Геофизические изыскания

Место геофизики в изысканиях

Геофизические исследования — самостоятельный вид работ или часть инженерно-геологических изысканий; они выполняются на всех стадиях проектирования в сочетании с другими видами геологических работ. Исследования позволяют определить свойства и агрегатное состояние грунта, глубину залегания подпочвенных вод, наличие трещин и карстовых разломов, установить геологический разрез.

Общие требования задают СП 47.13330.2016 и СП 446.1325800.2019 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Общие правила производства работ». Более ранний СП 11-105-97, часть VI «Правила производства геофизических исследований», применяется как справочное пособие в части, не противоречащей действующим сводам правил: его методические разделы остаются рабочими, но нормативную силу документа заменили новые своды.

Что геофизика может, а чего не может

Это единственное, что стоит понять про метод до того, как заказывать работы.

Геофизика измеряет не грунт, а физическое поле: электрическое сопротивление массива, скорость прохождения упругих волн. Связь между полем и геологией существует, но она не взаимно однозначна — одной и той же измеренной кривой может соответствовать несколько вариантов разреза. Это свойство метода, а не признак плохого исполнения.

Отсюда два практических следствия.

Геофизика без бурения — гипотеза. Чтобы перевести сопротивления и скорости в геологические границы, нужна привязка к скважине с описанием керна: она задаёт соответствие «такое сопротивление — такой грунт». Одна-две опорные скважины делают всю сеть профилей количественной.

Бурение без геофизики — точки без картины. Скважина даёт достоверные сведения ровно в своём стволе. Что происходит между скважинами — линза, погребённая ложбина, ослабленная зона — из точечных данных не следует; их приходится соединять интерполяцией, которая и подводит.

Рабочая схема — сочетание: сеть геофизических профилей задаёт непрерывную картину, минимально необходимое число скважин её заверяет и калибрует. Это и есть механизм экономии, о котором обычно говорят: суммарная стоимость выходит ниже, чем у сплошного бурения по регулярной сетке, а информации получается больше.

Методы и что отвечает каждый

Вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) — электроразведка постоянным током. Постепенно увеличивая разнос питающих электродов, получают распределение удельного электрического сопротивления по глубине в точке наблюдения. Задачи: расчленение разреза по вертикали, мощность рыхлых отложений над коренными породами, положение уровня подземных вод, выделение водонасыщенных и глинистых слоёв — они отличаются по сопротивлению уверенно.

Электропрофилирование (ЭП) решает обратную задачу — не по вертикали, а по площади. Установка с фиксированным разносом перемещается по линии с шагом 10–20 м, и результат показывает, как меняются свойства массива на примерно постоянной глубине. Так находят границы, разломные и трещиноватые зоны, участки обводнения, контуры техногенных тел.

Малоглубинная сейсморазведка методами преломлённых (МПВ) и отражённых (МОВ) волн даёт скоростной разрез. Скорость упругих волн напрямую связана с плотностью и степенью сохранности массива, поэтому метод уверенно выделяет кровлю скальных или полускальных пород, зоны разуплотнения и выветривания. Возбуждение колебаний ручное или механическое — взрывные методы при инженерных изысканиях обычно не используются, так как необходимая глубинность достигается и без них.

Электрический каротаж скважин градиент- и потенциал-зондами работает непосредственно в стволе. Задачи — уточнение границ между грунтами различного состава, выделение слоёв с различной криогенной структурой, обнаружение прослоев льда, определение общей льдистости грунтов. Каротаж — это и есть та привязка, которая делает наземные наблюдения количественными.

В условиях вечной мерзлоты шире всего применяются ВЭЗ и электропрофилирование: они определяют границы талых и вечномёрзлых грунтов, выявляют зоны подземных льдов и отслеживают положение границы между талыми и мёрзлыми грунтами. Мёрзлый грунт резко отличается по сопротивлению от талого, поэтому электроразведка здесь особенно результативна.

