Оценка гидрогеологических условий на площадке строительства и прогноз развития неблагоприятных процессов при водопонижении

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Кафедра геотехники

Курсовая работа по инженерной геологии

ОЦЕНКА ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ПЛОЩАДКЕ СТРОИТЕЛЬСТВА И ПРОГНОЗ РАЗВИТИЯ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВОДОПОНИЖЕНИИ

Работу выполнил студент группы

5-П-III

Фиткевич М.В.

Санкт-Петербург 2011

Введение

На строительных площадках многие трудности связанны с подземными водами (гидрогеологическими условиями): затопление котлованов (траншей), нарушение устойчивости их стенок, прорыв дна под воздействием напорных вод и др. В дальнейшем, уже при эксплуатации отдельных сооружений или застроенных территорий в целом, также могут возникнуть осложнения: подтопление подвалов, коррозия бетона и других материалов, проседание поверхности земли при водопонижении. Понижение уровня грунтовых вод также может влиять на состояние песчаных и супесчаных грунтов, вызывая как их разуплотнение, так и уплотнение. Повышение же уровня грунтовых вод вызывает увеличение влажности, а соответственно и индекса текучести у пылевато-глинистых грунтов, что приводит к уменьшению их прочностных и деформативных показателей. Перечисленные изменения свойств грунтов, вызванные нарушением гидрогеологических условий, могут приводить к дополнительным осадкам грунтовой толщи и деформациям сооружений.

Поэтому оценка гидрогеологических условий является важнейшей составной частью инженерно-геологических изысканий, на основе которых ведётся проектирование оснований и фундаментов.

Гидрогеологические условия в свою очередь определяются режимом подземных вод. Параметрами которого являются: количество вод в изученном разрезе, глубина их залегания, мощность, тип по условию залегания (верховодка, межпластовые воды, грунтовые воды и др.), наличие избыточного напора, химический состав, температура, гидравлическая связь с поверхностными водами, и другие.

1. Исходные данные

1.1 Карта фактического материала

Рис. 1

1.2 Геолого-литологические колонки опорных скважин

Таблица 1 Скважина №19 Н=12,0м

Таблица 2 Скважина №20 Н=10,0м

Таблица 3 Скважина №21 Н=12,0м

Таблица 4 Скважина №22 Н=12,0м

1.3 Результаты гранулометрического анализа

Таблица 5 Грунты первого водоносного слоя

Номер участка	Номер скважины	Гравий 10-2	Песчаные	Пылеватые	глинистые
			2-0,5	0,5-0,25	0,25-0,1	0,1-0,05	0,05-0,01	0,01-0,005
3	17	1	2	16	57	11	5	2	6

Из таблицы видно, что грунт первого слоя это супесь песчанистая с включением гравия.

Таблица 6

Номер участка	Номер скважины	Галька	Гравий 10-2	Песчаные	Пылеватые	Глинистые
				2-0,5	0,5-0,25	0,25-0,1	0,1-0,05	0,05-0,01	0,01-0,005
3	20	-	-	9	13	28	12	25	12	1

Из таблицы видно, что грунт первого слоя это песок пылеватый

1.4 Результаты химического анализа грунтовых вод

Таблица 7

Номер скважины	Ca	Mg	K+Na	SO4	Cl	HCO3	CO2св	pH
	мг/л
17	44	27	7	110	36	134	110	5,7
20	116	35	35	273	38	207	25	6,8

1.5 Сведения о физико-механических свойствах грунтов

Таблица 8

Грунт	Индекс слоя	Плотность, т/м3	число пластичности Iс,д.ед.	Показатели пористости, д. ед.	Модуль деформации Е, МПа	Содержание ОВ,%	Степень разложения торфа
		сs	с		n	e
Супесь пылеватая с растительными остатками	(m-l)IV	2,62	1,85	0,06	0,6	1,5	7-15	7,5	-
Суглинок слоистый	lg III	2,68	2,05	0,03	0,38	0,6	8-21	-	-
Суглинок ленточный	lg III	2,72	1,92	0,16	0,55	0,9	6-12	-	-
Суглинок с гравием, галькой	lg III	2,7	2,15	0,14	0,31	0,45	20-30	-	-
Торф верховой слабо разложившийся	bIV	1,5	0,9	-	0,91	18	0,8	90	15

