5.2 Суфозійні процеси

Суфозія – процес виносу дрібних часток гірських порід і розчиненої речовини потоком підземних вод, що фільтруються через породи. Суфозія відноситься до геологічних процесів, початкові стадії розвитку яких, як правило, протікають під землею й приховані від прямого спостереження. Процес "відкрито" заявляє про себе в той катастрофічний момент, коли на поверхні землі або під фундаментом споруди раптово утворюються викликаний їм зсув, провал або осідання ґрунту. Процеси суфозії розвиваються поволі протягом декількох або десятків років. Вони частіше мають локальний, рідше регіональний розвиток. На території України суфозійні процеси розповсюджені на багатьох ділянках Подільсько-Буковинської, Західно-Поліської, Південно-Східної, Донбаської та Рівнинно-Кримської карстових областей. Головна причина виникнення суфозійних деформацій на цих територіях – надмірний водовідбір або водовідлив при виконанні гірничих роботах. Частіше за все процеси суфозії приурочені до тонко- і дрібнозернистих пісків і особливо до лесів, які мають низьку здатність чинити опір ерозійної дії підземних вод.

У результаті суфозії і зв'язаного з нею разущільнення масиву в бортах і уступах кар'єрів, котлованів, відвалів, гідротехнічних споруд утворюються зсуви, випори, обвали, осідання. Крім того, суфозія в прифільтровій зоні водознижуючих свердловин призводить до різкого зростання гідравлічного опору свердловинних фільтрів і швидкого зносу насосів за рахунок абразивної дії піщинок.

Суфозія підрозділяється на механічну, або власне суфозію (винос дрібних часток з неоднорідного за гранулометричним складом незв'язного ґрунту), і хімічну, чи розчинення (розчинення і вимивання з порід і ґрунтів водорозчинних солей). Розчинення сольових компонентів і збільшення пористості порід може підготовляти умови для розвитку в них механічної суфозії. Спільна діяльність поверхневих і підземних вод призводить до розвитку просадних і карстових явищ у лесах, вапняках, доломітах, соленосних товщах.

Розрізняють ґрунти несуфозійні, суфозійні й практично несуфозійні. Несуфозійними називають ґрунти, на яких при будь-яких швидкостях фільтрації не буде відбуватися винос дрібних часток. До практично несуфозійних ґрунтів відносять такі, винос часток з яких не перевищує 3 % і при цьому не відбувається порушення його міцності й стійкості. У суфозійних ґрунтах винос часток фільтраційним потоком перевищує 3 %.

Орієнтовану оцінку суфозійності ґрунту проводять виходячи зі значення коефіцієнта неоднорідності ŋ і допустимого градієнта напору І_доп. Для ґрунтів з ŋ<10 І_доп=0,3...0,4; при 10<ŋ<20 І_доп=0,2; при ŋ>20 І_доп=0,1. При значеннях градієнта напору менше допустимого для ґрунтів визначеного зернового складу суфозійні явища не спостерігаються. У ґрунтах з ŋ<10 при градієнтах напору більш 0,3...0,4 відбувається не власне суфозія, а випор.

розрахунковий метод оцінки суфозійності ґрунту заснований на визначенні за експериментальними залежностями діаметра максимального порового каналу, діаметра і процентного вмісту суфозійних часток, критичних швидкостей і критичних градієнтів напору фільтраційного потоку.

Максимальний діаметр порового каналу розраховують за формулою:

(5.3)

де χ – коефіцієнт локальності суфозії, що залежить від коефіцієнта неоднорідності ґрунту і визначається за залежністю χ=1+0,05η; η – коефіцієнт неоднорідності ґрунту, рівний d₆₀/d₁₀; n – ефективна пористість матеріалу; d₁₇ – діаметр часток, менше якого в ґрунті утримується 17% за масою.