Как норматив назначает комплекс и густоту сети

Вопрос «сколько профилей и с каким шагом» — не предмет договорённости на объекте. СП 446.1325800.2019 задаёт и логику выбора методов, и ориентировочные объёмы, и обязательную процедуру заверки.

Классификация — по двум независимым признакам. Геофизические методы подразделяются: по изучаемым физическим полям — электромагнитные, сейсмические и сейсмоакустические, магнитометрические, гравиметрические, ядерно-физические, газово-эманационные, термометрические; по технологии способа измерений — аэрокосмические, наземные, экваториальные, скважинные, подземные, лабораторные. Один и тот же метод может выступать в разных технологических исполнениях: электроразведка бывает наземной, скважинной и лабораторной, и это три разные работы с разной глубинностью и разной ценой.

Комплекс обосновывается в программе, а не подбирается по факту. Выбор геофизических методов, их комплексирование и объёмы работ обосновываются в программе с учётом поставленных в задании задач, вида градостроительной деятельности, уровня ответственности зданий и сооружений, сроков и времени (сезона) проведения работ, сложности инженерно-геологических, природных и техногенных условий территории (трассы), её размеров. Норматив прямо объясняет, зачем нужно именно сочетание: «Сочетание различных методов позволяет уменьшить неоднозначность интерпретации результатов работ и повысить их достоверность». Это ровно та неоднозначность обратной задачи, о которой сказано выше: один метод даёт семейство решений, два независимых поля отсекают большую часть вариантов.

Параметрические измерения — обязательная часть, а не опция. Для обеспечения достоверности и точности интерпретации проводят параметрические измерения, которые выполняют одновременно с изучением геологической среды комплексом других видов работ — проходкой горных выработок, зондированием, определением характеристик грунтов полевыми и лабораторными методами. Параметрические измерения выполняют вблизи инженерно-геологических скважин; они позволяют сопоставить литологические границы и границы изменения геофизических параметров района исследований, а также установить корреляционные связи между геофизическими и физико-механическими характеристиками грунтов. Другими словами, привязка к скважине — не наша добрая воля, а требование свода правил.

Под каждую задачу — свой набор основных и вспомогательных методов. Приложение Г разделяет методы по задачам. Для рельефа кровли скальных и мёрзлых грунтов, мощности нескальных и талых перекрывающих грунтов основными названы ВЭЗ, ДЭЗ, ЭТ, МПВ, МОВ, ОГТ, MASW, ЧЭМЗ, ГРЛ, ЗС, НСП и группа методов высокого разрешения. Для зон трещиноватости и тектонических нарушений, оценки их современной активности — ВЭЗ, ЭТ, ЭП, МПВ, МОВ, ОГТ, MASW, ВСП, ЗС, каротаж, ЕП, газово-эманационные методы, ЕИЭМПЗ, магниторазведка, ГРЛ. Для карстовых полостей и подземных выработок — ЭТ, ЭП, ВЭЗ, КВЭЗ, МОВ ОГТ, ВСП, сейсмическое просвечивание, ГЭМ, ЗС, ДЭЗ. Для погребённых останцов и локальных переуглублений в скальном основании — МОВ ОГТ, ВЭЗ, ЭТ, ВЭЗ МДС, ЭП. По гидрогеологии набор другой: глубина залегания подземных вод — МПВ, ВЭЗ, ЯМР, ГРЛ; направление, скорость движения и места разгрузки подземных вод, изменение их состава — резистивиметрия, метод заряженного тела, ЕП, ВЭЗ, ЯМР; загрязнение подземных вод — ВЭЗ, ЭТ, ЕП, резистивиметрия.

