Вопрос№ 39. Режим подземных вод и его связь со строительством

Под режимом подземных (грунтовых) вод понимают совокупность изменений положения уровня и характера поверхности грунтовых вод, их температуры, химического состава и свойств.

Знание режима грунтовых вод требует как проектная, так и строительная практика. Так, например, не прогнозируемая или игнорируемая возможность подъема уровня воды может привести к затоплению подвальных помещений, снижению несущей способности грунтов основания и, соответственно, дефор­мациям зданий и сооружений, разрушению строительных конструкций.

Основными факторами, влияющими на уровень и качество грунтовых вод, являются: метеорологические факторы; гидрологические факторы; магматизм земной коры; инженерно-хозяйственная деятельность человека. Метеорологи­ческие факторы, влияющие на режим грунтовых вод, самые разнообразные, но главнейшими из них являются: количество атмосферных осадков; интен­сивность испарения с поверхности грунтовых вод; величина атмосферного давления. Совокупность этих факторов обуславливает сезонные, годовые и многолетние колебания уровней.

Сезонные колебания в Белоруссии могут достигать 1,0-2,5 м, при этом наиболее высокое положение уровня характерно для периода снеготаяния и затяжных дождей (паводки и половодья). Во времени начало периода павод­ков, половодья и подъема уровня подземных вод асинхронны, и характер асинхронности (запаздывания) зависит от глубины залегания грунтовых вод и водопроницаемости водовмещающих пород.

Многолетние колебания уровня связаны с переменой климата, то есть из­менениями количества годовых осадков.

Гидрологические условия проявляются в виде влияния поверхностных во­дотоков (рек, озер и водохранилищ). При подъеме или опускании уровней

воды в них происходит и соответствующее изменение уровня грунтовых вод. При этом ширина зоны влияния, то есть зоны, где будет наблюдаться изменение уровня грунтовых вод под воздействием поверхностных водотоков, может дос­тигать 2 км и более, в зависимости от водопроницаемости водовмещающих пород (рис. 23.1).

Рис. 23.1. Связь уровня грунтовых вод с водой в реке:

а - река дренирует грунтовые воды; б -река питает грунтовые воды; 1 - уровень воды в реке;

2 - аллювиальные отложения;

3 - песок; 4 -уровень грунтовых вод; 5 - водоупор.

Нужно также помнить, что создание искусственных водоемов (водохранилищ) приводит к постоянному поднятию уровней грунтовых вод и, соответственно, подтоп­лению территории (рис. 23.2).

Рис. 23.2. Влияние уровня водохранилища на грунтовую воду:

1 - река;

2 - водохранилище;

3 - подъем уровня воды; 4 - подъем уровня грунтовой воды

Магматизм земной коры проявляется в опускании или поднятии отдельных участков суши. При этом процесс поднятия обуславливает снижение уровня грунтовых вод, а опускания - повышение, с возможным развитием процессов затопления и подтопления.

Инженерно-хозяйственная (особенно строительная) деятельность человека существенно сказывается на режиме грунтовых вод. Повышение уровней обычно наблюдается при строительстве водохранилищ, прудов, систем орошения, судо­ходных каналов и водоводов. Образование верховодки характерно в зонах плотной застройки территории и при массовых утечках воды из водопровод­ных и канализационных сетей. Понижение уровней воды наблюдается при различных откачках (из скважин, котлованов, карьеров, шахт, тоннелей и т.д.)

Кроме уровня грунтовых вод, возможно изменение и их качества, обуслов­ленное присутствием различных примесей органического характера.

Наиболее распространенными причинами, вызывающими изменение каче­ства грунтовых вод, являются:

1) фильтрация воды через породы различного состава, например, засо­ленные суглинки;

2) интенсивная откачка воды, приводящая к засасыванию вод плохого ка­чества из других водоносных горизонтов;

3) увеличенная минерализация воды в сухое время года за счет уменьше­ния атмосферных осадков;

4) закачивание в подземные горизонты жидких осадков минерального и ор­ганического характера (рис. 23.3).

Рис. 23.3. Изменение качества грунтовых вод: 1 - грунтовый поток; 2 - просачивание воды с вредными примесями (завод, животноводческая ферма и т.д.); 3 - колодец для населенного пункта, в который поступает вода с вредными примесями.

Для выявления характера поверхности (зеркала) грунтовых вод составля­ется карта гидроизогипс, а для артезианских - карта гидроизопьез.

Гидроизогипсы - это линии, соединяющие точки с равными абсолютными отметками зеркала грунтовых вод. Гидроизопьезы - аналог гидроизогипс, только для артезианских вод (рис. 23.4). Гидроизогипсы аналогичны горизон­талям рельефа местности и подобно им отражают рельеф зеркала воды.

