книги из ГПНТБ / Климов О.Д. Основы инженерных изысканий учеб. пособие

статического давления вода в скважине установится на уровне, близком к пьезометрическому, или даже может фонтанировать. Величина напора будет зависеть от разности высот А Н водоносного пласта и пьезометрического уровня.

Напорные артезианские воды характеризуются высокой водообильностыо, которая зависит от мощности и выдержанности пласта и от площади питания. На конкретном участке может наблюдаться несколько напорных водоносных слоев.

Артезианские воды широко распространены по территории

Рис. 7. Артезианский бассейн

Из других видов напорных вод могут быть названы межмерзлотные и подмерзлотные, свойственные условиям вечной мерзлоты.

При изучении подземных вод для строительства важное значение имеют их физические и химические свойства.

Характеристиками физических свойств воды являются: темпе­ ратура, цвет, прозрачность, вкус, запах, электропроводность, ра­ диоактивность.

Наиболее важная из названных характеристик — температура воды, так как она является косвенной характеристикой происхожде­ ния и условий циркуляции воды и, кроме того, с изменением темпе­ ратуры воды меняется ее растворяющая способность. С повышением температуры растворимость минералов и горных пород обычно растет, растворимость газов, наоборот, падает.

Деление подземных вод по температурному состоянию:

Холодные подземные воды обычно приурочены к районам распро­ странения вечной мерзлоты и к высокогорным областям, покрытым вечным снегом. Подземные воды с высокой температурой встре­ чаются на больших глубинах и в вулканических областях. В средней полосе температура грунтовых вод обычно держится на уровне 5—20°.

31

Температуру воды в открытых бассейнах и источниках измеряют ртутным термометром с градуировкой через 0,5 или 0,2° или электри­ ческими термометрами (полупроводниковые термисторы). В сква­ жинах и колодцах температуру измеряют специальными «ленивыми» термометрами. Для того чтобы обычный термометр сделать ленивым, нужно его корпус, особенно шарик с ртутью, поместить в кожух из плохо проводящего тепло материала и пространство между стен­ ками кожуха и термометром заполнить войлоком, ватой или мелкой крошкой пробки, оставив открытой шкалу термометра.

При измерениях температуры воды необходимо указать также температуру воздуха, состояние погоды и, конечно, дату.

Для измерений температуры воды применяются также термо­ метры максимума и термометры минимума.

Другие физические показатели состояния воды обычно оценивают или приближенно или применяют методы, рекомендуемые соответ­ ствующими ГОСТ.

При использовании воды на хозяйственно-питьевые нужды оце­ нивается ее санитарное состояние. Эта оценка должна установить степень загрязнения подземных вод сточными водами и пригодность ее для питья. Вода должна быть прозрачной, бесцветной, не иметь запаха н неприятного привкуса, не содержать болезнетворных бакте­ рий (кишечная палочка), больше определенной нормы растворимых веществ.

Важной характеристикой грунтовых вод является их химизм. Знание химизма важно потому, что подземная вода может содер­ жать ионы некоторых химических элементов и растворов и в связи с этим разрушать подземные (подводные) части сооружений, т. е.

бетонные части сооружения может привести к выщелачиванию бе­ тона, образованию пустот, раковин и в конечном счете к полному разрушению сооружения. Зная агрессивность воды, можно подбором состава бетона, использованием определенных марок цемента и при­ менением защитных покрытий избежать разрушающего действия агрессивной воды.

Агрессивность воды определяется на основе химических анали­ зов. В зависимости от содержащихся в воде ионов агрессивность воды может быть кислотной, щелочной, углекислой, сульфатной, магне­ зиальной.

Кислотная агрессивность определяется концентрацией в воде

центрация составляет ІО-7. Упрощенно это записывают так: pH = 7. Вода, содержащая такую концентрацию иона водорода, является нейтральной. Если концентрация иона водорода возрастает (pH <; 7), то вода приобретает кислотные свойства, а при pH = 0 становится

32

нормальным раствором кислоты. При уменьшении концентрации водородного иона (pH > 7 ) у воды появляются нежелательные щелочные свойства (рис. 8 ), они ведут к выщелачиванию бетона.

