Инженерная Геология

9. Виды воды в грунтах. Условия залегания и движении, химический состав и агрессивность по отношению к строительным конструкциям подземных вод. Закон Дарси, коэффициент фильтрации. Трещинные подземные воды

Грунтовые воды -подземные воды, залегающие на первом от поверхности земли водоупоре и представляющие собой постоянный во времени и значительный по площади распространения водоносный горизонт.

Гигроскопическая вода - вода, поглощаемая сухим почво-грунтом из воздуха.

Гравитационная вода - подземная вода, способная передвигаться по порам, трещинам и другим пустотам горных пород под влиянием силы тяжести.

Прочносвязанная вода - вода, содержащаяся в грунтах в форме пленки толщиной в 2-3 молекулы воды. Удерживается силами электромолекулярного притяжения. По своим свойствам близка к твердому телу, имеет высокую плотность.

Капиллярные воды - воды, удерживаемые в порах грунта под влиянием капиллярных (менисковых) сил.

Химический состав подземных вод. Подземные воды всегда содержат растворённые газы и соли. Образуясь за счёт атмосферных осадков, они заносят с поверхности Земли растворённые в них кислород, азот, углекислоту. Проходя через почву и горные породы, содержащие органическое вещество, они обогащаются сероводородом, метаном и др. углеводородами. Циркулируя по трещинам горных пород, воды обогащаются карбонатами, сульфатами, хлоридами, а также и трудно растворимыми веществами: кремнезёмом, окислами железа и др. Грунтовые воды сильнее зависят от климата, чем межпластовые. В областях с влажным климатом грунтовые воды обычно пресные или слабо минерализованные. В засушливых областях с замедленной циркуляцией вод они обычно сильнее минерализованы, вплоть до солёных, в которых наряду с карбонатами содержатся сульфаты Na, K, Ca, а также хлористые соли.

Характер минерализации подземных вод сильно зависит от состава пород, по которым они циркулируют. Состав растворимых в воде веществ часто определяет её лечебные свойства. В местах выхода подземных вод с лечебными свойствами, так называемых бальнеологических вод, создаются курорты.

Агрессивная вода - вода, разрушающая бетон, металлы и горные породы. Различают углекислотный выщелачивающий, общекислотный, сульфатный, магнезиальный и кислородный виды агрессивности.

Основной закон фильтрации.

Движение воды в порах горной породы математически выражается следующим образом:

Q=KJW

где Q - расход воды, м3/сут.; К - коэффициент фильтрации м/сут; J - напорный градиент (равен tg угла наклона фунтового потока); W - поперечное сечение фильтрующей породы, м2.

Это выражение сформулировано в 1856 г. французским инженером и по имени автора получило название закона Дарси . Выведено это выражение для пород с ламинарным (параллельно, струйчатым, без пульсации) характером движения подземных вод, которое имеет место в песках, песчаниках и других породах. Позднее Н.Н. Павловским, Т.Н. Каменским и Н.К. Гиринским доказана правомерность этого закона и для гравелистых пород, где скорости достигают 125 м/сут.

Скорость фильтрации из выражения Дарси составляет

Эту скорость фильтрации называют кажущейся, поскольку расход потока отнесен ко всей площади поперечного сечения фильтрующей породы. Если принять напорный градиент за единицу, то коэффициент фильтрации можно рассматривать как кажущуюся скорость движения воды.

Действительную скорость (Vq) представляет собой отношение расхода воды к той части поперечного сечения, которая занята порами:

В глинистых породах, где много физически влаги, не участвующей в гравитационном движении воды и заполняющей поры, различают активную пористость (Пакт), показывающую какая часть сечения породы способна пропускать движущуюся воду

Где WММВ - максимальная молекулярная влагоёмкость в долях единицы; yск - объемный вес скелета породы.

Трещинные подземные воды- подземные воды циркулирующие в трещинах скальных грунтов. Они перемещаются по трещинам разного происхождения: тектоническим разломам, трещинам отдельных магматических массивов, трещинам выветривания и образуют единую гидравлическую систему, напоминающую систему сообщающихся сосудов.

