение применимо только в некоторых рыхлых по­родах, например типа лёссовидных суглинков. Этот способ отлича­ется большой скоростью проходки, но имеет ряд недостатков: трудно определить границы различных слоев, установить уровень грун­товых вод, образцы имеют нарушенную структуру.

Проходка скважин в слабых и водонасыщенных породах затруд­нительна вследствие обваливания и оплывания стенок. Для их крепления применяют стальные обсадные трубы, которые опускают в скважины, после чего продолжают бурение наконечником уже меньшего диаметра.

Документация бурения осуществляется путем ведения бурового журнала, куда вносят все данные по проходке скважин и отбору образцов. Составляется буровая колонка скважины в масштабе от 1:100 до 1:500.

После завершения буровых работ устье скважины засыпается грунтом с уплотнением.

                           Гидрогеологические условия

Наблюдения предполагают описание естественных выходов грунтовых вод, литологическую характеристику водоносных горизонтов, описание физических свойств воды, определение расхода и типа источников.

Гидрогеологические исследования в составе инженерно-геологических изысканий выполняются для выявления взаимодействия проектируемого объекта с геологической средой, определения залегания подземных вод, их свойств и состояния, прогноза процесса подтопления, изучения влияния подземных вод на интенсивность развития геологических и инженерно-геологических процессов (карст, суффозия, оползни, пучение и др.), изменения свойств грунтов под воздействием подземных вод.

Методы определения гидрогеологических параметров грунтов и водоносных горизонтов устанавливаются, исходя из условий их применимости, с учетом стадии разработки документации, характера и уровня ответственности проектируемых зданий и сооружений, а также сложности гидрогеологических условий.

Гидросфера — это водная оболочка Земли. К ней относят: поверхностные и подземные воды, прямо или косвенно обеспечивающие жизнедеятельность живых организмов, а также вода, выпадающая в виде осадков. Основными физическими свойствами водной сре­ды являются ее плотность (в 800 раз выше плотности воздуха) и вязкость (выше воздушной в 55 раз). Кроме того, вода характеризуется подвижностью в простран­стве, что способствует поддержанию относительной гомогенности физических и химических характерис­тик. Водные объекты характеризуются температурной стратификацией, т.е. изменением температуры воды по глубине. Температурный режим имеет существен­ные суточные, сезонные, годовые колебания, но в целом динамика колебаний температуры воды меньше, чем воздуха. Световой режим воды под поверхностью опреде­ляется ее прозрачностью (мутностью). От этих свойств зависит фотосинтез бактерий, фитопланктона, высших растений, а следовательно, и накопление органическо­го вещества, которое возможно лишь в пределах эвфотической зоны, т.е. в том слое, где процессы синтеза преобладают над процессами дыхания. Мутность и прозрачность зависят от содержания в воде взвешен­ных веществ органического и минерального происхож­дения. Из наиболее значимых для живых организмов абиотических факторов в водных объектах следует отметить соленость воды — содержание в ней растворен­ных карбонатов, сульфатов, хлоридов. В пресных во­дах их мало, причем преобладают карбонаты (до 80%). В океанической воде преобладают хлориды и отчасти сульфаты. В морской воде растворены практически все элементы периодической системы, включая металлы. Другая характеристика химических свойств воды связана с присутствием в ней растворенного кислорода и диоксида углерода. Особенно важен кислород, иду­щий на дыхание водных организмов. Жизнедеятельность и распространение организ­мов в воде зависят от концентрации ионов водорода (рН). Все обитатели воды — гидробионты приспособи­лись к определенному уровню рН: одни предпочитают кислую, другие — щелочную, третьи — нейтральную среду. Изменение этих характеристик, прежде всего в результате промышленного воздействия, ведет к гибе­ли гидробионтов или к замещению одних видов другими.

Прозрачность воды

В речной воде находятся взвешенные вещества, которые уменьшают ее прозрачность. Существуют несколько методов определения прозрачности воды.