Рис. 23.4. Карта гидроизогипс: 1 - песок; 2 - супесь; 3 - суглинок; 4 - заболоченный участок;

5 - питолозические границы; 6 - горизонтали поверхности; 7 - гидроизогипсы;

в - буровая скважина; 9 - колодец или шурф: 10 - источник; 11 - водомерный пост

Цифры у водопунктов означают: сверху - номер, справа - абс. отметка поверхности

грунтовых вод Сечение гидроизогипс через 2 м.

Для построения карты гидроизогипс на стройплощадке (участке) устраива­ют горные выработки (буровые скважины, наблюдательные колодцы, шурфы) и в них измеряют уровни подземных вод, то есть глубину залегания. Глубину залегания грунтовых вод измеряют либо в относительных отметках, представ­ляющих собой глубину расположения уровня от поверхности земли, либо в абсолютных отметках, определяющих положение поверхности грунтовых вод над уровнем моря.

Измерения глубин залегания грунтовых вод производятся в основном пе­ред проектированием зданий и сооружений, то есть в период проведения ин­женерно-геологических изысканий. Необходимость продолжения наблюдений за уровнем грунтовых вод определяется только опасностью подтопления под­земных сооружений и помещений.

В состав наблюдений входят - определение глубины появления воды (h₀) и установившегося (статического) уровня (h_с). Точность замеров не менее 1-2 см. Замеры проводят рейками, при небольшой глубине залегания (до 4 м), или поплавковыми хлопушками на тросах. Для постоянного наблюдения исполь­зуют электроизмерители с самопищущей системой "Валдай"

(рис. 23.5).

Карта гидроизогипс используется для решения следующих задач:

а) установление направления движения грунтового потока;

б) определение величины напора (напорного градиента - J );

в) определение глубин залегания грунтовых вод (WL);

г) выбор оптимального расположения дренажных и водозаборных соору­жений;

д) выбор благоприятного участка для строительства;

е) установление мест, где происходит интенсивная утечка воды из инже­нерных водоводных коммуникаций

Рис. 23.5. Приспособление для измерения уровней грунтовых вод в горных выработках: 1 - мерная рейка в шурфе;

2 - мерный трос с хлопушкой;

3 - стационарный поплавковый измеритель в скважинах.

Следует также отметить, что значи­тельное влияние на строительство ока­зывает и наличие источников (ключи, родники). Под источниками понимается место естественного выхода воды на дневную поверхность. И обычно напор­ные воды дают восходящие (фонтанирующие) источники, а ненапорные - нис­ходящие. По характеру расположения они бывают сосредоточенные (выходя­щие в одном месте в виде потока) и рассредоточенные, когда грунтовая вода выходит из массива по всему склону или речной долине.

Интенсивность выхода воды в единицу времени называется дебитом ис­точника. Он может выражаться в л/с или м³/сут. Источник, выход которого об­лагорожен (улучшен) человеком, называется каптированным.

Аналогично карте гидроизогипс строится и карта гидроизопьез, которая по­зволяет дать оценку поверхности и характер напорности для артезианских вод.

Вопрос №46

Общие сведения о грунтах

Под грунтом в строительстве определяются горные породы, образующие поверхностные слои земли и составляющие кору выветривания, которые могут служить основанием или материалом для возведения зданий и сооружений. Виды, характеристики и строительные свойства грунтов приведены в ЕНиРе, сб. Е2 "Земляные работы", вып. 1.

При производстве земляных работ грунт может быть использован в качестве строительного материала. Грунт также может быть использован в качестве физической среды, в которой возводятся конструкции зданий и сооружений, работают строительные механизмы и рабочие.

По происхождению, состоянию и механической прочности грунты подразделяются на скальные и нескальные.

Скальные грунты характеризуются высокой прочностью, залегают в виде сплошного или трещиноватого массива. Разрабатывают их только после предварительного рыхления. Прочность скальных грунтов находится в пределах от 120 МПа (очень прочные) до 1 МПа (низкой прочности). В связи с этим рыхление скальных грунтов может осуществляться при помощи взрывов, или механическим способом.

К нескальным грунтам относятся:

1)крупнообломочные - валунные, галечниковые и гравийные;

2)песчаные - гравелистый, крупной, средней крупности, мелкий, пылеватый, однородный и неоднородный песок;

3)глинистые - супесь, суглинок, глина.

Основным объектом разработки в строительстве являются песчаные, глинистые, крупнообломочные и полускальные грунты. Землеройные машины рассчитаны на разработку главным образом этих грунтов.

Мерзлыми называют все виды грунтов, если они имеют отрицательную температуру и содержат лед.

К многолетнемерзлым относятся грунты, находящиеся в непрерывно мерзлом состоянии в течении более 3 лет. По существующей классификации мерзлые грунты делятся на твердомерзлые (обладающие наибольшей механической прочностью ), пластично-мерзлые, которые сжимаются под нагрузкой сыпучемерзлые. Разработка рассмотренных мерзлых грунтов требует определенных затрат энергии. При этом применяются три группы способов разработки; защита от замерзания, оттаивание и механическое разрушение.