Показатель концентрации водородного иона pH имеет большое значение не только при строительстве сооружений, но и в химии, биологии, медицине, сельском хозяйстве.

Углекислая, сульфатная и магнезиальная агрессивность воды порождаются соответствующими ионами: свободной углекислоты С 02, сульфата SO4 и магния Mg". Степень агрессивности воды в этом слу­ чае оценивается по соответствующим строительным нормам (СН). на основе которых определяется и коррозионная активность под­

жесткой воды на стенках и трубах паровых котлов образуется плохо проводящий тепло и трудно уда­ ляемый налет — накипь.

Различают временную и постоянную жесткость. Временная жест­ кость создается двууглекислыми солями кальция и магния; после кипячения вода делается мягкой, а названные соли разрушаются и выпадают в осадок. Постоянная жесткость после кипячения не устраняется.

Жесткость воды выражается в миллиграмм-эквивалентах на литр (мг-экв/л). Наилучшей для питья считается вода с общей жест­ костью около 5 мг-экв/л.

Г л а в а IV

НЕКОТОРЫЕ ФИЗИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

§ 12. ПРОСАДОЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ НА ЛЁССОВИДНЫХ ПОРОДАХ

Ранее при строительстве оросительных каналов в Средней Азии и на Северном Кавказе строители сталкивались с такими явлениями, когда через одну-две недели после пуска воды по каналам в них стали обнаруживаться большие деформации: в бортах каналов начали образовываться трещины, откосы каналов оползали, мосты через

них и регуляционные сооружения стали разрушаться. В обоих слу­ чаях строительство велось в лёссовидных грунтах и лёсс замачи­ вался. Эти два обстоятельства послужили поводом для исследования свойств лёсса.

Лёсс и близкие к нему лёссовидные суглинки имеют широкое распространение по территории Союза ССР, около 14% суши нашей страны покрыто этими породами. Лёсс распространен в Средней Азии, на юге Украины, в Закавказье, в Западной Сибири и других местах. Причем в южных районах преимущественно распространен лёсс, а в центральных и северных — лёссовидные суглинки.

действию внешних сил при разной степени увлажнения; при этом резко меняется и сжимаемость лёсса. Так, при влажности менее 6—9 % лёсс способен выдерживать нагрузки до 3—5 кг/см2. Если же лёсс увлажнить, то прочность его существенно упадет, и у соору­ жения, построенного на лёссе, обнаружатся значительные неравно­ мерные осадки, прдчем ход их будет необычный — они будут иметь провальный характер. Вертикальные смещения сооружений могут достигать десятков сантиметров. Чтобы подчеркнуть необычность в характере осадок сооружений на лёссовидных породах, их назы­

с момента начала строительства. Если бы относительно сухая лёссо­ вая порода (кривая / или II) была замочена позже в какой-то момент

меры пор соизмеримы или больше размеров частиц, слагающих по­ роду. В сухом лёссе между частицами породы имеются достаточно

34

прочные структурные связи, отчасти обусловленные присутствием солей гипса, карбоната кальция или магния. В увлажненном лёссе (вода довольно легко проникает в лёсс) эти структуріше связи нару­ шаются (соли частично растворяются) и проникающая в породу пленочная вода расклинивает частицы, что и ведет к нарушению структуры, обрушению породы, к просадкам.

Лёссовидные суглинки, в силу того что в них содержатся гли­ нистые частицы, способные к набуханию, обладают меньшей просадочностыо, чем лёсс.

Просадочность лёссовидных пород определяют испытаниями: полевыми или лабораторными. В обоих случаях наблюдения сво­ дятся к определению дополнительного сжатия (просадки) породы под нагрузкой после ее увлажнения. По величине просадки находят модуль просадочности, который тем больше, чем выше пористость породы. У пород с пористостью 50 % и более модуль просадочности выражается величиной около 100 мм/м; такая порода является сильно просадочной; слабо просадочные породы .имеют модуль 10— 20 мм/м.