Максимальний діаметр суфозійних часток d_max розраховують за формулою:

(5.4)

Процентний вміст суфозійних часток знаходять за кривою гранулометричного складу ґрунту залежно від максимального діаметра суфозійних часток.

Розрахунок критичної швидкості суфозії проводять за формулою:

(5.5)

де d^с_max – максимальний діаметр суфозійних часток, см; n – ефективна пористість ґрунту; g – прискорення сили ваги, см/с²; ν – кінематичний коефіцієнт в'язкості, см²/с; К – коефіцієнт фільтрації, см/с; φ₀ – коефіцієнт критичної швидкості.

. (5.6)

де ρ_с.г. – щільність сухого ґрунту, г/см³; ρ_в – щільність води, г/см³; Θ – кут між напрямками швидкості фільтрації і сили ваги; f* – приведений коефіцієнт тертя, що визначається за залежністю

f*=0,82 – 1,8n + 0,0062 (η – 5). (5.7)

(5.8)

де φ₁ – коефіцієнт, що враховує форму і шорсткість часток; для піщано-гравелістих ґрунтів φ₁=1,0; для щебеневих ґрунтів φ₁=0,35...0,40; ν – коефіцієнт кінематичної в'язкості (см²/с); n – ефективна пористість ґрунту; ŋ – коефіцієнт неоднорідності ґрунту; d₁₇ – діаметри часток ґрунту, менше яких в його складі міститься 17% за масою.

Якщо при розрахунку виявиться, що фактична швидкість фільтрації менше критичної, то визначають максимальний діаметр суфозійних часток, для яких фактична швидкість фільтрації буде критичною:

(5.9)

Процентний вміст таких часток розраховують за кривою гранулометричного складу.

Приклад розрахунку. Дати оцінку суфозійності ґрунту при таких вихідних даних: гранулометричний склад ґрунту (вміст часток, мм, у відсотках за масою):

Розмір часток, мм	>10	10-5	5-2	2-1	1-0,5	0,5-0,25	0,25-0,1	<0,1
Вміст часток, %	7,0	7,4	14,7	19,3	18,7	22,0	2,7	8,2

Пористість, n = 0,32;

Щільність сухого ґрунту, ρ_с.г. = 1,80 г/см³;

Градієнт напору ґрунтового потоку, І = 0,45;

Кут між напрямками сили ваги і швидкості фільтрації, Θ = 75º.

Порядок розрахунку:

1. У напівлогарифмічному масштабі (рис. 5.1) будують графік інтегральної кривої гранулометричного складу ґрунту, на горизонтальній осі якого відкладають діаметр часток, а на вертикальної – сумарний вміст фракцій.

Для побудови кривої в напівлогарифмічному масштабі, по осі абсцис відкладають не діаметри часток, а їхні логарифми або величини, пропорційні логарифмам. На початку координат ставлять зазвичай число 0,01, а потім, приймаючи lg 10 рівним довільному відрізкові, відкладають цей відрізок у праву сторону чотири рази, роблячи позначки і ставлячи проти них послідовно числа 0,1, 1, 10, 100. Відстань між кожними двома мітками поділяють пропорційно логарифмам чисел 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.

У першому від початку координат інтервалі виділені відрізки відповідатимуть діаметрам часток від 0,02 до 0,09, у другому – від 0,2 до 0,9, у третьому – від 2 до 9, у четвертому – від 20 до 100мм. Наприклад, якщо прийняти, що lg 10 = 1 відповідає відрізкові довжиною 4 см, то lg 2 = 0,301 відповідатиме відрізкові 0,301  4 = 1,2 см, lg 3 = 0,477 відповідатиме відрізкові 0,477  4 = 1,9 см, lg 4 = 0,602 відповідатиме відрізкові 0,602  4 = 2,4 см тощо. Зазначені відрізки відкладають на осі абсцис від початку координат і від кожної мітки, що обмежує відрізок довжиною 4 см. По осі ординат відкладають сумарний вміст фракцій у відсотках, який розраховують послідовним підсумовуванням вмісту фракцій менш ніж 10мм; 5мм; 2мм; 1мм; 0,5; 0,25; 0,1, а також суму всіх фракцій.

