Геофизические методы инженерно-геологических обследований.
Геофизические методы исследования залегания геологических напластований применяют преимущественно для поисков строительных материалов, определения глубины залегания вечномерзлых грунтов и наличия в них включений крупных линз погребенного льда, выявления карстовых полостей и подстилающих рыхлые грунты скальных пород.. Геофизические методы дают возможность существенно сократить объем буровых работ и снизить стоимость инженерно-геологических работ. Следует, однако, иметь в виду, что при изучении поверхностных напластовании надежные результаты получаются только для слоев, значительно отличающихся по свойствам. Во многих случаях на результаты измерений большее влияние может оказать различие во влажности грунтов, чем изменение гранулометрического состава или степени уплотнения.
Геофизические работы обязательно сочетают с одновременной проходкой опорных буровых скважин и шурфов и проведением зондирования грунтов, чтобы иметь эталоны для расшифровки геофизических данных.
Из многочисленных геофизических методов изучения строения земной коры наибольшее применение находят методы электроразведки на постоянном токе (метод сопротивлений) и микросейсморазведки (сейсмоакустический метод – метод отражения ударных волн).
Метод сопротивлений использует различие в электропроводности разных грунтов для разделения геологического разреза по литологическим признакам или по влажности. Удельное сопротивление талых грунтов значительно ниже, чем скальных или мерзлых грунтов, и составляет (Ом/м):
Глины ………………………………………………….10-1 -10
Суглинки ……………………………………………….10 -102
Пески водонасыщенные ..,;.,…………………………..102 -103
Пески засоленные …………………………………….10-1 -10
Известняки, песчаники, глинистые сланцы ………… 10 – 103
Аргиллиты, алевролиты, мергели……………………..10 -102
Граниты, сиениты, диабазы, базальты ………………..102 -105
Находят применение две разновидности метода сопротивлений: вертикальное электрическое зондирование и электропрофилирование.
Зондирование позволяет исследовать напластования по глубине, профилирование — в горизонтальном направлении. Для этих целей наибольшее распространение имеет четырехэлектродная симметричная установка из двух питающих С1 и С2 и двух приемных электродов. Между крайними электродами пропускают постоянный ток, измеряя посредством промежуточных электродов сопротивление грунта между ними. Чем больше расстояние между электродами, тем большая толща грунта захватывается током.
Падение потенциала ∆V между промежуточными приемными электродами Р1 и P2 характеризует в неоднородной среде среднее сопротивление грунтов, ограниченных эквипотенциальными поверхностями P 1 N 1 и Р 2 N 2(«кажущееся удельное сопротивление»). Его определяют
∆V
ρ = K-------------,
I
где I - сила тока между питающими электродами С1 и С2; К - коэффициент установки, зависящий от расстояний между электродами и определяемый из выражения
0,2π
K = ------------------------ ,
1 1 1 1
--- - -- - -- - --
r 1 r 2 r 3 r 4
r 1 и r 2 _- расстояния от электрода Р1 до электродов С1 и С2 ; r 3 r 4 - то же, от электрода Р 2 .
При симметричном расположении электродов r 1 = r 2 и r 3 = r 4
0,1π
K =--------- (L2 –l2).
4l
При вертикальном электрозондировании, позволяющем определить глубину залегания разных пород, оставляя приемные электроды Р1 и Р2 на месте, увеличивают расстояние между питающими электродами C 1 и С 2. Каждое последующее измерение будет давать кажущееся сопротивление более толстого слоя грунта. Изменение кривизны линий на графике зависимости сопротивления от расстояния между электродами свидетельствует об изменении грунтовых условий по глубине.
Участки кривой, направленные вверх, указывают на возрастание сопротивления в связи с залеганием скалы, гравия или других материалов с высоким сопротивлением. Нисходящие участки кривой являются признаком залегания глинистых или других грунтов, обладающих меньшим сопротивлением, чем вышележащие. Глубину залегания слоев определяют по теоретическим расчетным формулам и вспомогательным номограммам. Охватываемая глубина исследования определяется расстоянием между питающими электродами. Грубо (для первоначальной оценки) можно считать, что получаемые величины сопротивления относятся к слою, залегающему на глубине, равной 0,25 - от расстояния между питающими электродами.