В районах с жарким климатом нередко приходиться иметь дело с засоленными грунтами. Кроме того пересушивание и переувлажнение грунтов в этих районах оказывает отрицательное влияние на производство работ. При малой влажности связные (глинистые) грунты приобретают большую прочность, несвязные грунты снижают производительность машин из-за меньшего наполнения ковша, потерь при транспортировке (бульдозером, скрепером). Переувлажнение связных грунтов вызывает их набухание, просадки, увеличивает вязкость и вследствие этого липкость.

Основные физико-механические свойства грунтов, влияющие на технологию производства земляных работ, трудоемкость и стоимость следующие:

1) в массиве (естественном состоянии) - гранулометрический состав, плотность, влажность;

2) в разрыхленном состоянии - гранулометрический состав, плотность, прочность, разрыхляемость.

Гранулометрический состав является одним из основных показателей физического состояния грунтов. Грунтовые частицы крупностью менее 0,005 мм называют глинистыми; 0,005-0,05 мм - пылеватыми, 0,05-2 мм - песчаными; зерна м куски грунта крупностью 0,2-20 мм - гравием, 20-200 мм - галькой или щебнем и более 200 мм валунами или камнями.

Гранулометрический состав определяет метод и способ разработки грунта, а также применение его при возведении земляных сооружений и объектов.

Плотностью грунта принято считать массу 1 м грунта в естественном состоянии. Плотность песчаных и глинистых пород обычно составляет 1,5-2, полускальных - 2-2,5 и скальных - более 2,5 т/м.

Плотность грунта влияет на выбор механизмов для разработки транспортирования его. Так, разработка песчаных и глинистых грунтов может производиться скреперами, бульдозерами, грейдерами полускальных и скальных - экскаватором после предварительного разрыхления.

Влажность грунта определяется отношением массы воды в грунте к массе твердых частиц грунта (в процентах). При влажности до 5% грунты считаются сухими, при влажности более 30% - мокрыми как правило, влажные грунты разрабатываются экскаваторами со сменным оборудованием драглайном или обратной лопатой.

Прочность грунтов характеризуется их способностью сопротивляться внешним воздействиям при разработке.

Разрыхляемость - это способность грунта увеличиваться в объеме при разработке. Увеличение объема грунта характеризуется коэффициентами первоначального Кр и остаточного Кр.о разрыхления.

Коэффициент первоначального разрыхления Кр представляет собой отношение объема разрыхленного грунта к его объему в естественном состоянии и составляет: для песчаных грунтов - 1,08-1,17, глинистых - 1,24-1,3.

Коэффициент остаточного разрыхления Кр.о характеризует остаточное увеличение объема грунта после его уплотнения. под действием массы вышележащих слоев, дождя, движения транспорта, механического уплотнения.

Основными показателями мерзлых грунтов являются повышенная механическая прочность, пластические деформации, пучинистость и повышенное электросопротивление, величина которых зависит от температуры, влажности и вида грунта. С понижением температуры глубина промерзания увеличивается, что вызывает возрастание механической прочности грунта, сопротивления резанию и копанию, а значит уменьшение производительности землеройных машин.

По трудности разработки грунты делятся на группы. При этом деление на группы учитывает разработку грунтов с применением средств механизации и вручную в немерзлом и мерзлом состояниях.

Так, при разработке немерзлых грунтов механизированным способом в зависимости от трудности их разработки они разделены на шесть групп:

1 - гравийно-галечные грунты с частицами размером до 80 мм (p=1,75 т/м2), грунты растительного слоя, песок, суглинок;

2 - гравийно-галечные грунты с частицами размером более 80 мм (p= 1,95 т/м2) глина жирная, песок барханы, строительный мусор , торф с корнями;

3 - глина мягкая (p=1,96 т/м2), супесок, суглинок ракушечник, сцементированный строительный мусор;

4 - смесь гальки, тяжелая глина (p=1,95+2.15 т/м2) песок с содержанием валунов массой более 5О кг - 10-15%;

5 - суглинок тяжелый с валунами массой более 50 кг - до 15% известняк;

6 - супесок и суглинок с содержанием валунов массой более 50 кг- 15-30% по объему.

Разработка мерзлых грунтов в разрыхленном виде одноковшовыми экскаваторами предусматривает деление их на три группы

При разработке вручную немерзлые грунты разделены на семь групп, мерзлые - на четыре.

В зависимости от группы установлены нормы времени и расценки на разработку грунта в измерителях, указанных в ЕНиРе.

Эффективность работы землеройных и землеройно-транспортных машин и механизмов при разработке грунтов из массива определяется их прочностными свойствами, плотностью, влажностью и абразивностью. На разрыхленных грунтах

работа машин и механизмов зависит в основном от размеров кусков, коэффициента разрыхления, массы, прочности, плотности абразивности грунтов.