Рис. 5.1 – Інтегральна крива гранулометричного складу

2. За кривою гранулометричного складу ґрунту визначають діаметри часток, необхідні для наступних розрахунків: d_min = 0,01 мм, d₃ = 0,018 мм, d₁₀ = 0,08 мм, d₁₇ = 0,18 мм, d₆₀ = 1,5 мм, d_max = 40 мм.

3. Обчислюють коефіцієнт неоднорідності ґрунту:

де d₁₀, d₆₀ – діаметри часток ґрунту, менше яких в його складі міститься відповідно 10 і 60 % за масою.

3. Підставивши в формулу 5.8 чисельні значення відповідних параметрів, знаходять коефіцієнт фільтрації (значення ν відповідає температурі 20°С).

За вмістом часток ґрунту з діаметром більше 2мм (14,7+7,4+7,0=29,1%) і табл. 5.2 визначають, що ґрунт піщаний, тому в розрахунку коефіцієнта фільтрації беремо φ₁=1,0.

4. Максимальний діаметр порового каналу розраховують за формулою 5.3, попередньо розрахувавши коефіцієнт локальності суфозії:

χ = 1+0,05·18,75 = 1,938.

Таблиця 5.2 – Класифікація роздільно-зернистих (незв'язних) ґрунтів

Найменування ґрунту	Розмір часток, мм	Вміст, %
Крупноуламковий ґрунт:
Валунний (бриловий) Галечний (щебенистий) Гравійний (жорствяний)	Крупніше 200 Крупніше 10 Крупніше 2	Більше 50 Більше 50 Більше 50
Піщаний ґрунт:
Гравелістий Крупнопіщаний Середньої крупності Дрібнопіщаний Пилуватий	Крупніше 2 Крупніше 0,5 Крупніше 0,25 Крупніше 0,1 Крупніше 0,1	Більше 25 Більше 50 Більше 50 Більше 75 Менше 75

*Тип грунту визначається за першою задовільною ознакою (зверху вниз)

5. Максимальний розмір суфозійних часток визначають за формулою 5.4:

d^с_max = 0,77·0,0121 см = 0,0093 см.

6. Процентний вміст суфозійних часток знаходять за інтегральною кривою зернового складу. Він складає 10,5 %. Це дає підставу оцінити даний ґрунт як суфозійний.

7. За формулою 5.5 розраховують критичну швидкість для максимального діаметра суфозійних часток, попередньо розрахувавши коефіцієнт критичної швидкості φ₀ і приведений коефіцієнт тертя f*:

f^* = 0,82 – 1,8·0,32 + 0,062 (18,75 – 5) = 0,33.

8. Фактичну швидкість руху фільтраційного потоку знаходять за формулою:

V_ф = К·I = 0,0244·0,45 = 0,011 см/с.

9. Порівнюють отримані значення фактичної і критичної швидкості фільтраційного потоку. Оскільки V_ф<V_кр, згідно із формулою 5.9 розраховують максимальний діаметр суфозійних часток, для яких фактична швидкість буде критичною:

10. За інтегральною кривою визначають процентний вміст суфозійних часток при фактичній швидкості фільтраційного потоку, що дорівнює 6,5%.

Таким чином, даний ґрунт за існуючою класифікацією відноситься до суфозійних і при рухові в ньому фільтраційного потоку при заданому градієнті напору матимуть місце суфозійні явища.

Практичне завдання. Дати оцінку суфозійності ґрунту за даними наведеними в таблиці 5.3.