ОВ- органическое вещество

2. Аналитический блок

2.1 Определение пропущенного слоя и его характеристика

Таблица 9 Результаты гранулометрического анализа скважина №17 (по заданию)

Диаметры частиц, мм	10-2	2-0,5	0,5-0,25	0,25-0,1	0,1-0,05	0,05-0,01	0,01-0,005	<0,005
Содержание фракций, %	1	2	16	57	11	5	2	6

Супесь пылеватая, с растительными остатками.

Таблица 10 Вспомогательная таблица полных остатков

Диаметры частиц, мм	10	2	0,5	0,25	0,1	0,05	0,01	< 0,005
Сумма фракций, %	-	99	97	81	24	13	8	6

Рис. 2 Суммарная кривая гранулометрического состава

С помощью графика определим следующие характеристики грунта:

1. Значения действующего - d₁₀ и контролирующего - d₆₀ диаметров.

d₁₀=0,026

d₆₀=0,195

2. Степень неоднородности гранулометрического состава - С_и определим по формуле

Так как 3<С_u<10, грунт является неоднородным, суффозионно устойчивым.

3. Значение коэффициента фильтрации

Так как d₁₀<0,1 и С_u>5, мы не можем применить формулу для определения коэффициента фильтрации, поэтому воспользуемся таблицей средних значений, для легких супесей k_ф0,4 м/сут

4. Ориентировочное значение высоты капиллярного поднятия h_k (в сантиметрах).

где С=0,3 - эмпирический коэффициент,

е=1,5 - коэффициент пористости

Таблица 11 Результаты гранулометрического анализа скважина №20 (по заданию):

Диаметры частиц, мм	10-2	2-0,5	0,5-0,25	0,25-0,1	0,1-0,05	0,05-0,01	0,01-0,005	<0,005
Содержание фракций, %	-	9	13	28	12	25	12	1

Песок пылеватый, средней плотности, водонасыщенный

Таблица 12 Вспомогательная таблица полных остатков

Диаметры частиц, мм	<10	<2	0,5	<0,25	<0,1	0,05	<0,01	<0,005
Сумма фракций, %	-	100	91	78	50	38	13	1

Рис. 3 Суммарная кривая гранулометрического состава

С помощью графика определим следующие характеристики грунта:

1. Значения действующего - d₁₀ и контролирующего - d₆₀ диаметров.

d₁₀=0,009

d₆₀=0,145

2. Степень неоднородности гранулометрического состава - С_и определим по формуле

Так как С_u>10, грунт - суфозионно неустойчивый песок.

3. Значение коэффициента фильтрации

Так как d₁₀<0,1 и С_u>5, мы не можем применить формулу для определения коэффициента фильтрации, поэтому воспользуемся таблицей средних значений, k_ф=3 м/сут

4. Ориентировочное значение высоты капиллярного поднятия h_k (в сантиметрах).

где С=0,1 - эмпирический коэффициент,

е=0,53 - коэффициент пористости

2.2 Характеристика рельефа площадки

Территория рассматриваемого участка представляет собой фрагмент полого-волнистой равнины в пределах абсолютных отметок от 13,8м до 18,5м. Общий уклон рельефа составляет i=0,03.

2.3 Геологическое строение площадки и выделение инженерно-геологических элементов (ИГЭ)

В геологическом строении площадки принимают участие следующие стратиграфо-генетические комплексы:

1. bIV-биогенные отложения. Представлены торфом. Глубина залегания колеблется от 0 до 3,8 м, мощность - от 1 до 1,7м.

2. (m-l)IV- морские, озерные, нерасчлененные отложения. Отложения представлены супесью пылеватой, пластичной, с растительными остатками. Глубина залегания колеблется от 0м до 1,7 м, мощность - от 2 до 4,1м.

3. lgIII- озерно-ледниковые верхнечетвертичные отложения. Отложения представлены суглинком ленточным, текучим. Глубина залегания колеблется от 2,2м до 4,1 м, мощность - от 1,9 до 4,9м.