Поскольку вода — одна из причин возникновения просадок, то при оценке устойчивости сооружений на лёссовидных породах необ­ ходимо учитывать положение уровня грунтовых вод и их режим. Пласт лёссовидной породы может располагаться или выше или ниже уровня грунтовых вод, и это сказывается на величине просадки. Наблюдения за сооружениями свидетельствуют о том, что более надежным (не просадочным) оказывается основание, когда лёссовые породы залегают ниже уровня грунтовых вод; если же лёсс распола­ гается выше, то просадки бывают больше.

Просадочньте свойства макропористых грунтов учитываются про­ ектировщиками и строителями. Конкретно это выражается в приня­ тии целого ряда мер, исключающих замачивание грунтов в основа­ нии сооружения после его постройки. Для этого, например, при промышленном и гражданском строительстве большое внимание уделяется быстрому и беспрепятственному отводу от сооружения атмосферных и производственных вод, исправному состоянию водо­ провода и канализации.

При строительстве дорог просадочность грунтов не считается опасной благодаря принимаемым мерам по водоотводу. В тех же местах, где вода может затрагивать дорожные сооружения (мосты, трубы через водотоки), лёссы обычно малопросадочны, так как в по­ ниженных местах они регулярно замачиваются.

В основаниях напорных сооружений (плотин) лёссовидные породы представляют опасность в случае, если под действием фильтрации воды под плотину или в обход будет происходить выщелачивание содержащихся в них солей; это может привести к большим неравно­ мерным осадкам.

Просадки сооружений могут возникнуть в связи с изменением уровня грунтовых вод, например в связи с образованием неподалеку от сооружения водохранилища.

Просадочность лёссовых пород может быть преодолена. Это до­ стигается обжигом лёсса (при этом он окаменевает), силикатизацией (нагнетанием в грунт раствора жидкого стекла, благодаря чему лёсс отвердевает), трамбованием (структурно нарушенный лёсс мало водопроницаем и не подвержен просадкам), повторным многократ­ ным замачиванием породы.

§13. СУФФОЗИЯ

Су ф ф о з и е й называют механическое и химическое вымыва­ ние частиц горных пород и растворимых солей грунтовыми водами.

При м е х а н и ч е с к о й с у ф ф о з и и вынос частиц грунта из пласта происходит благодаря гидродинамической силе грунтового потока. При этом выносу особенно подвержены песчаные грунты, содержащие мелкозем, а также лёссы и лёссовидные суглинки. Интенсивность выноса зависит от скорости грунтового потока и раз­ меров зерен, слагающих породу. Скорости грунтовых потоков обычно невелики, поэтому процесс вымыва породы идет медленно. Однако за продолжительные отрезки времени непрерывный вынос частиц может привести к выносу значительных масс грунта, к образованию пустот и к опусканиям вышележащих пластов, благодаря чему на поверхности возникают провальные воронки, поверхности осе­ дания.

Механическая суффозия также может вести к образованию про­ валов, воронок, пещер в глинистых породах и лёссах. Такие явле­ ния называют г л и н и с т ы м к а р с т о м .

Сооружения, оказавшиеся в зоне проявления механической суф­ фозии, будут испытывать значительные осадки.

Растворение минеральных солей и частиц грунта подземными

Карсту особенно подвержены такие осадочные породы, как из­ вестняк, доломит, мел, гипс, ангидрит, каменная соль. Следствием выщелачивающего действия воды на названные породы является образование подземных пустот, а на поверхности — понижений и провалов и других типичных для карста форм рельефа.

Карст имеет широкое распространение в центральной зоне Евро­ пейской части Союза ССР, где преобладают карстующиеся извест­ няки, и в южной зоне, где карсту подвержены мел и мергель. Карст имеет место в Крыму, на Кавказе, на Урале, в горах Тянь-Шаня, Памира и т. д. Типичные места проявления карста — участки зем­ ной поверхности, расположенные вблизи склонов (береговые склоны рек, горные склоны).

Скорость развития карста зависит от степени растворимости и трещиноватости пород (особенно легкорастворимы гипс, каменная соль, ангидрит), от скорости движения и агрессивности подземных вод.

