Геология

Надмерзлотные воды - воды, подстилающим Водоупором для них служит многолетнемёрзлая толща, пустоты, трещины, поры которой постоянно заполнены льдом. Образуют безнапорные горизонты типа верховодки и грунтовых вод.

Межмерзлотные воды - содержатся внутри толщи многолетней мерзлоты как в твердой (лед), так и в жидкой фазе (зона прерывистых и сквозных таликов). В жидкой фазе обычно напорные. Имеют связь с надмерзлотными и подмерзлотными водами.

Подмерзлотные воды циркулируют ниже многолетнемерзлотной толщи, поэтому встречаются только в жидкой фазе. Воды напорны, величина напора может достигать до сотен метров. Используются в водоснабжении.

В зависимости от того, в каком состоянии в грунтах находится вода, она классифицируется следующим образом: парообразная; связанная - прочносвязанная (гигроскопическая), рыхлосвязанная; свободная - капиллярная, гравитационная; в твердом состоянии (лед); кристаллизационная и химически связанная.

Парообразная вода.

Количество водяного пара в грунтах не превышает тысячных долей процента от общего веса грунта. Однако водяной пар играет большую роль в процессах, протекающих в грунтах, в силу того, что может свободно передвигаться в грунте при незначительной его влажности, а также потому, что при конденсации пара на поверхности грунтовых частиц образуются другие виды воды.

Связанная вода

Минеральные частицы окружены рядом концентрических слоев воды. Слои воды удерживаются частицами с различной силой, в зависимости от того, насколько данный слой воды близок к минеральной частице: чем ближе, тем прочнее он с ней связан. Установлено, что связь между пленками воды и минеральными частицами обусловлена молекулярными силами. Присутствие различных категорий связанной воды значительно меняет состояние и свойства грунтов

Прочносвязанная (гигроскопическая) вода. Максимальное количество прочносвязанной воды в грунтах максимальной гигроскопичности, т. е. той влажности грунта, которая образуется при абсорбации грунтовыми частицами парообразной влаги при относительной ее упругости, равной 100%.

Сама прочносвязанная вода имеет несколько разновидностей. Вода базальных поверхностей глинистых минералов (поверхности, перпендикулярные ребрам и сколам их кристаллической решетки) образует вокруг глинистых частиц сплошные плёнки воды, из-за чего величина связи между отдельными частицами уменьшается, что ведет к снижению прочности глинистых грунтов. При полном содержании всех видов прочносвязанной воды, т. е. при влажности, близкой к максимальной гигроскопичности, эта потеря прочности весьма значительна.

Содержание прочносвязанной воды в дисперсных грунтах определяется их минералогическим составом, дисперсностью, степенью однородности, формой и характером поверхности минеральных частиц. В зависимости от комплекса факторов содержание прочносвязанной воды лежит в пределах 0,2-30%

Рыхлосвязанная вода подразделяется на плёночную и осмотическую. Пленочная влага как бы облекает собой прочносвязанную и удерживается молекулярными силами в меньшей степени, хотя природа ее взаимодействия с частицами весь близка к поведению прочносвязанной влаги. Осмотическая вода образуется в результате проникновения молекул воды из грунтовых растворов. Этот вид воды весьма слабо связан с поверхностью грунтовых частиц, подвижность ее весьма близка к подвижности свободной воды.

Свободная вода

Капиллярная вода делится на три вида: 1) вода углов пор; 2) подвешенная вода; 3) собственно капиллярная вода. Вода углов образуется в местах соприкосновения на контактах частиц - в виде отдельных капель, занимающих суженные части пор и ограниченных менисками воды. Собственно капиллярная вода формируется за счет поднятия воды верх от уровня грунтовых вод, образуя под грунтовыми водами в массиве грунта капиллярную кайму. При промачивании грунтов сверху, например, при атмосферных осадках, при возведении грунтовых плотин гидромеханизацией или отсыпкой, при увлажнении и укатке грунта, в грунтах образуется подвешенная вода

Гравитационная вода. Делится на воду просачивания и воду грунтового потока. Первый тип воды преимущественно располагается в зоне аэрации и перемещается сверху вниз пока не достигнет водоупорный слой. После этого дальнейшее продвижение воды происходит под влиянием напора в виде грунтового потока.

Вода в твердом состоянии. При температурах ниже нуля гравитационная вода замерзает и содержится в грунте в виде льда. Лед может формировать в грунте, как прослои различной толщины, так и рассеянные в его толще отдельные кристаллы. Кристаллический лед играет роль природного цемента. Присутствие льда резко изменяет свойства грунта.

