ЦНИИС
МИНТРАНССТРОЯ

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

УТВЕРЖДАЮ
Зам. Директора института
Г. Хасхачих

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИМ ИЗЫСКАНИЯМ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ В РАЙОНАХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ МОЩНОЙ КОРЫ ВЫВЕТРИВАНИЯ СЛАНЦЕВ

 

Москва 1975

 

Содержание

ПРЕДИСЛОВИЕ

В некоторых областях гарцинской складчатости в Советском Союзе (Кузнецкий Алатау, Центральный Казахстан, Урал, Енисейский кряж и др.) залегают кристаллические и другие сланцы с мощной корой выветривания, достигающей десятков метров.

Наибольшие площади эти породы занимают на Урале, в особенности в Башкирии, Челябинской и Свердловской областях.

Своеобразие и недостаточная изученность распространения, особенностей залегания, состава, сложения, состояния и свойств пород коры выветривания сланцев осложняют изыскания, проектирование и строительство железных дорог.

Настоящие Методические рекомендации разработаны на основании обобщения опыта инженерно-геологических изысканий и исполнительных материалов по линии Карламан-Белорецк канд. геол. минерал. наук М.К. Дружининым при участии инж. Ю.В. Горшенина (ЦНИИС) и начальника партии Мосгипротранса Х.А. Невмянова.

Методические рекомендации предназначены для инженеров и техников-геологов при изысканиях железных дорог.

Зам. директора института          А. Кучко

Руководитель отделения изысканий и проектирования железных дорог   Г. Верцман

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. При инженерно-геологических изысканиях необходимо учитывать специфические особенности геологического строения мощной коры выветривания сланцев, своеобразие состава, сложения, состояния и свойств сланцев и их элю вия кик оснований, среды, материалов железнодорожных сооружений и как объектов разработки при строительстве. Следует изучать скорость выветривания пород.

1.2. На Урале и во многих других горных областях в толщах пород разного состава широко распространены филлиты, песчано-глинистые и кристаллические слюдяные, окварцованные, хлоритовые, альбитохлоритовые, серицитовые и другие сланцы. В минералогическом составе кристаллических сланцев преобладают квари, мусковит, биотит, хлорит, серицит и присутствуют гранат, глауконит, графит, полевые шпаты, эпидот и другие минералы [1,2].

Сланцы менее прочны, чем вмещающие их кварциты, песчаники, известняки и внедренные в толщи осадочных и мета морфических пород интрузивные породы. Это объясняется вещественным составом и сланцеватой текстурой сланцев, образующей плитчатую относительно тонкую отдельность этих пород, и наличием в них кливажа. В сланцах, как менее прочных породах, выработаны многие седла горных хребтов. Более крепкие и обладают сравнительно крупной мелкоблочной отдельностью только окварцованные кристаллические сланцы.

1.3. При обнажении толщи сланцев денудацией их выветривание происходит быстрее и на большую глубину, чем выветривание прочих скальных пород. Этому способствует проникновение воды, воздуха, колебаний температуры с конвекционными токами последнего и внедрение организмов по сланцеватости и системе трещин в глубину сланцевого массива.

Наибольшей мощности - до нескольких десятков метров - кора выветривания сланцев достигла на седлах, где денудация вскрыла  сланцевые толщи раньше, чем на других эле местах рельефа. На седла устремляются потоки воздуха, преодолевающие горные препятствия. Выветривание происходит интенсивнее при подтоке поверхностных и подземных вод со щек седла. Накопление мощной толщи элювия обусловлено длительностью процесса выветривания - около 200 млн. лет.

В коре выветривания сланцев не всегда выражены типичные для элювия многих скальных пород зоны - монолитная, глыбовая, мелкообломочная и тонкого дробления [3]. С поверхности и на небольшой глубине могут залегать, трещиноватые пласты, останцы и отдельные глыбы сильнее метаморфизованных сланцев и более прочных окварцованных и графитовых разностей этих пород. В глубине массива могут присутствовать прослои щебня, дресвы, песка, супесей, суглинков и даже глин, образовавшихся при выветривании слюдяных, серицитовых, хлоритовых, тальковых, песчано-глинистых и других сланцев.

Прослои, линзы и гнезда обломочных продуктов выветривания образуются также на путях движения в сланцевой массиве трещинных подземных вод, выщелачивающих породы. Глубокие карманы выветрелых до состояния мелкозема сланцев приурочены, преимущественно, к тектоническим разрывам, а по бортам глубоко врезанных долин, кроме того, и к трещинам оседания блоков в сланцевых массивах.

1.4. Состав и свойства пород коры выветривания сланцев разнообразны. Глины каолинитового или гидрослюдистого состава образуются, преимущественно, в верхней зоне коры выветривания филлитов относительно слабо метаморфизованных глинистых и песчано-глинистых сланцев. Продукты выветривания кристаллических сланцев представляют собой супеси и суглинки со щебнем и дресвой в количества от 10 до 50% и щебень с содержанием мелкозема от 0 до 50%. Содержание в элювии материала разной крупности зависит от степени выветрелости сланцев, обусловленной их петрографическим составом, метаморфизацией и крепостью, положением на том или ином элементе рельефа, участке ландшафта, в разрезе толщи и длительностью процесса выветривания (древний или современный элювий). От этих же условий зависит и прочность щебня в разных зонах и частях коры выветривания раз личных сланцев. Наиболее крупный и прочный щебень образуют сильнее метаморфизованные разности окварцованных кристаллических сланцев.

В минералогическом составе глинистой части элювиальных мелкоземов преобладают гидрослюды и каолинит. В химическом составе сланцев и продуктов их выветривания содержатся (в порядке убывания количеств) окиси кремния, алюминия, железа, магния, кальция и других элементов [1,4].

