Наблюдения за осадками земной поверхности, возникающи­ми в результате дренирования подземных вод, дают надежную ин­формацию для определения деформационных свойств пород, во­влекаемых в процессы дренирования и оседания.

Глава 18

СУФФОЗИЯ И ФИЛЬТРАЦИОННЫЙ ВЫПОР

Для возникновения и развития механической суффозии необ­ходима обстановка, характеризующаяся тремя условиями: наличи­ем водоносного песка, фильтрационного потока в нем и среды, в которой может аккумулироваться выносимая водой мелкозернис­тая песчаная масса. Без любого из этих трех условий механичес­кая суффозия проявиться не может, но их выполнение еще не означает достаточности. В качестве определяющих факторов суф­фозии выступают, с одной стороны, энергия водного фильтраци­онного потока, зависящая от его скорости согласно закону Дарси V = kJ (где к — коэффициент фильтрации, J — гидравлический градиент), а с другой — сопротивление мелких частиц песка, на­ходящихся в поровом пространстве между более крупными зерна­ми, т. е. степень неоднородности водоносного песчаного грунта К_и = Л₆₀Л/₁₀ (где d_bQ и d_l0 — соответственно контрольный и эф­фективный диаметры песчаных зерен). Таким образом, в условиях предельного равновесия величина энергии фильтрационного пото­ка Э_в = f(k, J) будет равна величине сопротивления \|/(£, К_ц). Ко­эффициент фильтрации оказывает влияние на обе величины: в первом случае — на скорость в соответствии с законом Дарси, а’ во втором — как показатель пористости песка. Следовательно, на­рушение равновесного состояния, которое обычно формируется в ес­тественных условиях, может произойти при разных значениях Э_в и F, но при их отношении для одного и того же песка Э_t/F> 1. В. С. Истомина провела лабораторные эксперименты с разными песками и по их результатам построила кривую зависимости в ко­ординатах J — К_и, разграничивающую опасную область, где суффо­зия возможна, от области безопасной, где она происходить не будет (рис. 18.2). Разрушающий градиент при восходящем потоке по исследованиям В. С. Истоминой составляет

396

1 + 1000 •

*>«

Рис. 18.3. Схема дренажно-пригрузочного устройства на откосе, подвер­женном суффозионному процессу.

1 — искусственный откос; 2 — уровень грунтовых вод; 3 — дренажно-пригрузоч-

ная призма.

формами суффозионной природы. При разработке Лебединского месторождения КМА подобное явление наблюдалось в меловых слабосцементированных песках при их разработке пионерного котлована земснарядами без водопонижения. Это привело к росту градиентов фильтрации, выносу песка по трещинам, образованию подземных пустот и одной провальной воронки диаметром более 5 м и глубиной более 3 м на уступе карьера. Ограничение фильт­рационного выноса произошло после пригрузки крупным песком трещин, из которых поступал выносимый материал, и включения водопонизительной системы.

Вынос рыхлого материала, заполнителя трещин в твердых скальных породах, происходит при заполнении водохранилищ или при водных прорывах в подземные горные выработки. Наблюде­ния в котлованах Каховской и Червакской ГЭС показали, что вынос рыхлого заполнителя происходил при градиентах J> 2.

ФИЛЬТРАЦИОННЫЙ ВЫПОР

Выход фильтрационного потока в основание гидротехнических сооружений или на откосную поверхность при относительно высо­ких градиентах (> 1) вызывает деформацию и вынос всего грунта в виде выпора. Уравнение равновесия сил, действующих на объем песка, находящегося на поверхности затопленного откоса, имеет вид:

= (18.4)

где G — сила веса; F — сила взвешивания; Ф — гидродинамичес­кое давление, направленное по нормали к откосной поверхности и вызывающее выпор песка; тр — угол внутреннего трения песка;

лит указывают соответственно на нормальные и касательные со­ставляющие сил. _ _ _

Для единичного объема грунта IG - F\ = у_в, а 1Ф1 = у₀У, поэтому уравнение примет вид

(у_в cos а - у₀7) tg ф = y_g sin а, (18.5)

где а — предельный угол устойчивого на выпор откоса; J — гра­диент потока; у₀ — удельный вес воды; у_в — удельный вес взвеши­ваемого грунта.

Для определения значения а необходимо знать градиент филь­трационного потока. Однако величина J изменяется в зависимости от многих факторов, поэтому во избежание выпора пригрузочные призмы, параметры которых определены расчетным путем, выпол­няют из более крупного песка или гравия.

По наблюдениям на фильтрующих откосах можно сделать вывод о локальности проявления фильтрационных деформаций и об изме­нении угла откоса на небольших участках.

Глава 19

ПЛЫВУННЫЕ ЯВЛЕНИЯ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ЗНАЧЕНИЕ

Термином «плывун» обозначают быстрое перемещение водона­сыщенных рыхлых песчано-глинистых пород при их вскрытии строительными и горными работами. Это определение не является исчерпывающим для такого сложного процесса, но оно указывает с самого начала на одно важное обстоятельство. В геологической и технической литературе встречаются термины, которые одно­временно используются для обозначения как самого процесса, так и его результата (явления). К ним относятся, например, карст, оползень, сель, суффозия и др. Аналогично понятие «плывун» ис­пользуют как для обозначения процесса движения породных масс, так и тела оплывших пород. Однако в процессе его изучения и прогнозирования термин «плывун» стали относить и к горным по­родам, в которых он возникает и развивается. Часто можно встре­тить высказывания типа «песок по своему составу является плыву­ном». Но такой песок может и не перейти в плывун, если к нему не прикладывать определенного воздействия. Рыхлый песок может уплотняться, плотный — разжижаться, но плывуном он станет только в процессе изменения состояния, в котором он находится в геологическом разрезе (природном или техногенном). Естествен­но, что одни породы проявляют более интенсивную плывунность,

другие — менее интенсивную, так же как карсту подвергаются разные породы, а степень просадки лёссов зависит от многих фак­торов. Любая горная порода имеет свой «паспорт» состава и со­стояния, который определяет ее склонность (потенциальную воз­можность) к возникновению и развитию характерного для нее процесса при соответствующем воздействии. Именно так обстоит дело с песками, которые переходят в плывуны.

Наиболее полное описание внешних признаков плывунов по результатам их изучения в котлованах для гидротехнических со­оружений дал А. Ф. Лебедев в 1935 г. Главными среди них явля­ются:

• немедленное проявление при углублении в воднонасыщен­ный слой песка;

заполнение выработанного пространства (частично или це­ликом) после прекращения выемки грунта;

формирование пещер в стенках котлована по мере его уг­лубления, в результате чего происходит обвал вышележащих пород;

образование от стен котлована к его центру пологих отко­сов, поверхность похожа на свежезалитый цемент;

затрудненное вхождение лопаты в тело плывуна, однако, после ее раскачки, это происходит под давление ее собственного веса;

ощущение слабой влажности куска плывуна в руке; при встряхивании на ладони его поверхность становится блестящей и края начинают стекать; весовая влажность этих «капель» состав­ляет по лабораторным определениям 15—17 %;

«затягивание» плывуном предметов: если встать ногами на тело плывуна и начать раскачиваться, то в течение 10 мин они погружаются в грунт на 10—15 см и вытащить их обратно доволь­но сложно; иногда при этом отрываются подошвы обуви;