Глава 4. Воздействие подземных вод на горные породы и грунты
Каждая порода (грунт) в обводненном состоянии состоит из минеральных частиц и пустот (пор), частично или полностью заполненных водой.
В скальных породах объем пор очень мал, содержание в них поровой воды практически не имеет значения.
В полускальных породах содержание поровой вод имеет значение для установления степени размягчения породы.
В несвязных грунтах (обломочных и песчаных) степень заполнения пор водой влияет на их сопротивление внешним нагрузкам.
В
связных глинистых грунтах также влияет
на консистенцию и, следовательно, на
сопротивление внешним нагрузкам. Но
при этом учитывается внутреннее строение
грунта: если поры грунта полностью
заполнены водой, и при этом его влажность
,
то вся вода будет физически связана, и
грунт будет находиться в состоянии
твердого тела. При превышении
-
консистенция грунта будет пластичной
или текучей.
§ 1. Гидростатическое и гидродинамическое давление в нескальных грунтах
Вода,
насыщающая поры нескальных пород, может
находиться в состоянии покоя или в
состоянии движения. Когда в обломочном
грунте все поры заполнены водой и между
частицами воды обеспечивается
гидравлическая связь, поровая вода
будет взвешивать частицы грунта по
закону Архимеда,
то есть, возникает
гидростатическое
давление. Как
правило, взвешивающее действие воды
следует учитывать уже при степени
влажности
(по классификации – влажные грунты). В
глинистых грунтах взвешивающее действие
воды проявляется при значении показателя
консистенции JL
0,25 (по классификации
– начиная с границы между полутвердой
и тугопластичной консистенциями).
Когда подземная вода находится в движении, кроме гидростатического давления возникает гидродинамическое давление воды на частицы породы.
Величина гидродинамического давления равна гидравлическому градиенту, умноженному на объемную силу тяжести воды:
.
Направление гидродинамического давления очень важно для устойчивости грунтов. При его действии сверху вниз грунт уплотняется, снизу вверх – разрыхляется.
Например, фильтрация воды под плотиной ГЭС: в верхнем бьефе происходит уплотнение грунта, непосредственно под плотиной – движение частиц грунта по потоку, в нижнем бьефе – вынос частиц грунта вверх.
§ 2. Явление плывунности
Явление плывунности заключается в том, что вскрытые водонасыщенные грунты приходят в движение, приобретая свойства вязкой жидкости.
При этом стенки котлованов, траншей, карьеров начинают оплывать (иногда катастрофические оплывания достигают десятков и сотен тысяч кубических метров). Истечения плывунов иногда сказываются на больших расстояниях от выработок, вызывая внезапные просадки или провалы поверхности (см. рис. 6.15).
Рис. 6.15. Действие плывунного выноса на отдельное строение.
Явление плывунности может возникать по двум причинам:
в результате определенного гидродинамического режима. То есть, плывун – это не какой-то особенный тип грунта, а особое состояние, в котором могут находиться различные грунты (от глин до крупнообломочных грунтов и даже скальные породы – сланцы). Состояние это целиком зависит от величины гидравлического градиента j, и, при изменении гидродинамического режима (уменьшении j), плывучесть исчезает. Такие плывуны называются фильтрационными или псевдоплывунами;
из-за особых свойств грунта, определяемых его минералогическим и гранулометрическим составом. Плывунность возникает на основе тиксотропных изменений структуры грунта. Такие плывуны называются тиксотропными или истинными.
Тиксотропия – явление, которое наблюдается в коллоидных системах и заключается в том, что под влиянием внешнего воздействия (толчок, встряхивание, вибрация, ультразвук) система теряет структуру и разрушается, а после удаления воздействия – восстанавливается. К тиксотропным относят грунты, которые содержат коллоидные частицы, например – тонкие глины.