Схема залегания трещинных вод:

1-трещинноватые породы зоны выветривания;2-трещинно-грунтовые воды;3-уровень трещинно-грунтовых вод;4-нижняя граница зоны выветривания;5-монолитные породы;6-тектонические разломы с трещинно-жильными напорными водами;H-напор трещинных вод над кровлей тоннеля;С-скважины

В верхней зоне массивов скальных грунтов до глубины 100м. развиты трещинно-грунтовые воды. Они пополняются за счет инфильтрации атмосферных осадков. Водообильность их определяется интенсивностью пополнения и степенью трещиннватости горных пород. Скальные грунты долины рек тектонического происхождения более водообильные, чем грунты, слагающие водоразделы. При вскрытии трещинно-грунтовых вод горной выработки с поверхности они ведут себя как обычные не напорные грунтовые воды.

Ниже по разрезу в зонах глубоких тектонических разломов залегают трещинно-жильные воды. Это линейно вытянутые водные потоки, уходящие в глубину до нескольких сот метров. Питаются они за счет просачивания трещинно-грунтовых вод, т.е. также за счет инфильтрации атмосферных осадков.

Разновидностью трещинно-жильные воды являются карстовые воды, циркулирующие по трещинам и пещерам карстового происхождения. Карстовые воды перемещаются в виде речных потоков по системе сообщающихся пещер или заполняются изолированные подземные полости и создают большие запасы. Питание карстовых вод происходит также за счет инфильтрации атмосферных осадков или за счет просачивания воды из поверхности рек.

В горно-складчатых областях в зонах тектонических разломов и в карстовых пещерах трещинно-жильные и карстовые воды сосредоточены в виде гигантских объемов и обладают повышенным напором. При строительстве подземных транспортных сооружений зачастую происходят внезапные водообильные прорывы трещинно-жильные вод, что в значительной степени осложняет строительство.

Химический состав как трещинно-жильных, так и карстовых вод определяется составом вмещающих их горных пород. В зоне интенсивного водообмена трещинно-жильные обычно пресные, гидрокарбонатные в (известняках) или жесткие сульфатные (в гипсах)

10. Геологические процессы в грунтах,обусловленные воздействием подземных вод

Просадочные явления -просадки, уплотнение грунта, находящегося под действием внешней нагрузки или только собственного веса. Происходит при искусственном замачивании (в лёссе и лёссовидных отложениях), оттаивании (термические просадки в мёрзлых грунтах), динамических воздействиях (вибрационные просадки). Величина про седания поверхности, вызванная просадкой грунтов, колеблется от долей см до 2 м. Просадки могут вызывать образование трещин на поверхности и в массиве грунта. Если фильтрация влаги в просадочных при замачивании грунтах происходит после окончания П. я., то возможна послепросадочная деформация грунта за счёт выщелачивания из него водорастворимых соединений. Причины П. я. (в лёссе и лёссовидных отложениях) - недоуплотнённое состояние грунта с теряющими прочность при замачивании связями частиц. При данной влажности грунта каждой величине давления отвечает определённая его пористость, уменьшающаяся с возрастанием давления. Междучастичные связи в грунте могут задержать его уплотнение, несмотря на увеличение (под влиянием веса новых отложений или построенных сооружений) давления, благодаря чему создаётся несоответствие пористости давлению - недоуплотнённое состояние. При снижении прочности связей частиц грунта (например, при замачивании лёсса в результате утечек из водопроводной сети или при повышении уровня грунтовых вод вблизи водохранилищ) возникают П. я. Недоуплотнённое состояние лёсса и лёссовидных отложений характерно для засушливых полупустынных или степных районов (Средняя Азия, Украина, Северный Кавказ, Китай, юг Центральной Европы, бассейн Миссисипи). Термические П. я. могут протекать в зоне развития многолетнемёрзлых горных пород.Просадочные свойства лёсса и лёссовидных грунтов изучаются в компрессионных приборах, путём замачивания котлованов и др. способами. Отношение величины уплотнения грунта при замачивании к первоначальной высоте образца грунта называется относительной просадочностью (изменяется от 0 до 0,1 и больше). П. я. возможны при возрастании влажности грунта до некоторой величины (начальная влажность просадки) и при давлении, превышающем некоторую величину (начальное давление просадки). Условия строительства на лёссе и лёссовидных грунтах подразделяются на два типа: просадки поверхности земли под действием собственного веса замоченного грунта менее 5 см, просадки поверхности более 5 см. Разные типы условий требуют различных строительных мероприятий. Для борьбы с П. я. в строительстве производится замачивание грунтов, силикатизация, уплотнение, обжиг (см. Закрепление грунтов, Уплотнение грунтов), осуществляются конструктивные мероприятия и устраняются возможности замачивания оснований сооружений. Просадочность - явление, свойственное лессам, и лессовидным грунтам и связанное с воздействием воды на структуру грунта с последующим ее разрушением и уплотнением под весом самого грунта или же при суммарном давлении собственного веса и веса сооружения.