Мелкозем, дресва, мягкий щебень сланцев чувствительны к увлажнению. При смачивании на воздухе они быстро впитывают и длительно удерживают влагу. При этом прочность увлажняемых пород коры выветривании сланцев резко снижается [5]. Они выдавливаются из-под колес и гусеничных троков машин и механизмов, выпирают в кюветы выемок из-под основания укладываемого пути, в насыпи практически не уплотняются, на откосах земляного полотна сплывают.

1.5. Кроме специфических особенностей методики изучения массивов, сложенных сланцами и их элювием, и самих этих пород, при инженерно-геологических изысканиях следует учитывать и общие для обычных условий методические положения [6,7,8,9,10].

2. ЗАДАЧИ ИЗЫСКАНИЙ И СОСТАВ ВЫПОЛНЯЕМЫХ РАБОТ

2.1. Особыми задачами инженерно-геологических изысканий железных дорог в районах распространения мощной коры выветривания сланцев являются [3,6,10,11,12]:

картирование распространения различных сланцев и их коры выветривания на участках изысканий [13,14];

установление возраста, строения, мощности и состава коры выветривания, выделение в ней ослабленных зон [5];

оценка скорости выветривания разных пород в различных условиях [15];

оценка выветрелости пород на разных участках и в частях разреза коры выветривания;

изучение состава, сложения, состояния, водных и механических свойств сланцев и их коры выветривания.

В остальном цели и задачи инженерно-геологических изысканий те же, что и в общей случав изысканий для обоснования типовых и индивидуальных проектов земляного полот на и сооружений железных дорог [6,8,9,10].

2.2. Для составления программы инженерно-геологических изысканий в дополнение к тому, что обычно делается в подготовительном периоде [3,6], следует собирать, изучай, и обобщать литературные и фондовые источники по следующим вопросам:

характеристике условий и факторов выветривания всех пород района предстоящих работ;

распространению, возрасту, строению, мощности и составу кор выветривания на разных участках площади, подлежащей изучению;

оценке скоростей выветривания разных пород в различных условиях;

свойствам пород древних и современных кор выветривания;

геологическим процессам, влияющим на выветривание и обусловленным им;

деформациям строящихся и эксплуатируемых сооружений, происходящим в связи с явлениями и процессами выветривания;

методике инженерно-геологического изучения процессов и кор выветривания в полом и в интересующем изыскателей региона, в частности.

2.3. В состав инженерно-геологических изысканий входят все те же работы, которые выполняют при изысканиях [6,7,8]. Кроме того, следует проводить наблюдения за скоростью выветривания различных пород в разных условиях [3,10,15], опробовать элювий и материнские породы, обследовать строительные выработки (выемки, котлованы и др.).

3. ИнжЕНЕРНО-ГЕОЛОгиЧЕСКИЕ СЪЕМКИ И НАБЛЮДЕНИЯ ЗА СКОРОСТЬЮ ВЫВЕТРИВАНИЯ ПОРОД

3.1. Для изучения строения, мощности и состава элю вия, состава и трещиноватости материнских пород в дополнение к тому, что делается при изысканиях во всех соответствующих случаях [3,6] в районах распространения сланцев и их коры выветривания при проведении инженерно-геологических съемок следует расчищать, фотографировать, зарисовывать и описывать вскрытия и естественные обнажения. При сложности визуального определения петрографического состава пород нужно выкалывать штуфы пород для их осмотра петрографом, а при необходимости - и для приготовления и изучения шлифов. Необходимо собирать коллекцию пород разного состава, встреченных в районе изысканий, включая в нее и образин одних и тех же пород разных степеней выветрелости.

3.2. В расчищенных обнажениях и свежих вскрытиях следует выделять представительные опытные участки склонов и откосов разной высоты, крутизны и экспозиции в массивах различных по составу пород. На этих участках целесообразно поставить наблюдения в одно-трех годичном цикле для установления скорости нарастания элювия разных пород в тех или иных условиях.

В теплый сезон изысканий описания и измерения мощности нарастающего на склоне, откосе слоя выветривания можно проводить ежемесячно и после выпадения дождей. Осенью и весной в холодном сезона целесообразно выполнять разовые наблюдения в конце и начале полевых работ [3].

3.3. По результатам наблюдений следует составлять кадастр расчисток, пополняемый по мере вскрытия выемок, резервов и карьеров грунтов, содержащий сведения об обнаженных породах, датах вскрытий, высоте, крутизне и экспозиции откосов, гидрогеологических и других условиях. Следует при этом иметь в виду, что кристаллические сланцы выветриваются медленно (миллиметры в год), их элювий, глинистые и песчано-глинистые сланцы выветриваются быстрее (сантиметры в год). Скорость выветривания зависит от экспозиции откоса, погодных и других условий в годы наблюдений.

3.4. Если обнажений иного, нужно использовать возможность набора материала по скорости выветривания в тех или иных условиях с целью статистической обработки и получения обобщенных значений этих скоростей. На этой основе можно определить возраст коры выветривания на интересующих участках и прогнозировать мощность слоя элювия, нарастающего на откосах проектируемых выемок и карьеров на расчетный срок службы этих сооружений. Для этого можно воспользоваться формулой [15]

,

где h - измеренная или прогнозно вычисленная мощность слоя элювия, нарастающего на откосе за некоторое время;

α - скорость выветривания данной породы в конкретных условиях, определенная при наблюдениях;

t - расчетный срок работы или межремонтный период для проектируемого в массиве этой породы откоса заданных высоты, крутизны и экспозиции или же вычисляемый возраст коры выветривания мощностью h. В этом случае

.

4. ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ РАБОТЫ

4.1. Геофизическую разведку нужно применять для следующих случаев:

определения мощности толщи покровных рыхлых отложений, в том числе и элювиальных;

картирования распространения коры выветривания по составу, мощности, наличию неоднородностей в ее строении (прослоев, линз, карманов, гнезд различных пород);

установления распространения и положения уровней подземных, в том числа трещинных грунтовых вод;

выделения локальных интрузивных образований в толщах метаморфизованных осадочных пород.