Сокращения расшифровываются там же, в приложении Г: ВЭЗ — вертикальное электрическое зондирование, ЭП — электропрофилирование, ЭТ — электротомография, МПВ — метод преломлённых волн, Кар — каротаж комплексный, ЕП — метод естественного электрического поля, Рез — резистивиметрия, МЗТ — метод заряженного тела, ЭК — электрокаротаж, ГРЛ — георадиолокационное зондирование, ЯМР — метод ядерно-магнитного резонанса, MASW — метод поверхностных волн, УЭС — удельное электрическое сопротивление.

Густота сети зависит от этапа. Приложение Д даёт ориентировочные объёмы. Для изучения в плане и разрезе геологических границ, обусловленных сменой литологического состава, степени трещиноватости, обводнённости грунтов, состояния (талого, мёрзлого): на стадии планировки территории и выбора площадки электроразведочное профилирование ведут с расстоянием между профилями 500–750 м и шагом по профилю 10–20 м, электроразведочных зондирований назначают 10–20 точек на 1 км², скважинных методов — 2–10 на 1 км². На стадии проектной документации сеть сгущается на порядок: расстояние между профилями 50–250 м, шаг 5–10 м, 20–50 точек зондирования на 1 км², 10–50 скважинных наблюдений на 1 км².

Для обнаружения и изучения локальных неоднородностей — карстовых, тектонических, техногенных — сеть ещё плотнее: на стадии планировки 100–500 м между профилями при шаге 10–20 м, на стадии проектной документации 25–50 м между профилями при шаге 5–10 м. Норматив оговаривает, что густота сети в пределах указанных диапазонов зависит от масштабов съёмки, определяемых сложностью инженерно-геологических условий, уровнем ответственности проектируемого сооружения и этапом выполнения изысканий, и что при назначении объёмов необходимо учитывать количество профилей и точек наблюдений, выполненных ранее. Последнее — прямое основание не переплачивать: ранее выполненные профили засчитываются.

Определение состава, строения, состояния и получение электрофизических и упругих свойств грунтов приложение Д выделяет отдельной строкой, и объёмы наземных работ по ней не нормируются — они назначаются по дополнительному требованию в задании. Это значит, что если вам нужны количественные свойства грунта, а не разрез, объём работ надо оговаривать в задании прямо, иначе он в смету не попадёт.

Что мы сознательно не утверждаем. Примечания к таблице Г.3 — о разделении методов на обязательные и применяемые для специальных задач, о требованиях к MASW при сейсмическом микрорайонировании и об оценочном характере физико-механических характеристик, полученных геофизикой, — мы проверили только по одному источнику полного текста: второй доступный ресурс обрывает таблицу до примечаний. Поэтому здесь мы их не цитируем как норму, хотя по существу придерживаемся того же: геофизические оценки свойств грунта в наших отчётах всегда сопровождаются заверкой лабораторными или полевыми испытаниями.

Задачи, под которые заказывают геофизику

• Мощность техногенных грунтов и рельеф кровли коренных пород — сколько насыпи и слабых отложений лежит над надёжным основанием и как эта граница меняется по участку.
• Ослабленные и обводнённые зоны — участки, где основание неоднородно и осадка будет неравномерной.
• Трещиноватость, разломные зоны, карстовые проявления — выделение аномалий для последующей заверки бурением.
• Коррозионная агрессивность грунтов и блуждающие токи — исходные данные для трубопроводов, подземных конструкций и заземляющих устройств.
• Контроль однородности основания на большой площади — там, где объект протяжённый и сетка скважин заведомо не покрывает изменчивость.

УЭС грунта: коррозия, защита, заземление

Измерение удельного электрического сопротивления грунтов (УЭСГ) — самая частая прикладная задача, и она выходит далеко за рамки геологии. От УЭС зависят коррозионная агрессивность грунта к стали, параметры электрохимической защиты трубопровода и расчёт заземляющего устройства: чем ниже сопротивление, тем агрессивнее среда и тем эффективнее заземление.

