Геологические изыскания грунтов

Геологические изыскания грунтов

Наша компания осуществляет комплексное геологическое ииследование грунтов на месте проведения строительных работ. Очень важно перед началов строительства провести обследование грунта, для определения глубины и типа фундамента будущего здания. Данное исследование занимает всего пять рабочих дней с момента подачи заявки.

Влюбое время года!

 Инженерная геология и инженерно-геологические изыскания - это исследования, в ходе которых проводится изучение инженерно-геологических условий района (объекта, площадки, участка, трассы) предполагаемого места строительства, включая рельеф, сейсмотектонические, геоморфологические и гидрогеологические процессы, геологическое строение и составление прогноза возможных изменений инженерно-геологических условий при взаимодействии данных объектов с геологической средой. Инженерно-геологические изыскания необходимы также для получения материалов, для обоснования проектной подготовки строительства.

В состав инженерно-геологических изысканий входит:

• Сбор образцов грунта;
• Исследование геологического строения площадки;
• Выявление гидрогеологического режима, химического состава подземных вод и фильтрационных характеристик грунтов;
• Исследование закономерностей и факторов развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов в пространстве и во времени;
• Полевые исследования физико-механических свойств грунтов;
• Лабораторные исследования физико-механических свойств грунтов;
• Геофизические исследования;
• Обследование грунтов оснований существующих зданий и сооружений;
• Составление прогноза изменений инженерно-геологических условий;
• Камеральная обработка материалов и составление технического отчета (заключения) по результатам изысканий.

К числу задач решаемых с использованием материалов инженерно-геологических изысканий относятся:
• Обоснование технической возможности и экономической целесообразности строительства проектируемого объекта в   данном районе; 
• Сравнение возможных вариантов расположения проектируемого объекта и выбор из них оптимального; 
• Обоснование компоновки зданий и сооружений проектируемого объекта по выбранному варианту;
• Аргументация расчетных схем оснований и среды зданий и сооружений;
• Осуществление авторского надзора за производством строительных работ.

СОСТАВ И СТРОЕНИЕ ГРУНТОВ

Грунтами называют любые горные породы, которые как объект инженерной деятельности человека используют в строительстве в качестве оснований, среды и материалов различных сооружений и рассматривают как многокомпонентные системы, изменяющиеся во времени.

1. Природа и составные компоненты грунтов

Грунты разделяют на два класса: с жесткими связями и без жестких связей между твердыми частицами. Однако правильнее их называть грунты с прочными связями, и грунты без прочных связей. Под прочными следует понимать связи, прочность которых близка, равна или больше прочности самих частиц.

К грунтам с прочными связями относят магматические, мета­морфические породы и часть осадочных пород. В строительной практике их называют скальными грунтами. Осадочные породы без прочных связей называют нескальными грунтами.

Часто грунты не отвечают всем требованиям гидротехнического и гидромелиоративного строительства. Например, грунты с проч­ными связями, но имеющие трещины могут не отвечать требованию водонепроницаемости, а грунты без прочных связей — оказаться малопрочными и т. д. В таких случаях свойства грунтов тем или иным способом улучшают, создавая искусственный грунт с но­выми заданными свойствами.

Однако направленное влияние человека не всегда придает грунту улучшенные свойства. Иногда гидротехническое строитель­ство приводит к ухудшению свойств грунтов. Например, при создании водохранилищ из-за подъема уровня грунтовых вод грунт на больших территориях часто переувлажняется и теряет прочность, что вызывает оползание берегов водохранилищ, не­допустимые дополнительные деформации оснований существу­ющих сооружений и др.

В результате различных видов производственной и хозяй­ственной деятельности человека создаются искусственные грунты с ухудшенными свойствами: отвалы строительного мусора или отвалы горных пород (отходы добычи полезных ископаемых, отвалы» образующиеся при устройстве различных выемок), а также отвала золы и шлака (например, отходы металлургической про­мышленности) и т. д. Такие грунты в гидротехническом и гидро­мелиоративном строительстве, как правило, не используют, но могут быть использованы, если их свойства будут улучшены.

Знать условия образования, состав и строение грунтов, харак­тер их изменения в процессе дальнейшего существования очень важно. Это позволяет правильно оценить их строительные свой­ства; прогнозировать их поведение под сооружением (в основании), вокруг сооружения (как среды) и в теле сооружения (как стро­ительного материала, например, плотин, дамб и т. п.); правильно изменять их свойства.

Свойства грунтов обусловливаются составом и свойствами компонентов, их количественным соотношением и взаимодей­ствием. Основные компоненты грунта — твердые частицы мине­рального и органического происхождения, жидкость (преимуще­ственно вода) и газ (преимущественно воздух).