4. gIII - ледниковые верхнечетвертичные отложения. В состав отложений входят: суглинок с гравием и галькой, тугопластичный; супесь с гравием, пластичная; супесь пылеватая с гнездами песка и гравием, пластичная. Глубина залегания отложений колеблется от 6,7м до 8 м, мощность - от 2,2 до 5,3м.

Выделение инженерно-геологических элементов.

Основой для выделения инженерно геологических элементов служит геолого-литологический разрез. При объединения в ИГЭ будем учитывать основные показатели свойств и состояний грунта: для глинистых грунтов такими показателями являются число пластичности, показатель текучести, коэффициент пористости(см. приложение 1).

ИГЭ-1 - песок пылеватый, водонасыщенный

ИГЭ-2 - супесь пылеватая, пластинчатая

ИГЭ-3 - суглинок ленточный, текучий

ИГЭ-4 - супесь с гравием, с гнездами песка, пластичная

ИГЭ-5 - суглинок с гравием, твердый.

2.4 Гидрогеологическое строение площадки

Описание гидрогеологических условий составляется на основе анализа колонок буровых скважин, геолого-литологического разреза и карты гидроизогипс.

В данном районе встречаются два водоносных горизонта.

Первый водоносный горизонт - безнапорные грунтовые воды, находящиеся в четвертичных водовмещающих породах, представляющих собой торф, супесь пылеватую, пластичную с растительными остатками. Залегает на глубинах от 0,3м. до 2,5м. Водоупором является суглинок ленточный, текучий. Мощность горизонта колеблется от 0,5м до 3,4м.

Водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации от 0,1 до 4,5 м/сутки

Второй горизонт напорных межпластовых артезианских вод вскрыт в скважине №17. Водовмещающей породой является супесь пылеватая, пластичная с гнездами песка и гравием, верхний водоупор - суглинок ленточный, текучий, нижний водоупор - суглинок с гравием, галькой тугопластичный, величина избыточного напора над кровлей 4,3 м.

По карте гидроизогипс (см. приложение 2) можно установить что на участке преобладает плоский поток направленный от гребня возвышенности к ее подножию.

Величина гидравлического градиента в среднем равна:

где - перепад отметок в соседних точках (м),

l - расстояние между этими точками

Кажущаяся скорость грунтового потока равна:

где k_ф=0,7 м/сут - коэффициент фильтрации

Истинная скорость потока равна:

где n=0,6 - пористость

2.5 Химический состав подземных вод и оценка агрессивности воды по отношению к бетону

Химический состав грунтовых вод изучен по пробам, отобранным в скважине №17.

Результаты анализа приведены в таблице (см. раздел 1.4).

Таблица 13 Выражение результатов анализа

Ионы	Содержание, мг/л	Эквивалентное содержание	Эквивалентная масса
		мг*экв	(%экв)
катионы	Na2+	7	0,3	6,3	23
	Mg2+	27	2,25	47,4	12
	Ca2+	44	2,2	46,3	20
Сумма катионов	78	4,75	100	-
Анионы	Cl-	36	1	18,2	35
	SO42-	110	2,3	41,8	48
	HCO3-	134	2,2	40	61
Сумма анионов	280	5,5	100	-
Общая сумма	358

Вода пресная, сульфатно-бикарбонатно-магниево-кальциевая, агрессивная по водородному показателю, т.к. pH<6,5.

Химический состав грунтовых вод изучен по пробам, отобранным в скважине №20.

Результаты анализа приведены в таблице (см. раздел 1.4).

Таблица 14 Выражение результатов анализа

Ионы	Содержание мг/л	Эквивалентное содержание	Эквивалентная масса
		мг-экв	(%-экв)
Катионы	Na+2	35	1,52	15	23,00
	Mg+2	35	2,88	27	12,16
	Ca+2	116	5,78	58	20,04
Сумма катионов	186	10,18	100%	-
Анионы	Cl-	38	1,07	11	35,46
	SO42-	273	5,68	56	48,03
	HСO3-	207	3,39	33	61,01
Сумма анионов	518	10,14	100%	-
Общая сумма	704	20,32	-	-

Вода сульфатно-бикарбонатно-хлоро-магниево-калициево-натриевая, пресная, агрессивная по сульфатному показателю по отношению к бетону, т. К. рН=6,8 - вода нетральная.