Развитию карста способствует деятельность человека. Так, периодическая сработка уровня и наполнение водохранилища вызы­

<-36

вают колебания уровня грунтовых вод, изменяют направление движения грунтового потока и тем самым усиливают растворяемость пород. Откачки воды из шахт, откачка карстовых вод для хозяй­ ственных нужд могут привести к возникновению карста там, где он ранее не наблюдался.

Строительство инженерных сооружений на участках с развитым карстом особенно опасно, так как может привести к нарушению их работы или даже к разрушепию. В практике инженерного строи­ тельства известны случаи провалов железнодорожных насыпей, разрушения плотин. При строительстве плотин на карстующихся породах возникновение карста вероятно, так как созданный у пло­ тины напор ведет к усиленной фильтрации воды из верхнего бьефа в нижний. Весьма опасны карстовые полости при строительстве тоннелей; при этом строители сталкиваются с опасностью затопления тоннеля или необходимостью перекрытия карстовых пустот.

В ходе инженерно-геологических изысканий наличие карстовых образований или предрасположенность местности к возникновению карста не всегда может быть просто обнаружено. Поэтому приходится вести разведочное бурение и другие трудоемкие работы, что в общем удорожает и задерживает изыскания. В последнее время для вы­ явления карстовых образований успешно применяются геофизиче­ ские методы исследования.

Борьба с химической и механической суффозией ведется главным образом с целью максимального ослабления фильтрации воды через карстующиеся породы. Таким путем удается предупредить или замедлить карстовые процессы. Однако при наличии местности с уже развитым карстом борьба с ним оказывается сложной, и в таких слу­ чаях проектировщики стараются обходить опасные участки.

Развитие карстовых процессов успешно наблюдается геодези­ ческими методами. Для этого создается сеть плановых и высотных опорных пунктов, с которых (или по отношению к которым) опреде­ ляют плановые сдвиги и осадки отдельных наблюдаемых точек по­ верхности. Горизонтальные смещения точек определяют створным

вниз по склону под действием силы тяжести, обусловленное деятель­ ностью подземных и поверхностных вод.

Основные элементы оползня показаны на рис. 10. Оползни широко распространены по территории Союза ССР. Они встречаются в Крыму, на Кавказе, по берегам озер, водохранилищ и многих рек, например Волги, Оки, Камы, Днепра, Дуная, Иртыша, Оби. Боль­ шое распространение оползней наносит существенный ущерб хозяй­ ству: жилым зданиям, промышленным объектам, дорогам, трубопро­ водам, подземным коммуникациям, порталам тоннелей, береговым устоям мостов.

37

Оползни возникают только при определенных условиях, напри­ мер, при крутых склонах рельефа, определенных составах пород и чередовании водоносных и водоупорных пластов, при выветрелости, трещиноватости и обводненности пород. Но главный фактор, сти­ мулирующий оползневой процесс,—поверхностные и подземные воды.

Поверхностные (атмосферные) воды проникают в породы склона, утяжеляют их, обводняют отдельные горизонты и тем самым ослаб­ ляют силы сцепления в массиве породы (особенно в глинистых грун­ тах), что в конечном счете создает перевес сдвигающих сил над удер­ живающими; устойчивость склона при этом нарушается, и оторвав­ шийся массив грунта (оползень) начинает медленно скользить по

5

склону. Обводнение и подмыв (подрезка) склона водами рек и водо­ емов одновременно изменяет уровень грунтовых вод и лишает устой­ чивости вышележащие породы склона, что также ведет к началу движения массива грунта, т. е. образованию оползня.

Усилению оползневого процесса способствует такая, например, хозяйственная деятельность человека, как распашка склонов под сельскохозяйственные угодья, уничтожение растительности, сброс хозяйственных вод, утечка воды из водопроводящих систем, при­ грузка склонов отвалами грунта, подрезка склонов.

Активизации оползневых процессов способствуют сейсмические толчки и сотрясения от движущегося транспорта.

По размерам и характеру смещений оползни разделяют на сплывы, или оплывины, собственно оползни и оползни-обвалы.