Кристаллизационная и химически связанная вода. Кристаллизационная и химически связанная вода участвует в формировании кристаллических решеток различных минералов. Вода входит в состав гипса (CaSO4 . 2H2O) и ряда других минералов. Кристаллизационная вода, участвуя в построении кристаллической решетки минералов, сохраняет свою структуру. Химически связанная вода (Fe2O3 . nH2O) не сохраняет своего молекулярного единства, но более прочно, чем кристаллизационная, связана с другими молекулами кристалла.

Вопрос №8. Сформируйте основной закон фильтрации подземных вод. Опишите методы определения коэффициента фильтрации и расхода плоского потока подземных вод. Назовите требование к питьевой воде. Объясните причины агрессии воды к бетону и металлу

Ответ:

Ненапорные подземные воды в зоне полного насыщения передвигаются при наличии разности гидравлических напоров (уровней) от мест с более высоким к местам с низким напором (уровнем). Разность напоров ?H = H1 - H2 в сечениях I и II обуславливает движение воды в направлении сечения II. Скорость движения грунтового потока зависит от разности напора (чем больше ?H, тем больше скорость) и длины пути фильтрации.

Отношение разности напора ?H к длине пути l называют гидравлическим уклоном (градиентом)

I = ?H/l

Основной закон фильтрации подземных вод. Современная теория движения подземных вод основывается на применении закона Дарси:

Q=kF?H/l= kFI

где Q - расход воды или количество фильтрующей воды в единицу времени, м3/сут; k - коэффициент фильтрации, м/сут; F - площадь поперечного сечения потока воды, м2; ?H - разность напоров, м; I - длина пути фильтрации, м.

Выведено это выражение для пород с ламинарным (параллельно, струйчатым, без пульсации) характером движения подземных вод, которое имеет место в песках, песчаниках и других породах. Позднее Н.Н. Павловским, Т.Н. Каменским и Н.К. Гиринским доказана правомерность этого закона и для гравелистых пород, где скорости достигают 125 м/сут.

Эту скорость фильтрации называют кажущейся, поскольку расход потока отнесен ко всей площади поперечного сечения фильтрующей породы. Если принять напорный градиент за единицу, то коэффициент фильтрации можно рассматривать как кажущуюся скорость движения воды.

Действительную скорость (Vq) представляет собой отношение расхода воды к той части поперечного сечения, которая занята порами:

В глинистых породах, где много физически влаги, не участвующей в гравитационном движении воды и заполняющей поры, различают активную пористость (Пакт), показывающую какая часть сечения породы способна пропускать движущуюся воду

Пакт=П - WММВ . гск

Где WММВ максимальная молекулярная влагоёмкость в долях единицы, гск - объемный вес скелета породы

Методы определения коэффициента фильтрации.

Расчетным путем коэффициент фильтрации определяется преимущественно для песков и гравелистых пород. Эти методы являются приближенными и рекомендуются на начальных этапах исследования. Для расчетов используют одну из многочисленных эмпирических формул, связывающих коэффициент фильтрации грунта с его гранулометрическим составом, пористостью степенью однородности

Лабораторные методы основаны на изучении скорости движения воды через образец грунта при различных градиентах напора. Все приборы для лабораторного определения коэффициента фильтрации могут быть подразделены на два типа: с постоянным напором и с переменным. Рисунок 1

Принцип работы приборов: В цилиндрический сосуд с двумя боковыми пьезометрами П1 и П2 помещают испытуемый грунт, через него фильтруют воду под напором. Зная диаметр цилиндра F, напорный градиент (I = ДH/L) и измеряя расход профильтровавшейся воды Q, находим коэффициент фильтрации по формуле k = QL/F(h1-h2), где h1 и h2 - показатели пьезометров; L - расстояние между точками их соединения

Приборы, моделирующие постоянство напорного градиента, т. е. установившееся движение, применимы в основном для грунтов с высокой водопроницаемостью, например для песков. Для суглинков и супесей применяют приборы типа ПВГ, позволяющие определять коэффициент фильтрации образцов с нарушенной и ненарушенной структурой. Для глинистых пород наибольшее значение имеет определение коэффициента фильтрации в образцах с ненарушенной структурой, обжатых нагрузкой, под которой грунт будет находиться в основаниях зданий и сооружений.

Приборы, моделирующие переменный напор, характеризующий неустановившееся движение, обычно используют для определения коэффициента фильтрации связных грунтов с малой водопроницаемостью.

Простота и дешевизна лабораторных методов позволяет широко их использовать для массовых определений коэффициента фильтрации.

Полевые методы позволяют определить коэффициент фильтрации в условиях естественного залегания пород и циркуляции подземных вод, что обеспечивает наиболее достоверные результаты.