1. По диску Секки. Чтобы измерить прозрачность речной воды, применяют диск Секки диаметром 30 см, который опускают на веревке в воду, прикрепив к нему груз, чтобы диск уходил вертикально вниз. Вместо диска Секки можно применять тарелку, крышку, миску, положенные в сетку. Диск опускается до тех пор, пока он не будет виден. Глубина, на которую вы опустили диск, и будет показателем прозрачности воды.

2. По кресту. Находят предельную высоту столба воды, через которую просматривается рисунок черного креста на белом фоне с толщиной линий равной 1 мм, и четырех черных кружочков диаметром равным 1 мм. Высота цилиндра, в котором проводится определение, должно быть не менее 350 см. На дне его расположена фарфоровая пластинка с крестом. Нижняя часть цилиндра должна быть освещена лампой в 300 Вт.

3. По шрифту. Под цилиндр высотой 60 см и диаметром 3-3,5 см подкладывают стандартный шрифт на расстоянии 4 см от дна, исследуемую пробу наливают в цилиндр, так чтобы можно было прочитать шрифт, и определяют предельную высоту столба воды.

Мутность воды

Повышенную мутность вода имеет за счет содержания в ней грубодисперсных неорганических и органических примесей. Определяют мутность воды весовым методом, и фотоэлектрическим колориметром. Весовой метод заключается в том, что 500-1000 мл мутной воды профильтровывают через плотный фильтр диаметром 9-11 см. Фильтр предварительно высушивается и взвешивается на аналитических весах. После фильтрования фильтр с осадком высушивают при температуре 105- 110 градусов в течение 1,5 - 2 часов, охлаждают и вновь взвешивают. По разности масс фильтра до и после фильтрования рассчитывают количество взвешенных веществ в исследуемой воде.

Определение запаха воды

Запахи в воде могут быть связаны с жизнедеятельностью водных организмов или появляться при их отмирании - это естественные запахи.

Запах воды в водоеме может обуславливаться также попадающими в него стоками канализации, промышленными стоками - это искусственные запахи.

Сначала дают качественную оценку запаха по соответствующим признакам: болотный, землистый, рыбный, гнилостный, ароматический, нефтяной и т.д. Силу запаха оценивают по 5 балльной шкале.

Колбу с притертой пробкой заполняют на 2/3 водой и тотчас закрывают, интенсивно встряхивают, открывают и тотчас отмечают интенсивность и характер запаха.

Определение цветности воды

Качественную оценку цветности производят, сравнивая образец с дистиллированной водой. Для этого в стаканы из бесцветного стекла наливают отдельно исследуемую и дистиллированную воду, на фоне белого листа при дневном освещении рассматривают сверху и сбоку, оценивают цветность как наблюдаемый цвет, при отсутствии окраски вода считается бесцветной.

Скорость течения реки

Для определения скорости течения реки нужно выбрать относительно ровный участок длиной не менее 30 м и отметить его вешками (створы). Поплавок бросают в воду выше верхнего створа. При прохождении им верхнего створа включают секундомер или засекают время по часам. Затем засекают время при прохождении поплавком нижнего створа, затем высчитывают скорость в м/сек. Для более точного определения поверхностного течения поплавки бросают на середину и ближе к берегам, вычисляя среднюю скорость течения реки.

Заключение

По завершению геологической практики мы получили предварительные знания о горных породах и геологических процессов на основе естественных наблюдении и ознакомлении с геологическим строением района.

Проводя маршрутные исследования, мы ознакомились с методикой полевых геологических исследований, приобрели навыки составления и использования геологических документов, применительно к задачам горного дела.

Мы изучили минералогический состав и физико-механические свойства горных пород, используемых в качестве строительных материалов. Практика следует закреплением изученного материала. На практике теоретические знания применяют к практическим исследованиям.

Список литературы

Докучаев В. В., Способы образования речных долин, СПБ, 1878;

Ананьев В. П. и Коробкин В. И., Инженерная геология, 1973 г.;

Маслов Н. Н. и Котов М. Ф, Инженерная геология, 1971 г.;

А. А. Махнач, Введение в геологию Беларуси, 2004 г.;           

А. Н. Криштофович, Геологический словарь, т.1, А-Л, 1955 г.;             

А. Н. Криштофович, Геологический словарь, т.2, М-Я, 1955 г.