При методе электропрофилирования перемещают все электроды с сохранением постоянного расстояния между ними по линии съемки, например вдоль трассы. При этом выявляются места изменения геологических условий в пределах изучаемой толщи, например выклинивания скаль ных пород, карстовые полости или линзы вечномерзлых грунтов.
При изысканиях автомобильных дорог обычно прибегают к вертикальному электрическому зондированию,проводимому через 100-300 м по трассе, с разносами электродов не свыше 100 м.
Сейсмоакустический метод основан на различии в скорости распространения упругих волн в разных грунтах, которая для продольных волн сжатия и расширения грунта в направлении их распространения составляет
(1 - µ 2)Е
V прод =√ ----------------- ,
(1+µ) (1-2µ)ρ
где µ - коэффициент Пуассона при упругих деформациях; Е - динамический модулъ упругости, соответствующий весьма малым деформациям. Его значения выше, чем модулей упругости, используемых при расчете дорожных покрытий; р — плотность грунта.
Для грунтов, расположенных выше уровня грунтовых вод, скорость распространения упругих волн не превышает 1200 м/с (почвенные слои 300—900 м/с, плотные глины 600—1200 м/с). Ниже уровня грунтовых вод скорости выше (крупные пески 1000—2000, глины 1200—1500, гравий 1500—1800 м/с). В монолитных скальных породах скорости достигают нескольких километров в секунду (известняки и песчаники 3—5, изверженные породы 4—7 км/с). В затронутых выветриванием трещиноватых верхних слоях скальных пород скорость распространения упругих волн менее 2500 м/с.
Сейсмоакустический метод применим при напластованиях, в которых скорость волн возрастает с глубиной. На дорожных изысканиях применяют разновидность сейсмоакустического метода, называемого микросейсморазведкой. При исследовании поверхностных напластований измеряют время в миллисекундах, протекающее между ударом по поверхности грунта и приходом первой волны к установленным на разных расстояниях регистрирующим сейсмографам – геофонам. Поступающие в геофоны сигналы регистрируются записывающим устройством.
Обычно используют портативные переносные установки, дающие возможность производить исследования до глубины 15-20 м. Для работы необходимы оператор и два подсобных рабочих.
Упругие волны возбуждаются ударом кувалды по металлической плите, уложенной на поверхности грунта, или сбрасыванием на нее груза массой 30—40 кг, поднимаемого на высоту 1—1,5 м лебедкой.
Продольные волны, в верхнем слое грунта, достигают геофонов через промежутки времени
t1 = x|v1 ,
где v1 –скорость распространения упругих волн в материале верхнего слоя; x – расстояние от места возникновения ударной волны до геофона.
Через нижний слой волны, распространяющиеся со скоростью v 2 , доходят к тем же геофонам через промежуток времени:
2h x-2h tgφ
t 2 = ----------- + ------------.
V 1 cosφ v 2
На основании закона преломления волн
sin φ 1 v 1
-------- = ---------- ,
sin φ 2 v 2
где φ 1 -угол распространения волны в верхнем слое; v 2 -угол распространения преломленной волны в нижнем
слое; v 1 и v 2 - соответствующие скорости распространения упругих волн.
Если φ 2 = 90° и, следовательно, sin φ 1 = v 1 / v 2 .
При испытаниях к геофонам, расположенным вблизи от места удара, первыми приходят волны, распространяющиеся через поверхностный слой, а к более удаленным — через подстилающий. Эти участки четко различаются на ленте записей и на построенном по данным ее обработ-
ки графике зависимости времени прихода волны от расстояния между местом удара и геофонами. В некоторую точку, расположенную па расстоянии ∆, обе волны приходят одновременно.
Приравнивая для нее выражения для времени прихода волн t можно получить выражение для определения глубины залегания плотного слоя :
h =∆|2√(v 2 - v 1)|(v 2 + v 1).
Сейсмоакустический метод с успехом применялся для выявления оползневых массивов. Зона скольжения, имевшая повышенную влажность и находившаяся в мягкопластичном состоянии, четко выявлялась. Хорошие результаты получены при исследованиях мощности торфяных отложений и рельефа дна болот.