Коэффициент фильтрации водоносных пород определяют с помощью откачек воды из скважин, а в случае неводоносных грунтов - методом налива воды в шурфы и нагнетанием воды в скважины.

Наилучшим питьевым качеством обладают воды при pH = 6,5…8,5. Химически чистая вода бесцветна. Окраску воде придают механические примеси. Прозрачность воды зависит от цвета и наличия мути. Вкус связан с составом растворенных веществ: соленый - от хлористого натрия, горький - от сульфата магния и т. д. Запах зависит от наличия газов биохимического происхождения (сероводород и др.) или гниющих органических веществ.

Вода для питьевых целей должна быть бесцветна, прозрачна, не иметь запаха, быть приятной на вкус. Количество растворенных солей не должно превышать 1,0 г/л. Не допускается содержание вредных для здоровья человека химических элементов (уран, мышьяк и др.) и болезнетворных бактерий. Последнее в известной мере может быть нейтрализовано обработкой воды ультразвуком, хлорированием, озонированием и кипячением.

Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воздействии растворенных в воде солей на строительные материалы, в частности, на портландцемент. Поэтому при строительстве фундаментов и различных подземных сооружений необходимо уметь оценивать степень агрессивности подземных вод и определять меры борьбы с ней. В существующих нормах, оценивающих степень агрессивности вод по отношению к бетону, кроме химического состава воды, учитывается коэффициент фильтрации пород. Одна и та же вода может быть агрессивной и неагрессивной. Это обусловлено различием в скорости движения воды -- чем она выше, тем больше объемов воды войдет в контакт с поверхностью бетона и, следовательно, значительнее будет агрессивность.

По отношению к бетону различают следующие виды агрессивности подземных вод:

Общекислотная - оценивается величиной pH.

Сульфатная - определяется по содержанию иона SO

Магнезиальная - устанавливается по содержанию иона Mg

Карбонатная - связанная с воздействием на бетоны агрессивной углекислоты (возможен только в песчаных породах)

Агрессивное действие подземных вод на металлы (коррозия металлов). Подземная вода с растворенными в ней солями и газами может обладать интенсивной коррозионной активностью по отношению к железу и другим металлам. Подземные воды обладают коррозионными свойствами при содержании в них также агрессивной углекислоты, минеральных и органических кислот, солей тяжелых металлов, сероводорода, хлористых и некоторых других солей. Мягкая вода действует значительно агрессивней, чем жесткая. Влияние сильнокислых и сильно щелочных вод способствует наибольшему разъеданию металлов. Коррозии способствует повышение температуры воды, увеличение скорости ее движения, электрического поля в грунтовых толщах.

Вопрос №9. Опишите методы инженерно-геологических исследований (табл.9).

Таблица 9

Исходные данные к описанию методов инженерно-геологических изысканий

Ответ:

Инженерно-геологическая съемка -- комплексный метод получения информации о наборе компонентов инженерно-геологических условий некоторой территории путем наблюдений, описания свойств геологической среды и дешифрирования АКФМ, дополненных другими методами (горно-буровыми, геофизическими, опробованием). Территорией съемки может быть район предполагаемого хозяйственного освоения; вариант трассы линейного сооружения; вариант строительной площадки, реже -- выбранная строительная площадка.

Съемка ведется с целью:

· обоснования схем развития и размещения отраслей промышленности и народного хозяйства (зонирование территории);

· сравнительной оценки геологических условий строительства сооружений на намеченных вариантах, проводимой для выбора площадки размещения сооружения (трассы);

· решения вопросов размещения отдельных сооружений на строительной площадке;

· решения специальных вопросов, преследующих цель разработки прогноза изменения свойств геологической среды при освоении территории.

В зависимости от цели инженерно-геологическую съемку проводят в среднем или крупном масштабе. Средними считается группа масштабов 1:100 000 - 1:500 000. Крупными - крупнее 1:50 000. Государственная инженерно-геологическая съемка проводится в масштабе 1:200 000. В районах с простыми инженерно-геологическими условиями масштаб государственной съемки может быть 1:500 000, а со сложными -- 1:100 000. При отсутствии геологической и гидрогеологической карт выполняется комплексная геологическая, гидрогеологическая и инженерно-геологическая съемка. Государственная инженерно-геологическая съемка -- съемка общего назначения, выполняемая для обоснования схем развития и размещения отраслей различной хозяйственной деятельности, схем расселения, а также схем развития и размещения производительных сил. Съемки крупного масштаба, как правило, являются специальными, т. е. проводятся с целью решения задач проектирования отдельных видов строительства. Основным продуктом инженерно-геологической съемки всегда является карта инженерно-геологических условий с пояснительной запиской.