Вторая составляющая — блуждающие токи. В Петербурге их основной источник — электрифицированный транспорт: трамвайные линии, железная дорога, метрополитен. Вблизи них коррозионная опасность подземных стальных конструкций заметно выше, и по данным УЭС грунта и измеренных блуждающих токов оценивается коррозионная опасность трубопровода — например, при изысканиях магистральных и локальных газопроводов.

Коррозионная агрессивность по ГОСТ 9.602-2016: показатели, границы, методика

Измерение УЭС — не самостоятельная цифра, а вход в нормативную шкалу. ГОСТ 9.602-2016 «Единая система защиты от коррозии и старения. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии» задаёт, что именно измеряется, где проходят границы и как выполняется замер.

Три показателя, а не один. Коррозионная агрессивность грунта и почвенно-грунтовых вод по отношению к стальным подземным сооружениям характеризуется значениями удельного электрического сопротивления грунта (почвенно-грунтовых вод); средней плотностью катодного тока; наличием (или отсутствием) признаков биокоррозии. Для оценки агрессивности к стали определяют УЭС, измеренное в полевых или лабораторных условиях, и среднюю плотность катодного тока при смещении потенциала на 100 мВ отрицательнее стационарного потенциала стали в грунте.

Границы шкалы. Низкая агрессивность — УЭС свыше 50 Ом·м и средняя плотность катодного тока до 0,05 А/м² включительно. Средняя — УЭС свыше 20 до 50 Ом·м включительно и плотность тока свыше 0,05 до 0,20 А/м² включительно. Высокая — УЭС до 20 Ом·м включительно и плотность тока свыше 0,20 А/м².

Два практических упрощения, которые экономят деньги. Первое: если по УЭС уже установлена высокая коррозионная агрессивность грунта, другой показатель не определяют — платить за определение плотности катодного тока не нужно. Второе: если УЭС, измеренное в полевых или лабораторных условиях, равно или более 130 Ом·м, коррозионную агрессивность считают низкой и по средней плотности катодного тока не оценивают. То есть шкала работает в обе стороны: и явно агрессивный, и явно неагрессивный грунт закрываются одним замером.

Как выполняется полевой замер. УЭС измеряют непосредственно на трассе подземного трубопровода, без отбора проб, по четырёхэлектродной схеме полевыми электроразведочными приборами; электроды — стальные стержни длиной от 250 до 350 мм и диаметром от 15 до 20 мм. Электроды размещают на поверхности земли на одной прямой линии, совпадающей с осью трассы для проектируемого сооружения; для уже уложенного в землю сооружения — на линии, проходящей перпендикулярно или параллельно, на расстоянии в пределах от 2 до 4 м от оси сооружения. Измерения выполняют с интервалом от 100 до 200 м в период, когда на глубине заложения сооружения отсутствует промерзание грунта. Расстояние между электродами принимают равным глубине прокладки подземного сооружения, а глубина забивания электродов в грунт должна быть не более 1/20 расстояния между электродами.

Отсюда два вывода, которые обычно и становятся предметом спора с подрядчиком. Замер «зимой по мёрзлому грунту» нормативу не соответствует, если промерзание достигло глубины заложения. И разнос электродов не произволен: он привязан к проектной глубине трубы, поэтому до замера нужно знать, на какой отметке пойдёт трубопровод.

Лабораторный вариант. Когда полевой замер невозможен, пробы грунта отбирают в шурфах, скважинах и траншеях из слоёв, расположенных на глубине прокладки сооружения, с интервалами от 50 до 200 м, на расстоянии от 0,5 до 0,7 м от боковой стенки трубы. Для пробы берут от 1,5 до 2 кг грунта, удаляя твёрдые включения размером более 3 мм. Перед измерением отобранную пробу песчаных грунтов смачивают до полного влагонасыщения, а глинистых — до достижения мягкопластичного состояния. Именно поэтому лабораторное и полевое значения по одному и тому же участку могут расходиться: лабораторная проба приводится к нормированному состоянию влажности, полевая — измеряется как есть.