Максимум информации можно получить при применении комплекса электро- и сейсморазведочных работ, магнитометрии и метода радиокип.

4.2. Для картирования площадей распространения пород коры выветривания и определения ее мощности целесообразно выполнить электропрофилирование в полосе шириной до 300 м вдоль трассы и ее вариантов на седлах, склонах, линиях тектонических разломов и на всех плохо обнаженных участках.

Параметры установок электропрофилирования, как обычно, следует определять по результатам предварительных вертикальных электрических зондирований коры выветривания и подстилающих ее материнских пород на глубины ниже отметок проектируемых выемок, подошвы напряженной зоны в основании опор моста, тоннелях и др.

Электропрофили задают по оси варианта и на расстоянии по обе стороны от нее через 50 м. Шаг профилирования принимают равным 30-50 м. При однородности строения коры выветривания указанные размеры могут быть увеличены вдвое.

При интерпретации материалов электроразведки можно ориентироваться на следующие примерные значения величин удельного электрического сопротивления различных пород, Ом·м:

При электроразведке коры выветривания точность определения диалогических границ равна примерно 10-15% глубины их залегания.

4.3. Скорость распространения упругих волн в кора выветривания и выветрелых породах ниже, чем в сохранных или слабо трещиноватых скальных, чем позволяет принанять сейсморазведку для расчленения геологического разреза. Необходимо, однако, учитывать следующее:

плановое положение не однородное гей (карманов, гнезд и линз выветрелых пород) можно установить, когда их размеры по горизонтали превышают 7 м, а мощность 1 м;

для определения мощности неоднородности она должна бить, по крайней мера, в 2 раза меньше их размеров по горизонтали;

скорости распространения упругих волн в покрывающей среде должны быть меньше, чем в подстилающих породах.

Для проведения сейсморазведки рекомендуются много канальные сейсмостанции СС-24П, "Поиск 1-6/12 ACM-ОB", "Поиск 1/24 МОВ-ОВ", "Поиск 1/48 МОВ-ОВ", одноканальная сейсмическая установка ОСУ и двухканальная - ДОСУ-1.

4.4. Сейсмические работы рекомендуется выполнять по следующей методике. По оси трассы задают непрерывный продольный профиль по полной пятиточечной системе встречных и нагоняющих годографов. При этом два пункта возбуждения располагают по концам расстановки, два - за ее пределами на расстоянии 10-15 м по обе стороны и один - в центре.

При работе с малоканальными установками измерения ведут по системе встречных годографов, а в случае сложного сейсмогеологического разреза - по системе нагоняющих годографов.

Регистрируют продольные волны, приходящие в первых вступлениях. По полученный годографам расчленяют разрез и определяют положение в плане пересеченных сейсмопрофилем границ неоднородностей, определяют их мощности.

4.5 На участках со сложными условиями для выделения неоднородностей в коре выветривания, интрузивных тел в массиве рекомендуется применять магнитную съемку и профилирование методом радиокип с шагом 10 м

4.6. В скальном цоколе аллювия террас по тектоническим трещинам иди древний эрозионным врезан могли сохраниться глубокие карманы выветривания сланцев и других пород [6]. Поскольку элювий менее прочен, чем скальные породы, необходимо выявить и оконтурить эти образования для того, чтобы правильно планировать размещение сети и установить достаточную глубину разведки грунтов на мостовых переходах. В этом случае может быть рекомендована следующая методика геофизической разведки.

По оси перехода и с боков на расстояниях 10 м от нее намечают сейсмо- и электропрофили, и по ним выполняют вертикальные электрические зондирования (ВЭЗ) для построения геоэлектрических разрезов. На каждом выделенном при проведении инженерно-геологической съемки инженерно-геологическом участке перехода [6] или по переломам живого сечения выполняют по 2-3 электро- и сейсмозондирования. Если уже известна схема расположения опор проектируемого моста, ВЭЗ проводят также в местах размещения каждой опоры.

Аллювиальные отложения в зависимости от состава, влажности и положения уровней подземных вод обладают электрическим сопротивлением от 150 до 3000 0м·м.

4.7. В местах, где по тpacce запроектированы выемки, выявлены интрузии и глубокие карманы выветривания (по результатам инженерно-геологической съемки и геофизической разведки), для уточнения данных о геологическом строении массивов могут потребоваться дополнительные электро- и сейсмозондирования. В этом случае участок следует раз бить профилями длиной 100-150 м, перпендикулярными оси трассы и отстоящими друг от друга на расстоянии 25-100 и. Плотность сети геофизической разведки зависит от протяжения и глубины проектируемой выемки, сложности инженерно-геологических условий обследуемого участка и задается в индивидуальном порядке по усмотрению геолога.

4.8. Данные о распространении и мощности коры выветривания, положении и размерах новообразований в ней, полученные с помощью геофизической разведки, целесообразно отражать на инженерно-геологических картах, профилях, разрезах, блокдиаграммах и других чертежах технических проектов земляного полотна, искусственных и других сооружений железных дорог. Геофизическая информация должна быть надежно обоснована материалами опорной разведки и опробования грунтов, необходимыми для уверенной интерпретации результатов электро- и сейсморазведки.

5. РАЗВЕДОЧНЫЕ РАБОТЫ

5.1. Материалы инженерно-геологических съемок и результаты геофизической разведки необходимо использовать для разбивки разведочных сетей на участках проектируемых земляного полотна и сооружений.

На участке проектируемой выемки в установленной съем кой и геофизическим обследованием мощной коре выветривания сланцев рекомендуется разбивать разведочные поперечники через 200-300 м, а на седлах, склонах глубоко врезанных долин - через 100-200 и по протяжению участка. Кроме того, следует закладывать осевые выработки в начале и в конце выемки и поперечник минимум из трех скважин в месте ее наибольшей глубины или наибольшей высоты проектируемого нагорного откоса.