Инженерно-геологическая съемка включает:

· наземные и аэровизуальные наблюдения

· дешифрирование АКФМ

· горные и буровые работы

· инженерно-геологическое опробование

· геофизические работы

· некоторые специальные методы (зондирование, пенетрационно - каротажный и др.).

Состав работ, входящих в инженерно-геологическую съемку, может несколько изменяться в зависимости от природных, в том числе и геологических, условий и масштаба съемки. Так, например, зондирование или пенетрационно-каротажные методы неприменимы в районах распространения скальных и полускальных пород, а метод ключевых участков не используется при крупномасштабной инженерно-геологической съемке. В ходе инженерно-геологической съемки должна соблюдаться определенная последовательность отдельных видов работ. Это позволяет опираться на результаты ранее проведенных работ при планировании (корректировке методики проведения) последующих. Методики средне- и крупномасштабной инженерно-геологических съемок существенно различаются, поэтому они будут рассмотрены отдельно.

Среднемасштабная инженерно-геологическая съемка

При среднемасштабной инженерно-геологической съемке полевым работам обычно предшествует дешифрирование АКФМ, цель которого заключается в составлении предварительной схематической карты инженерно-геологических условий или в худшем случае -- схемы размещения отдельных компонентов инженерно-геологических условий; выявлении структуры ландшафта (составление схемы ландшафтного районирования) и установлении местоположения ключевых участков общего (эталонов и граничных) и специального назначения, опорных маршрутов аэропрофилей, наземных и опорных профилей, ориентированных по главным направлениям изменчивости.

Крупномасштабная инженерно-геологическая съемка

При крупномасштабной инженерно-геологической съемке выполняют практически те же работы, что и при среднемасштабной. Однако соотношение работ, выполняемых разными методами, изменяется. Крупномасштабная инженерно-геологическая съемка в подавляющем большинстве случаев является специализированной. Она выполняется с целью получения инженерно-геологической информации, нужной для проектирования конкретных сооружений, для расчетов инженерно-геологических процессов. Возрастает роль количественных оценок в инженерно-геологической информации, повышаются требования к ее точности и доверительной вероятности.

Динамическое зондирование предназначено для исследования песчано-глинистых пород, содержащих не более 40 % крупнообломочного материала, на глубину до 20 м. С помощью этого метода можно:

· расчленить разрез пород на слои, отличающиеся сопротивлением динамической пенетрации с высокой точностью (до 0,05 м);

· установить их степень однородности, определить показатели некоторых свойств и глубину забивки свай.

Динамическое сопротивление пенетрации

Зонд, включающий штанги и наконечник, забивают в грунт ударами молота, падающего с фиксированной высоты (рис. 3). При забивке зонда фиксируют число ударов и глубину погружения зонда от одного залога, который устанавливают в зависимости от сопротивления грунта. Сопротивление, оказываемое грунтом зонду, называется динамическим сопротивлением пенетрации. Оно включает сопротивление грунта прониканию наконечника и силу трения по боковой поверхности зонда (между грунтом и штангами).

Рис.3. Схема установки динамического зондирования

1 -- конический наконечник; 2 -- штанга зонда; 3 -- наковальня; 4 -- молот; 5 -- захват молота; 6 -- ограничитель высоты подъема молота

Результаты динамического зондирования представляют в виде графиков: зависимости показателя зондирования N, щ, p_д от глубины о₃. Рядом специалистов (В. А. Дуранте, Г. К. Бондарик, И. Оде и др.) были предложены различные классификации плотности сложения (или плотности грунта) песчаных пород разного генезиса. Они учтены в классификации, помещенной в приложении к СП 11-105-97. По показателям динамического зондирования можно определять приближенные значения показателей свойств.

Для расчленения разреза песчано-глинистых пород на слои, однородные по величине динамического сопротивления пенетрации и оценке среднего значения показателя пенетрации однородного слоя, удобно использовать палетку, предложенную М. И. Горальчук На палетке выделены зоны безразличия, отвечающие средним значениям показателя пенетрации R_k. Накладывая палетку на график накопленных сумм показателя пенетрации вида

?(N, щ,р_д ) =ѓ(о₃),

легко и объективно по формальным данным расчленяют разрез на слои. Палетку строят до начала зондирования, все величины берутся в масштабе графика зондирования.

Для динамического зондирования применяют серийно выпускаемую установку УБП-15М Гидропроекта и другие установки. В России чаще всего используют зонд со штангами диаметром 42 мм и коническим наконечником (угол раскрытия конуса 60°) диаметром 74 мм.