из разных пород, но чаще из глинистых. Мощность оползней этого

чаются в горной местности, где склоны имеют значительную кру­ тизну. Характерно для этого вида не только их сползание по склону, но и опрокидывание части пород, составляющих тело оползня.

Оползневый процесс может идти в различных по составу поро­ дах, но при этом чаще подстилающими (плоскостью скольжения) являются глины, суглинки или супеси.

38

Смещения оползневого тела носят характер, не подчиняющийся какой-либо явно выраженной закономерности. Оползни, испыты­

не одна, а несколько поверхностей скольжения, такие оползни называют м н о г о я р у с н ы м и .

Приходя в движение, оползень смещается в плане и по высоте, причем величины этих смещений для различных частей оползня неодинаковы. Естественно, что сооружения, расположенные на оползне, испытывают неравномерные осадки и сдвиги, что нарушает

их прочность и работу. Поэтому при изысканиях инженерных соору­ жений особое внимание уделяется выявлению участков местности, где происходят оползневые процессы, или где они могут возникнуть после строительства сооружения.

Борьба с оползнями сложна, часто неэффективна, поэтому при выборе мест для сооружения изыскатели и проектировщики пред­ почитают обходить оползнеопасные участки. В случаях, когда этого сделать нельзя, принимаются предупредительные меры.

Противооползневые мероприятия сводятся в основном к ослабле­ нию внешних факторов, способствующих оползанию грунта: устрой­ ство защитных покрытий, препятствующих проникновению атмо­ сферных вод в грунт; дренирование подземных вод путем устройства водоотводящих штолен; устройство дамб, бун (полузатопленных дамб), защитных покрытий, защищающих склон от подмыва и обру­ шения; искусственное уполаживание склонов; укрепление склонов растительностью; мелиорация грунтов (силикатизация, битумизация, цементация).

Успех этих мероприятий во многом зависит от степени изучен­ ности и характера того или иного оползня. Такое изучение ведется, особенно на тех оползнях, на которых располагаются инженерные сооружения.

Наблюдения за оползневыми процессами могут вестись визуально, полуинструментально, с использованием геодезических и фотограм­ метрических средств и методов.

39

Геодезические методы измерения успешно применяются при изу­ чении движений оползневых масс и сооружений на оползнях. Гео­ дезическими методами можно определить первые симптомы начи­ нающихся подвижек грунта и прогнозировать движение оползня. Накапливаемые данные геодезических измерений на оползнях дают возможность полнее вскрыть причины и характер движения оползней, что очень важно для отыскания профилактических мер в борьбе с оползневыми явлениями.

Наблюдения за оползнями включают наблюдения за плановыми смещениями и за осадками как самого тела оползня, так и сооруже­ ний, стоящих на нем.

При организации наблюдений за оползнями следует исходить из требований точности определения смещений. К сожалению, пока еще не существует строго регламентированных норм, поэтому обычно исходят из некоторых прочностных и эксплуатационных показателей

Для обеспечения указанной в табл. 4 точности приходится при­ бегать к достаточно высокоточным методам геодезических работ. При наблюдениях за плановыми сдвигами оползней часто исполь­ зуют створный метод, метод полигонометрии, геодезические засечки, аналитические сети. Наблюдения за осадками грунтового массива оползня обычно ведут тригонометрическим нивелированием, а за осадками промышленных, гражданских и ‘других сооружений, рас­ положенных на оползне, высокоточным геометрическим нивелиро­ ванием.

В основе каждого из названных способов лежат периодические, повторные определения смещений наблюдаемых точек.

Существенно важен при организации наблюдений за оползнями и сооружениями, на них — выбор системы опорных пунктов (ре­ перов). Эти пункты должны располагаться по возможности ближе к объектам наблюдений и в то же время находиться вне оползневой зоны, чтобы обеспечивалась устойчивость опорных пунктов. Выбор ■соответствующего места для закладки опорных пунктов и реперов следует делать совместно с геологом, используя геологическую, гео­ морфологическую и топографическую карты.

'40