Выработки в поперечниках, как и в общем случае изысканий [6], целесообразно задавать по оси выемки и у бровок проектируемых откосов. Боковые скважины нужно бурить на глубину промерзания ниже проектной отметки выемки, а осевые - на 5 м ниже этой отметки (имеется в виду вероятность проектирования вырезки и замены неводостойких грунтов (супесей, суглинков, глин) коры выветривания сланцев на глубину промерзания).

При наличии в массиве тектонических нарушений, трещин отседания блоков в бортах долин, прослоев, линз, карманов и гнезд сильно выветрелого материала, обнаруженных геофизической разведкой и выработками систематической сети на участках проектируемых выемок и мостовых переходов, следует бурить отдельные скважины для уточнения положения, размеров в плане и мощности этих образований.

Рекомендуемые примерные схемы разведки на участках проектируемых выемок в коре выветривания сланцев показаны на рис. 1,2,3 и 4. На участках постовых переходов в дополнение к обычной плановой сети разведки [6] в коре выветривания сланцев под проектируемые опоры следует бурить дополнительные скважины.

Рис. 1. План размещения разведочных скважин на участке проектируемой выемки (кружочками обозначены скважины, цифрами при них - их номера) Масштаб: по длине 1:10000, по поперечникам 1:2000

5.2. Ввиду трудоемкости проходки в сланцах и их крупнообломочном элювии горных выработок целесообразно закладывать шурфы, расчистки, разведочные канавы главный образом для проведения полевых испытаний прочности грунтов в массивах и отбора крупных монолитных образцов, испытываемых в лабораторных условиях или на стендах. Кроме того, необходимо использовать всякую возможность расчистки стенок с целью описания горнопромышленных выработок (шахт, штолен, штреков, канав), нередко имеющихся в районах распространения сланцев (на Урале, в Кузнецком Ала-Тау, Казахстане).

5.3. При колонковом бурении, особенно с промывкой, монолитные керны пород коры выветривания и трещиноватых сланцев получить не удается. Поэтому рекомендуется применять ударно-канатный способ бурения, прибегая к колонковой проходке только при встрече прослоев окварцованных сланцев, интрузивных и других крепких пород. Наиболее эффективно в этих условиях применение установок УГБ-50А, УГБ-50М и некоторых других станков комбинированного бурения скважин до глубины 15-150 м.

Рис. 2. Схема расположения скважин в продольном профиле проектируемой выемки. Масштаб: горизонтальный 1:1000, верительный 1:200

Условные обозначения

Рис. 3. Размещение скважин в поперечном профиле выемки на ПК 213 :

1 -суглинок со щебнем сланца, 2 - супесь со щебнем и дресвой сланца, 3 - щебень сланца с дресвой, 4 - сланец кристаллический слюдяной хлоритизированный трещиноватый. Масштаб 1:200

Рис. 4. Размещение скважин в поперечном профиле выемки на ПК 21+65:

1 - суглинок, 2 - супесь со щебнем и дресвой сланца, 3 - щебень сланца с дресвой и песком, 4 - сланец кристаллический серицитовый трещиноватый. Масштаб 1:200

5.4. На подходе к контакту подошвы коры выветривания и кровли более сохранных трещиноватых сланцев, положение которого приближенно установлено геофизической разведкой, целесообразно бурить, погружая стакан с ударной штангой одним сильным ударом. При этом получают более сохранный керн пород. Но во многих случаях выветривание сланцев распространяется на большую глубину, выраженного контакта зон дробления и трещиноватых сланцев, ввиду постепенности и многократности переходов, нет и геофизическая граница условна или неопределенна. Тогда проходку одиночными сильными ударами можно рекомендовать при появлении в стакане бурового снаряда более выраженных прочных отдельностей сланцев.

Для описания текстуры сланцев и их элювия рекомендуется осматривать стенки необсаженных скважин с помощью фотобуроскопа.

6. Опробование грунтов и воды

6.1. Для определения влажности и классификационных показателей (гранулометрического состава песков, дресвы и щебня, пределов пластичности глинистых грунтов, петрографического состава щебня и скальных пород) необходимо из осевых скважин послойно, но не реже, чем на каждых 2 м вскрываемого разреза, отбирать пробы грунтов, а из стакана бурового снаряда - образцы для установления объемной массы.

6.2. Кроме того, при индивидуальном проектировании земляного полотна и сооружений нужно извлекать монолитные керны залавливаемыми и забиваемыми с одного удара грунтоносами. Из монолитов вырезают образцы для определения объемной массы, испытаний прочности и размокаемости глин, суглинков, супесей и т.д. Следует опробовать только рас четные слои и контакты, содержащие ослабленные грунты, поверхности смещения (оползневые и др.), тектонические трещины. Эти зоны ослабления будут определять крутизну проектируемого откоса, несущую способность основания (выемки, высокой насыпи, опоры мосте).

6.3. Коли выемка будет врезана в трещиноватые скальные породы или последние послужат основанием опор проектируемого моста, рекомендуется отбирать монолитные керны этих пород двойными колонковыми трубами. Этим способом извлечь такой керн из сланцев удается не всегда. В таком случав целесообразно выкалывать штуфы из расположенных ближе к участку проектируемой выемки, мостовому переходу обнажений тех же сланцев для определений их петрографического состава и временного сопротивления сжатию. По обнажениям и кернам следует подсчитывать число расколов, приходящееся на единицу длины монолита, измерять раскрытия трещин, определять простирание и падение пластов и разных систем трещиноватости сланцев и других пород [8,9].