Плывуны - насыщенные водой рыхлые отложения, способные в результате давления вышележащих толщ и других механических воздействий переходить в текучее состояние, при вскрытии их в котлованах, горных выработках, выемках ведут себя подобно вязким жидкостям, приходя в движение и оплывая. Различают псевдоплывуны и истинные (тиксотропные) плывуны. При промерзании плывун подвергается сильному пучению, слабо фильтрует воду.

Борьба с плывунами сводится к их осушению. При проходке туннелей, горных выработок и пр. применяют специальные щиты, кессоны, замораживание и т.п.

Набухание грунта - увеличение объема грунта при его смачивании. Свойственно главным образом глинистым грунтам.

Суффозия(от лат. suffossio - подкапывание, подрывание)-выщелачивание, вынос мелких минеральных частиц и растворимых веществ водой, фильтрующейся в толще горных пород. Суффозия приводит к нарушению микроагрегатной структуры грунтов; вызывает оседание всей вышележащей толщи с образованием на земной поверхности мелких и крупных замкнутых понижений (микрозападин, блюдец, западин, воронок, падин) диаметром до 10, редко до 100-500 м.

Морозное пучение-увеличение объёма промерзающих влажных почв и рыхлых (главным образом, глинистых и пылеватых) горных пород вследствие кристаллизации в них воды (образующей ледяные прослойки, линзы и т. д.) и разуплотнения минеральных частиц. Наблюдается в областях распространения сезонно- и многолетнемёрзлых пород. Морозное пучение вызывает неравномерное поднятие промерзающих толщ; неодинаковая величина поднятия объясняется различиями в условиях промерзания, составе пород, их влажности, плотности. Наиболее подвержены морозному пучению глинистые породы, поскольку их пучение зависит не только от собственной влажности, но и от миграционной влаги, поступающей в промерзающий грунт из смежных немёрзлых зон. Напряжения, возникающие в грунтах при морозном пучении способны вызвать разрыв корневой системы растений, деформации и смещения сооружений и т. п. Для предупреждения неблагоприятных последствий морозного пучения проводят мелиоративные работы, обрабатывают грунт веществами, изменяющими его физико-химические свойства; применяют специальные строительные конструкции.

Список литературы

1. Черноусов С.И. Основы инженерной геологии для транспортных строителей Новосибирск ИЗД-во СГУПСа 2007 212с.

2. Черноусов С.И. ,Крицкий М.Я., Сухорукова А.Ф. Инженерноя геология Западно-Сибирской железной дороги.

Новосибирск ИЗД-во СГУПСа 2005 144с.

3. Черноусов С.И. Инженерная геология

Новосибирск ИЗД-во СГУПСа 1999 75с.

4. Черноусов С.И. Инженерная геология учебно-методические материалы

Новосибирск ИЗД-во СГУПСа 2004 21с.

5. Web-сайты