2. Твердые частицы грунтов

Все грунты состоят из различных по крупности, форме и мине­ральному составу твердых частиц. Их размеры и форма оказывают сильное влияние на свойства только нескальных грунтов. Ниже приведена принятая в современном грунтоведении классификация твердых минеральных частиц этих грунтов В основу этой классификации положен экспериментальный подход, базирующийся на учете изменения свойств минеральных частиц при переходе из одной группы (фракции) в другую. Так, частицы крупнее 2 мм практически не обладают молекулярной влагоемкостью, а песок, состоящий из таких частиц. — капилляр­ным поднятием воды, но имеет очень большую водопроницаемость. Добавление к песку пылеватых частиц существенно уменьшает его пористость к водопроницаемость, увеличивает капиллярное под­нятие и может придать ему некоторую связность; грунт, состоящий из частиц размером 0,25 ... 0,05 мм, достаточно водопроницаем, а грунт, состоящий из пылеватых частиц, слабоводопроницаем я плохо отдает воду.

Минеральные частица крупнее 0,05 мм компактны, с неболь­шой удельной поверхностью, форма их шарообразная, угловатая или ребристая, а поверхность гладкая или шероховатая, покры­тая мелкими углублениями, выступами, царапинами. В нескаль­ных грунтах, состоящих преимущественно из крупнообломочных частиц (>2 мм) и используемых в качестве оснований сооружений, форма и поверхность частиц практически не имеют значения. В грунте же, состоящем из песчаных частиц, одни и те же окатан­ные и неокатанные песчаные фракции придают ему различную высоту капиллярного поднятия, водопроницаемость и сопротивле­ние сдвигу.

Многие исследователи отмечали, что совершенно другие свой­ства имеют частицы размером <0,001 мм. Такие частицы В. Р. Вильяме (еще в 1893 г.) отнес к глинистым. Глинистые частицы имеют вид чешуек, пластин или иголок неправильной угловатой формы, при этом толщина их в 10 ... 60 и даже в 100 раз меньше максимального размера. В результате глинистые частицы имеют большую удельную поверхность по сравнению с песчаными. Элементарные расчеты показывают, что если песчаные частицы размером 0,05 мм условно представить в виде шариков, а глини­стые — в виде круглых пластин диаметром 0,001 мм и толщиной 0,00002 мм (в 50 раз меньше), то их удельная поверхность соответ­ственно будет равна 120 и 104 ООО, т. е. в 860 раз больше. Поверх­ности глинистых частиц, соответствующие базальным плоскостям, относительно ровные, иногда слабобугристые, с отдельными микротрещинами. Боковые поверхности — неровные, ступенчато выщербленные.

Пылеватые частицы по характеристикам занимают промежу­точное (между песчаными и глинистыми частицами) положение. Крупнообломочные (>2 мм) частицы, как правило, полиминеральные: каждая частица состоит из нескольких минералов.

Песчаные и пылеватые частицы мономинеральные: каждая пред­ставляет собой какой-либо один минерал. Глинистые частицы также мономинеральные. Однако следует иметь в виду, что при переходе частиц в процессе выветривания из фракции пылеватых во фракцию глинистых их минеральный состав резко меняется.

Основными породообразующими минералами в магматических горных породах являются первичные минералы: кварц, полевые шпаты, авгит, слюда, роговая обманка, оливин. В состав мета­морфических горных пород входят как первичные, так и вторичные минералы: кварц, полевые шпаты, слюда, тальк, хлорит и др. В составе осадочных горных пород могут присутствовать все наиболее распространенные породообразующие минералы: пер­вичные (кварц, полевые шпаты, слюда и др.) и вторичные (кальцит, гипс, ангидрит, доломит и глинистые минералы).

Глинистые минералы среди породообразующих занимают осо­бое место из-за особых свойств, которые проявляются при взаимо­действии   минералов   о   водой.   Наиболее   распространенные глинистые минералы — гидрослюда (иллит), монтмориллонит и каолинит. 

Из физики известно, что твердое тело при соприкосновении с жидкостью получает электрический заряд: отрицательный, если его диэлектрическая постоянная меньше диэлектрической постоян­ной соприкасающейся с ним жидкости; положительный, если его диэлектрическая постоянная больше. Диэлектрическая постоянная воды равна 81, а минеральных твердых частиц — 3 ... 12. Следо­вательно, каждая твердая минеральная частица должна иметь отрицательный заряд. Наблюдения показали, что большинство твердых грунтовых частиц в естественном состоянии заряжено отрицательно. Но отрицательный заряд твердых частиц может быть объяснен также и присутствием на их поверхности ионов, входящих в строение кристаллических решеток минералов.