6.4. Иногда визуально трудно выделить и установить степень устойчивости по отношению к выветриванию аргиллитов, алевролитов, филлитов, глинистых, песчано-глинистых и серицитовых сланцев. Поэтому рекомендуется провести циклы испытаний классифицируемых по этому признаку пород на попеременные высушивания и увлажнения [10].

При изысканиях мостовых переходов и индивидуальном проектировании земляного полотна монет потребоваться оценка степени выветрелости сланцев, которые будут вскрыты выемкой или послужат основанием опор моста, для расчетов устойчивости откосов и определения несущей способности оснований. В проектных расчетах при этом используют временное сопротивление сжатию скальных пород. Сопротивление одноосному сжатию образцов песчаного или крупнообломочного элювия сланцев практически равно нулю. В этом случав показатель степени выветрелости породы в [11,12] вычислим по формуле

,

где R_н - временное сопротивление одноосному сжатию свежего невыветрелого сланца, образец которого выколот из обнажения или извлечен в виде прочного керна из выработки;

R_о - временное сопротивление сжатию образца оцениваемой породы.

При решении вопросов о необходимости вырезки и замены элювия сланцев в основании выемок, возможности укладки продуктов коры выветривания в насыпи, оценки устойчивости склонов и откосов в массиве с поверхностями ослабления (линзы водоносных пород, оползневые контакты и др.) могут понадобиться и другие специальные определения [3,9,10,16].

6.5. В коре выветривания могут быть поровые, а в сланцах - трещинные подземные воды. Если в вывшее намечено сооружение дренажей из бетонных конструкций, нужно отбирать пробы воды на анализ состава для определения ее агрессивности на бетон.

Часто грунтовые воды не образуют сплошного горизонта с выраженным зеркалом и приурочены к отдельным струям, локальным потокам, линзам в толще коры выветривания и в кровле трещиноватого сланцевого массива. Водовмещающими являются, главным образом, слои и линзы щебня, дресвы и песка, участки сильно трещиноватой скалы. Водообильность горизонтов чаще небольшая. Более обводнены седловые участки и тектонические трещины в массивах сланцев. Береговые косогоры за отдельными исключениями дренированы эрозионными врезами. Выполнять опытные откачки в таких условиях нецелесообразно. Для оценок расходов воды ее следует извлекать желонкой и следить за восстановлением уровня в скважине. Кроме того, нужно измерять дебиты источников на косогорах, у бортов седел, в пришовных линиях террас и в других местах.

7. Полевые испытания грунтов в массиве

7.1. Петрографический состав скальных пород, их отдельностей и щебня для установления наименований сланцев следует определять визуально, пользуясь лупой, стальной иглой и другими полевыми приборами. Необходимо выявлять и устанавливать примерное содержание в породе кварца, полевых шпатов, различных слюд, хлорита, талька, роговой об манки, а в присыпке - каолинита и гидрослюд. Нужно измерять длину, ширину, толщину плитчатой отдельности, щебня сланцев и указывать прочность обломков. Прочная отдельность не разбивается даже при сильных ударах, непрочная - легко разламывается руками или расслаивается по сланцеватости и кливажу, слабая отдельность крошится. Щебень соответственно называют твердым, мягким, слабым.

7.2. Трещиноватость пород целесообразно изучать по принятой в транспортном строительстве методике [8,9]. Необходимо описывать состав (глина, суглинок, супесь, песок, дресва, щебень), влажность и плотность заполнителя трещин всех видов (от тектонических и отседания до трещин отдельности и выветривания), поскольку состав нередко характеризует конечную стадию выветривания сланцев.

7.3. Для определения гранулометрического состава крупнообломочного материала рекомендуется применять следующую методику [7,16,17]. Зачищают обнажение, стенки шурфа и разведочной канавы и выделяют представительные площадки размером примерно в 10 раз большим величины само го крупного обломка. Мерной линейкой или делительным кругом из плексигласа измеряют размеры обломков, относимых к различным фракциям, и маркируют их разными знаками (крестом, косым крестом, чертой горизонтальной и вертикальной, ноликом и др.) мелом. Осторожно ножом или шилом обнажают и ту часть обломка, которая на поверхность расчистки не выходит. Затем на площадку накладывают сотку размерами 1х1 м с квадратными ячейками размерами 100х100 или 50х50 мм. По ячейкам подсчитывают суммарные площади, занятые выделенными фракциями. Вычисляют процентное соотношение этих площадей от площади в 1 м².

При максимальной крупности материала 50 мм следует применять грохочение. Наибольшая масса пробы 100 кг. При крупности обломков до 25 мм можно ограничиться навеской 25 кг, 10 мм - 4 кг, 5 мм - 1 кг, для более мелкого мате риала - 0,5 кг [17]. Навески 2 кг и менее можно рассеивать на ситах.

7.4. Объемную массу крупнообломочных продуктов выветривания сланцев рекомендуется определять способом заполнения лунок. Выкапывают кубическую лунку размерами 0,3×0,3×0,3 м на поверхности земли, на дне шурфа, канавы, котлована. В нее опускают тонкую плексигласовую пленку, в которую вровень с краями лунки наливают Воду. Затупленной деревянной палочкой осторожно расправляют складки или пузыри планки, доливают воду. Объем воды (примерно яри ведра), залитой в лунку, измеряют С точностью до 0,2 л.

Извлеченную из лунки породу взвешивают на технических (торговых) весах с точностью до 0,1 кг. Делением этой массы на объем залитой в лунку воды вычисляют Объемную массу грунта природного сложения с точностью до±0,02 т/м³.

Для определения влажности из стенок и со дна лунки отбирают до десяти проб грунта в бюксы. Среднее из значений влажности используют для определения плотности грунта как классификационной характеристики.