Таблиця 5.3

Варіант	Розмір часток, мм								Пористість, n	Щільність сухого ґрунту, ρс.г., г/см3	Градієнт напору ґрунтового потоку, І	Кут між напрямками сили ваги і швидкості фільтрації, Θ
	>10	10-5	5-2	2-1	1-0,5	0,5-0,25	0,25-0,1	<0,1
	Вміст часток, %
1	9,0	5,4	19,3	14,7	18,7	22,0	8,2	2,7	0,23	2,80	0,35	45
2	19, 4	7,4	18,7	19,3	1,6	2,7	22,7	8,2	0,32	1,70	0,45	30
3	11,0	17,4	12,7	19,0	8,7	19,3	3,7	7,2	0,35	1,85	0,40	75
4	21,0	2,7	19,3	18,7	7,4	21,2	3,5	5,2	0,33	1,40	0,25	57
5	11,0	17,4	12,7	9,0	8,7	19,3	3,7	17,2	0,30	2,70	0,35	70
6	8,0	7,4	14,7	18,3	18,7	20,0	4,7	8,2	0,28	1,35	0,55	55
7	21,0	17,4	2,7	9,0	8,7	29,3	3,7	7,2	0,32	1,50	0,15	64
8	7,0	7,4	6,7	19,0	28,7	19,3	5,7	5,2	0,23	2,30	0,45	48
9	11,4	17,0	12,7	29,2	8,7	9,1	3,9	7,0	0,33	2,10	0,35	74
10	20,3	7,9	12,9	19,0	8,7	19,3	7,7	3,2	0,29	1,95	0,40	60
11	7,4	7,0	14,7	19,3	18,7	22,0	2,7	8,2	0,30	1,80	0,30	70
12	11,0	17,6	12,5	9,0	8,7	19,3	13,7	7,2	0,31	1,30	0,45	55
13	9,0	5,4	19,3	14,7	18,7	22,0	8,2	2,7	0,29	2,00	0,40	40
14	19,0	7,4	12,7	19,3	10,7	19,0	3,7	7,2	0,33	2,40	0,35	57
15	11,3	4,1	14,7	18,3	18,7	20,0	4,7	8,2	0,32	1,80	0,25	70
16	21,3	17,4	2,4	9,0	8,7	29,3	3,7	7,2	0,30	1,50	0,40	55
17	11,1	7,4	6,9	19,0	28,7	19,3	5,7	5,2	0,29	1,90	0,45	64
18	13,5	16,9	12,7	29,2	8,7	9,1	3,9	7,0	0,32	2,30	0,35	48
19	17,0	7,4	14,7	19,3	18,7	12,0	2,7	8,2	0,31	2,60	0,55	74
20	8,6	7,4	13,1	19,3	18,7	22,0	2,7	8,2	0,33	1,85	0,25	60
21	13,0	15,6	12,5	9,0	8,7	19,3	13,7	7,2	0,32	2,20	0,40	45
22	13,3	17,4	10,7	19,0	8,9	19,3	3,5	7,2	0,35	1,80	0,45	30
23	8,6	7,4	14,7	18,3	18,1	20,0	4,7	8,2	0,34	2,00	0,45	75
24	9,4	5,0	19,3	14,7	18,7	22,0	8,2	2,7	0,32	2,20	0,35	57
25	19,0	7,4	18,7	23,3	1,6	2,7	22,7	8,2	0,30	2,50	0,40	70
26	13,3	7,1	12,7	19,0	18,7	19,3	3,7	7,2	0,28	2,35	0,30	55
27	13,6	12,7	19,3	18,1	7,4	19,2	3,5	7,2	0,32	1,80	0,45	64
28	15,4	15,4	3,3	14,3	18,7	22,2	8,0	2,7	0,30	1,55	0,40	48
29	11,0	7,4	10,7	19,2	18,8	22,0	5,7	5,2	0,35	1,90	0,45	45
30	33,3	17,0	2,7	9,4	8,0	17,3	3,4	7,9	0,30	2,35	0,35	30