Сила заряда частиц зависит от их минерального состава и удельной площади поверхности. Чем больше эта площадь, тем больше и сила заряда. Песчаные, а особенно крупнообломочные (>2 мм) частицы, если и имеют электрический заряд, то очень слабый. Пылеватые частицы имеют некоторый заряд, но на форми­рование свойств грунтов он практически не влияет. Поэтому в дальнейшем, говоря об электрически заряженных частицах, будем иметь в виду только глинистые.

Теоретически заряд должен распространяться по всей поверх­ности частицы однородно, однако, как отмечает С. С. Вялов (1978 г.), базальные плоскости глинистых частиц заряжены отри­цательно, а кромки (торцы) — положительно. М. Н. Гольдштейн (1979 г.) отмечает, что у частиц каолинита в нейтральной и щелоч­ной средах торцы заряжены отрицательно, но в кислой среде при рН < 5 этот заряд положителен, а базальные плоскости сохраняют отрицательный заряд.

Учитывая сложность и еще недостаточную изученность гли­нистых частиц, рассмотрим их взаимодействие с водой лишь схема­тично.

Считаем, что поверхность твердой минеральной частицы имеет только отрицательный электрический заряд. Молекула воды, как известно, представляющая собой диполь, попадая в электри­ческое поле частицы, ориентируется в нем и положительно заря­женным концом притягивается к поверхности частицы, прочно закрепляясь на ней. Поскольку природная жидкая вода всегда является раствором, то к отрицательно заряженной поверхности частицы притягиваются и прочно закрепляются на ней не только молекулы воды, но и катионы растворенного в воде вещества.

Ближайший к частице слой молекул воды и катионов связан с ней особенно прочно: электростатические силы притяжения могут составлять несколько сотен и даже тысяч мегапаскалей. Этот слой называют адсорбционным. Однако притяжением молекул воды и катионов адсорбционного слоя электрический заряд поверхности твердой частицы полностью не уравновешивается. За адсорбционным слоем расположен второй слой притянутых к частице молекул воды и катионов (рис. 1). Этот слой называют диффузным.

Сила электрического притяжения в диффузном слое номере удаления от частицы быстро уменьшается; на его внешней границе она уравновешивается силой, вызывающей тепловое движение катионов в растворе. За пределами второго слоя находится сво­бодная вода (раствор).

Толщина адсорбционного слоя соответствует толщине одной или нескольких молекул воды. Толщина диффузного слоя может изменяться от О до п-10"* мм. Она зависит не только от силы элек­трического заряда поверхности твердой частицы, но и от состава и концентрации катионов в свободном растворе. Если концентра­ция свободного раствора повышается, то толщина диффузного слоя уменьшается, а концентрация катионов в адсорбционном слое увеличивается. При какой-то определенной концентрации рас­твора все катионы из диффузного слоя оказываются вытесненными в адсорбционный. В этом случае вся сила электростатического заряда поверхности твердой частицы уравновешивается адсорб­ционным слоем, а диффузный слой исчезает. Толщина диффузного слоя зависит и от валентности катионов: чем выше их валентность, тем сильнее они притягиваются к поверхности частицы и тем меньше толщина диффузного слоя.

Глинистые минералы могут взаимодействовать с водой не только наружными, но и внутренними поверхностями структурных слоев (пакетов). В связи с этим все глинистые минералы под­разделяют на минералы с жесткой кристаллической решеткой, с раздвижной кристаллической решеткой и с промежуточным типом кристаллической решетки.

Частицы каолинита имеют жесткую кристаллическую решетку. Поэтому доступ молекул воды и находящихся в растворе катионов в межпакетное пространство исключен. Следовательно, частицы каолинита взаимодействуют с водой только внешней поверх­ностью. К минералам с жесткой кристаллической решеткой отно­сится и гндрослюда (иллит), но частицы гидрослюды несут на базальных поверхностях наиболее значительный по сравнению с частицами других глинистых минералов отрицательный за­ряд.

Частицы монтмориллонита по сравнению с частицами гидро­слюды несут на базальных поверхностях меньший заряд, но так как монтмориллонит имеет раздвижную кристаллическую ре­шетку, молекулы воды и катионы, находящиеся в растворе, проникают в его межпакетное пространство. Следовательно, частиЩ монтмориллонита взаимодействуют с водой как внешней, так и внутренней поверхностями структурных слоев. Это суще­ственно их отличает от других глинистых частиц.

Твердый компонент минеральных грунтов может быть пред­ставлен не только одними минеральными частицами, в его составе могут находиться и частицы органического происхождения. В од­них случаях присутствие органических частиц ухудшает свойства минеральных грунтов, а в других — улучшает. Это зависит от состава, состояния и количества содержащихся в нем органиче­ских частиц. Например, небольшое количество гумуса в водо-насыщенных мелких и пылеватых песках придает им плывунные свойства, в маловлажных песках — связность, а следовательно, и прочность.