7.5. В состав полевых испытаний элювиальных грунтов в массиве рекомендуется включать динамические и статические зондирования, прессиометрию в скважинах, сдвиг целиков в шурфах, выполняемые по унифицированной методике [18]. Определяемые при этом значения характеристик плотности (и объемной массы) и прочности грунтов используют в проектных расчетах объемов земляных работ, устойчивости откосов, оснований проектируемых сооружений и др.

7.6. При наличии на склонах и откосах оплывов и оползней коры выветривания для определения параметров прочности грунтов по контактам поверхностей смещения следует использовать методы обратных расчетов.

7.7. Вблизи выработок целесообразно также испытывать крупнообломочный элювий на сопротивление сдвигу в срезных приборах с кольцами диаметром 40, высотой 20 см, но при этом следует помнить, что соотношение размера самой крупной фракции и диаметра кольца должно быть не менее 1:5. Кольцо заполняют грунтом, которому придают естественную плотность, рассчитанную по объемной массе и природной влажности. Грунт может быть испытан при природной, заданной влажности или при полном водонасыщении под разными нагрузками на штампы по вертикали. Горизонтальное сдвигающее усилие передается домкратом.

8. Обследования строительных выработок

8.1. При рабочем проектировании в период начавшегося строительства необходимо описывать, зарисовывать и фотографировать свеже обнажаемые откосы вскрываемых выемок, стенки и дно карьеров, котлованов, взрывных колодцев, вентиляционных шахт, дренажных штолен, тоннелей и других строительных выработок.

Вскрываемые поверхности могут быть обсыпаны грунтами сверху при экскавации, могут заплыть после дождя, сплыва. Их следует расчищать сверху донизу так часто, как это необходимо для детального изучения обнаженных продуктов коры выветривания и подстилающих скальных пород. При этом целесообразно выявить и описать все элювиальные образования размерами по длине и ширине не менее 1 м и по мощности не менее 0,1 м.

8.2. Все полученные данные нужно оформлять в развертках выемок, карьеров, котлованов, шурфов, колодцев, шахт и других выработок, на поперечных и продольных профилях, исполнительных геологических разрезах участков обследований. В зависимости от размеров выработки масштабы чертежей рекомендуется принимать: горизонтальный 1:100-1:1000, вертикальный 1:100-1:200 (рис. 5, 6; см. рис. 2, 4).

8.3. Если на дне котлована, карьера, в кюветах и подошвах откосов выемки вскрыты не те грунты, которые указаны в материалах технического проекта, целесообразно заложить на участках расхождений скважины глубиной до 5 м и шурфы - до 2 м с целью уточнения данных. Эти выработки опробуют так же, как и ранее заложенные (см. гл. 6 и 7).

8.4. Следует измерять расходы воды в точечных и линейных выходах на откосах и в кюветах вскрываемых выемок, водопритоки на дно котлованов и других выработок, привязывая выходы в плане и по высоте, зарисовывая их на развертках и поперечных сечениях выработок. Эти данные нужны для использования при проектировании, уточнениях проектов водоотлива и дренажа с целью предотвращения суффозии мелкозема элювия или образования наледей.

Рис. 5. Схема обследования поперечного профиля седловой выемки, вскрытой в массиве сланцев и их коры выветривания:

1 - суглинок тяжелый красно-бурый с щебнем и дресвой сланцев в количестве до 25% тугопластичной и полутвердой консистенции (делювий); 2 - суглинок полутвердой консистенции зеленовато-желтый слюдистый с щебнем и дресвой сланцев в количестве до 10% (элювий); 3 - мягкие щебень и разборная скала слюдяного хлоритизированного и графитизированного сланца зеленовато-серого; 4 - сланец слюдяной крепкий трещиноватый водостойкий серо-стального цвета; 5 - супесь твердой консистенции зеленовато-серая с дресвой и мягкий щебнем сланца; 6 - сланец кварцитовый серый массивный водостойкий прочный; 7 - сланцы слюдяные темно-серые ожелезненные крепкие с прослоями мягкого щебня и разборной скалы сланцев на откосах треугольниками показаны расчистки. Масштаб 1:200

Рис. 6. Развертка вскрытой выемки:

1 - суглинок тяжелый красно-бурый с щебнем и дресвой сланцев в количества до 25%, тугопластичной и полутвердой консистенции (делювий); 2 - суглинок зеленовато-желтый и коричнево-бурый слюдистый с щебнем и дресвой слащав в количестве 10-40 %,полутвердой консистенции (элювий); 3 - мягкие щебень и разборная скала слюдяного хлоритизированного и графитизированного зеленовато-серого сланца; 4 - сланец слюдяной крепкий трещиноватый водостойкий серо-стального цвета; 5 - супесь зеленовато-серая с дресвой и мягким щебнем сланца. Консистенция твердая; 6 - сланец кварцитовый серый массивный водостойкий прочный; 7 - сланцы слюдяные темно-серые ожелезненные с прослоями мягкого щебня и разборной скалы сланцев; 8 - щебень и дресва сланцев с примесью супеси до 40 % (оползневые массы). Прямыми вертикальными линиями на откосах обозначены промоины, образующие небольшие конусы выносов у подошвы откосов. Масштаб: по длине 1:1000, в поперечном направлении 1:250

8.5. Материалы, накапливаемые по обследованию строительных выработок, необходимо использовать для корректировки ранее составленных при изысканиях на стадии технического проекта или разработки новых инженерно-геологических документов и прогнозов.

9. Лабораторные работы

9.1. Петрографический состав скальных и крупнообломочных пород, химико-минералогический состав мелкоземов следует определять по общепринятой методике [7], гранулометрический и микроагрегатный составы, пределы пластичности, удельный вес - по стандартам. Но следует учитывать, что число пластичности некоторых глин и суглинков коры выветривания сланцев занижено [5,12] и номенклатурной характеристикой в этой случав служить не может.

Элювиальный мелкозем можно подвергать только микроагрегатному анализу. Химическое воздействие на грунт во избежание диспергации частиц [7,16] должно быть исключено, а механическое - допускается только в виде взбалтывания суспензии.