Блуждающие токи: критерий проверяемый. Критерием наличия блуждающих токов от источников постоянного тока в грунте служит значение разности потенциалов, измеренное относительно электродов сравнения между двумя отстоящими друг от друга на расстоянии 100 м точками на поверхности земли; измерения проводятся в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Если максимальная разность потенциалов превышает 0,5 В, это означает наличие блуждающих токов. Для Петербурга это рабочая, а не теоретическая проверка: рельсовый транспорт на постоянном токе — трамвай, метрополитен, электрифицированная железная дорога — даёт именно такую картину, и вблизи путей порог перекрывается регулярно.

Биокоррозия оценивается визуально на первом шаге. Критерием биокоррозионной опасности, связанным с воздействием сульфатредуцирующих бактерий, может являться наличие визуальных признаков оглеения грунта — окрашенности грунта в сероватые, сизые, голубоватые тона — и наличие в грунте восстановленных соединений серы. Это дешёвый отсекающий признак: если оглеения нет, дорогие микробиологические исследования обычно не нужны.

Что из этого следует для проекта. Независимо от коррозионной агрессивности грунта для всех подземных сооружений предусматривают применение защитных покрытий в качестве основного метода защиты. Стальные подземные трубопроводы и резервуары, расположенные в грунтах средней и высокой коррозионной агрессивности и биоагрессивных грунтах, а также в зонах опасного действия блуждающих постоянных и переменных токов, подлежат защите средствами электрохимической защиты. Поляризованные и усиленные дренажи применяют именно при защите от коррозии, вызываемой блуждающими постоянными токами рельсового транспорта, электрифицированного на постоянном токе. Есть и дополнительный метод, о котором заказчики забывают: выбор трасс прокладки проектируемых стальных сооружений при прочих равных условиях с учётом опасности воздействия блуждающих и индуцированных токов — то есть трассу иногда дешевле сдвинуть, чем защищать.

Отдельная строка касается свай и опор: опасность коррозии переменным током промышленной частоты для несущих конструкций, используемых в качестве заземляющих устройств (естественных заземлителей), определяется плотностью тока, стекающего с поверхности арматуры подземных конструкций в грунт, и опасность существует, если плотность тока превышает 1 А/м². На площадках рядом с ЛЭП и тяговыми подстанциями это переводит вопрос из области электрики в область фундаментов.

Что мешает работам

Геофизика чувствительна к обстановке, и честная программа учитывает это заранее:

• подземные металлические коммуникации, кабели, армированные покрытия и ограждения искажают электрическое поле;
• блуждающие токи от электротранспорта создают помеху для электроразведки постоянным током;
• вибрационный фон от дорог, техники и производств ухудшает качество сейсмических записей;
• методу нужна свободная линия на местности: разнос электродов и расстановка сейсмоприёмников не помещаются в тесном дворе;
• сезонное промерзание верхнего слоя меняет его свойства и требует поправок при интерпретации.

На непригодных участках профили смещаются, схема наблюдений меняется или задача решается скважинными методами. Замалчивать помехи нельзя: интерпретация зашумлённых данных как достоверных — самый быстрый способ получить неверный разрез.

Результат

По завершении комплекса составляется итоговый технический отчёт с подробным геофизическим и геологическим описанием объекта: состав и мощность рыхлых отложений, литологическое строение пород, применённые методы и результаты с указанием зон повышенного риска — трещин, обводнений, тектонических нарушений. Отчёт содержит геофизические разрезы и карты по профилям наблюдений, а также две сводные таблицы геофизических исследований, которыми дополняется отчёт по инженерно-геологическим изысканиям.

Дополнительно определяются глубина залегания грунтов и подземных вод, направление движения водных потоков и гидравлические параметры водоносных горизонтов. Геофизика зачастую заметно снижает стоимость изысканий, избавляя от части дорогостоящих полевых геологических и гидрогеологических работ, — и одновременно показывает то, чего сетка скважин не покажет в принципе: что происходит между ними.