9.2. Влажность мелкозема и отдельно обломков следует определять по стандартной методике. Влажность грунтов коры выветривания w в целом рекомендуется рассчитывать по формуле

,

где W_м - влажность мелкозема;

а - содержание в породе частиц крупнев 2 мм;

W_k - влажность частиц крупнее 2 мм.

Содержание в элювии частиц крупнее 2 мы устанавливают рассевом на ситах.

9.3. При отсутствии в мелкоземе дресвы и щебня образец для определения объемной массы можно отобрать кольцом объемом 200 см³ (диаметр 71,4 мм, площадь 40 см², высота 50 мм), а при наличии этих примесей - кольцом объемом 500 см³ (диаметр 100 мм, площадь 78,5 см², высота 63,7 мм)

9.4. Максимальную плотность при оптимальной влажности в стандартном уплотнении целесообразно определять только для мелкоземов, содержащих не более 20% дресвы и не имеющих включений щебня. Кроме того, следует учитывать, что некоторые мелкоземы коры выветривания сланцев обладают близкими по величине пределами раскатывания и текучести, число пластичности их при суглинистом или супесчаном составе мало. Создать в опыте влажность, близкую к оптимальной, трудно. Элювиальный "суглинок" или даже "глина" при малейшем избытке прилитой воды переходит в текучее состояние. Это предъявляет особые требования к тщательности выполнения определений.

9.5. Компрессионные испытания элювиальных мелкоземов следует проводить по обычной методике [7]. При отсутствии в грунте щебня и наличии не более 5% дресвы испытание можно проводим, в одометрах с кольцами площадью 40 см. Грунты с содержанием дресвы в количестве до 20% целесообразно испытывать в кольцах площадью не менее 100 см², а при большем ее содержании - в кольцах площадью 150 см² [16].

Если удается приготовить образцы тех же диаметров, той же или вдвое большей высоты, чем величина диаметра, то компрессионные испытания можно проводить в стабилометрах. Но эти приборы не должны допускать возможности бокового расширения грунта. Диаметр штока, передающего на грунт вертикальную нагрузку, в этих приборах должен быть равен диаметру образца [7].

9.6. Цилиндрические образцы таких же размеров целесообразно испытывать в приборах трехосного сжатия для определения параметров прочности грунтов с применением так называемой закрытой системы, когда образец заключен в герметичную резиновую оболочку, что гарантирует сохранность начальной плотности и влажности грунта, т.е. соответствие его состояния определяемой прочности.

В природном сложении при залегании в массиве мелкоземистые грунты коры выветривания сланцев чаще обладают средней влажностью, полутвердой или тугопластичной и мягкопластичной консистенцией. При вскрытии и первом же увлажнении на воздухе (дождем, тающим снегом, выходами грунтовых вод) элювиальные супеси, суглинки и глины приобретают мягкопластичную, текучепластичную и текучую консистенцию в откосе или основании выемки, на дне котлована, с поверхности свежеотсыпанной насыпи, кавальера, отвала. Поэтому из таких грунтов трудно вырезать правильный цилиндрик диаметром и высотой даже 71,4 мм: дресвянистый грунт крошится, а мягкопластичный - деформируемся и расплывается при обработке образца.

9.7. Вследствие этого испытание мелкоземистых грунтов коры выветривания сланцев на сопротивление сдвигу рекомендуется выполнять в приборах прямого плоскостного среза. При содержании в грунте менее 5% дресвяных частиц можно брать обоймы для образцов площадью сечения не менее 40 см². Грунты, содержащие 5-20% дресвы, целесообразно испытывать в приборах с площадью обоймы не менее 60 см² [16].

Испытание на сопротивление сдвигу должно моделировать условия работы грунтов среды, оснований и материалов железнодорожных сооружений. Выше было описано, как изменяется консистенция глинистых грунтов коры выветривания сланцев при вскрытии массива выемкой (тоннелем, котлованом и другими выработками). В выемке эти грунты разгружаются и разуплотняются, в основаниях сооружений, теле насыпи - уплотняются.

Рекомендуемые схемы испытания глинистых продуктов коры выветривания сланцев в приборах прямого плоскостного среза в соответствии с плотностью, консистенцией, напряженным состоянием и особенностями работы грунтов при строительстве и в эксплуатации земляного полотна и сооружений железных дорог приведены в таблице.

9.8. Элювиальные грунты с большим содержанием дресвы и включениями частиц размером до 10 мм можно испытывать также в клиновых обоймах с площадью поперечного сечения 60-100 см² и углами плоскости среза 30, 40, 50 и 60°, превышающими предполагаемые значения угла внутреннего трения испытываемого грунта [16]. Применение клиновых кососрезных приборов расширяет область использования методики плоскостного сдвига на дресвяные элювиальные грунты.

9.9. Характеристикой прочности сланцев, в том числе и затронутых выветриванием, является их временное сопротивление одноосному сжатию при насыщении образцов водой. Для пород с временный сопротивлением одноосному сжатию меньше 50 кгс/см² испытания следует выполнять по ГОСТ 17245-71, для более прочных пород - применять методику раздавливания образцов на прессе [7].

9.10. Размягчаемость сланцев, как и в общем случае [7], нужно оценивать по отношению временных сопротивлений одноосному сжатию пород, насыщенных водой и находящихся в воздушносухом состоянии.

Испытанию на размокание в приборе ПР целесообразно подвергать образцы связных грунтов, дресвы и слабого щебня коры выветривания и самих сланцев. Образцы сланцев и щебня массой 100-300 г попеременно высушивают в сушильном шкафу и заливают водой на 7 ч. После пяти циклов такой об работки продукты распада просеивают через сито с ячейками 10 мм. Прошедшие черва сито частицы взвешивают с точностью до 0,01 г. По отношению их массы к первоначальной массе отобранного для испытания образца вычисляют потерю, по которой подразделяют грунты по степени устойчивости к выветриванию [10].

10. РЕЗУЛЬТАТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

10.1. На стадии технического проекта как и в общем случае инженерно-геологических изысканий [6], необходимо составлять:

продольные геологические или совмещенные профили по вариантам и принятой трассе;

поперечные профили с нанесенными грунтами по участкам индивидуального проектирования земляного полотна и сооружений;

профили с нанесенными геологическими данными по осям логов, водотоков и проектируемых искусственных сооружений; профили с нанесенной геологией по осям водотоков и дренажей;

в сложных условиях - блок-диаграммы и развертки участков седловых и косогорных выемок и тектонических нарушений, оснований опор мостов в местах с карманами коры выветривания пород.

В содержании этих графических материалов следует отображать прослои, линзы, карманы, зоны, гнезда, участки, сложенные продуктами коры выветривания разного состава, сложения и состояния.

На чертежах нужно выделять:

делювиальные, десерпционные и аллювиальные покровные грунты;

элювий - песок, супесь, суглинок, глину с указанием содержания в них дресвы, мягкого и твердого щебня той или иной крупности;

мягкий щебень с различными примесями дресвы, песка, супеси, суглинка, глины;

твердый щебень с различным содержанием в нем глыб;

скальные породы разного петрографического состава с ровами трещиноватости и указаниями по размерам отдельностей пород (блочности массива).

10.2. Следует составлять ведомости анализов и испытаний всех перечисленных грунтов (зернового состава, пределов пластичности, влажности, удельного веса и объемной массы, максимальной, плотности, угла внутреннего трения, сцепления, временного сопротивления одноосному сжатию при водонасыщении и в воздушно-сухом состоянии, модуля деформации, размягчаемости, размокаемости и др.) и ведомости анализов воды.

Эти ведомости должны входить в тексты составляемых к разделам проекта пояснительных инженерно-геологических записок. В этих записках необходимо приводить данные о распространении, строении, мощности, обводненности коры выветривания на участках проектирования сооружении разного вида и назначения в зависимости от условий рельефа, состава материнских пород элювия и др. Нужно описывать состав, сложение, состояние и свойства различных продуктов коры выветривания и самих материнских пород оснований, среды и материалов проектируемых сооружений и объектов разработки при строительстве.

В записках целесообразно рекомендовать рациональные конструкции земляного полотна для разных продуктов коры выветривания различных сланцев и мероприятия по защите грунтов от выветривания, размягчения, размокания и других воздействий климатических агентов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Геология СССР т. ХШ. Башкирская АССР и Оренбургская область. М., "Недра", 1964.

2. Геология СССР т. ХП. Урал ч.1. Геологическое описание. М.-Л., Госгеолиздат, 1944.

3. Коломенский Н.В. Методические указания по изучению процессов выветривания горных пород для инженерно - геологических целей. М., Госгеолиздат, 1952.

4. Гинзбург И.И., Рукавишникова И.А. Минералы древней коры выветривания Урала. М., Изд. АН СССР, 1951.

5. Коробанова И.Г., Ковалева А.П., Зубкович Г.Г., Рекшинская Л.Г. О некоторых особенностях "слабых разновидностей" пород таврической свиты Крыма в коре выветривания. В сб.: "Вопросы инженерно-геологического изучения процессов и кор выветривания". М., Изд-во МГУ, 1971.

6. Горелик A.M., Дружинин М.K., Карлинский М.И. и др. Инженерно-геологические исследования при изысканиях новых линий, вторых путей, реконструкции и электрификации железных дорог (наставление). М., изд. ЦНИИСа, 1962.

7. Методическое пособие по инженерно-геологическому изучению горных пород. Под ред. Е.М. Сергеева, т. 1 и 2 . М., Изд-во МГУ, 1968.

8. Плакхин М.Л. Методические указания по исследованию скальных массивов при изысканиях дорог. М., изд. ЦНИИСа, 1967.

9. Целиков Ф.И. Предложения по совершенствованию норм проектирования скальных выемок. М., изд. ЦНИИСа, 1968.

10. Целиков Ф.И., Володин A.M. и др. Методические указания по проектированию земляного полотна (выемок) в легко выветривающихся скальных породах. М., изд. ЦНИИСа, 1974.

11. Золотарев Г.С. Современные задачи инженерно-геологического изучения процессов и кор выветривания. В сб.: "Вопросы инженерно-геологического изучения процессов и кор выветривания". М., Изд-во МГУ, 1971.

12. Ломтадзе В.Д. Основные положения и рекомендации по методике инженерно-геологических исследований оснований сооружений, сложенных элювиальными породами. В сб.: "Вопросы инженерно-геологического изучения процессов и кор выветривания". М., Изд-во МГУ, 1974.

13. Гузовский Л.А. Карта кор выветривания Урала и принципы ее составления. В сб.: "Коры выветривания Урала". Саратов, Изд-во Саратовского университета, 1969.

14. Вагшаль Д.С. Применение геофизических методов при картировании кор выветривания. В сб.: "Коры выветривания Урала". Саратов, Изд-во Саратовского университета, 1969.

15. Матвеев Ю.Д. Динамика выветривания осадочных пород. М., "Наука", 1972.

16. Щвец В.Б., Мельников Б.Н. и др. Указания по инженерно-геологическим изысканиям оснований на элювиальных грунтах. Свердловск, Изд-во Уральского Промстройниипроекта, 1970.

17. Тулинов Р.Г. Методы изучения физико-механических свойств элювиальных грунтов. В сб.: "Вопросы инженерно- геологического изучения процессов и кор выветривания". М., Изд-во МГУ, 1971.

18. Указания по зондированию грунтов для строительства (СН 448-72). М., Стройиздат, 1973.