3. Гидрогеологические расчёты притоков воды при водопонижении

Строительное водопонижение применяется для снижения уровня грунтовых вод и величины избыточного напора межпластовых. В данной курсовой работе принимаем принудительный способ водопонижения. Расчеты производим по скважине №15.

3.1 Расчет водопритока в совершенный котлован в условиях принудительного водопонижения

Рис. 3

Глубина h_к=3.7 м

Длина l=150м

Ширина b= 40м

Коэф. фильтрации k=0,7 м/сут;

d_w=0,3м;

H=3,8-1,4=2,4 м;

Радиус влияния водопонижения: R=20 м;

Приведенный радиус котлована:

;

Радиус влияния котлована

R_k=R+r₀=63,7 м;

h₀=0,т.к. принудительное водопонижение.

3.2 Расчет водопритока в несовершенную траншею в условиях принудительного водопонижения

Длина: l =100м.

Глубина: 1,5м.

Ширина: b = 2м.

Коэффициент фильтрации k=0,4м/сут;

Радиус влияния водопонижения R=2,8м (берем минимальное значение, рассчитанное по эмпирической формуле , где h=WL-BL=3,4м)

Рис. 4

Длинна: l =100м.

Глубина: h_тр =1,5 м.

Ширина: b = 2 м.

Коэффициент фильтрации: k=0,7м/сут;

d_w=0,3 м;

s=t=h_тр-d_w=1,2 м; Н=3,4 м;

Радиус влияния водопонижения R=3,7 м (минимальное значение, рассчитываемое по эмпирической формуле , где h=WL-BL=3,4м)

h_a1=2,4 м

h_a2=1,2 м

водопонижение суффозия котлован бетон

4. Прогноз последствий водопонижения

Водопонизительные работы изменяют скорость движения и направления грунтовых вод. Открытый водоотлив из котлованов и траншей может сопровождаться выносом частиц грунта из стенок за счет нисходящего потока - механическая суффозия

4.1 Прогноз суффозионного выноса

Оценим возможность развития суффозии по графику В.С. Истоминой (Рис. 5). Для этого определим величину гидравлического градиента I при водопонижении в котловане и траншее, по формуле:

Рис. 5 График для оценки развития суффозии (по В.С. Истоминой): I - область разрушающих градиентов фильтрационного потока; II - область безопасных градиентов

где R-максимальное значение радиуса влияния

Для траншеи

Для котлована :

Учтем степень неоднородности грунта, установленную ранее С_u=16.

По графику можно сделать вывод о возможности развития суффозии(в случае несовершенной траншеи) и следовательно связанных с ней негативных воздействий на сооружение.

4.2 Фильтрационный выпор

Величина градиента при водопонижении (в случае несовершенной траншеи) равна 1, в связи с чем можно сделать вывод о возможности фильтрационного выпора.

4.3 Прогноз оседания поверхности земли при снижении уровня грунтовых вод

Рис. 6

Понижение уровня грунтовых вод вызывает увеличение давления грунта от собственного веса. Величина связанной с этим осадки зависит от глубины водопонижения и сжимаемости грунта. В пределах значительной площади осадка может быть неравномерной.

Предварительный расчёт осадки территории можно произвести по формуле:

где Дг=г - г_sb=18,5-6,5=12 кН/м³

г_sb=(г_s - г_w )(1 - n)=(26,2-10)(1-0,6)=6,5 кН/м³ -удельный вес грунта ниже уровня грунтовых вод,

г =18,5 кН/м³- удельный вес грунта

г_s =26,2 кН/м³ - удельный вес твёрдых частиц грунта, кН/м³_,

г_w =10 кН/м³- удельный вес воды, кН/м³ ,

n =0,6- пористость, д. ед.,

S =3,4м- величина водопонижения, м,

Е =30000 кН/м² - модуль общей деформации грунта в зоне депрессионной воронки.

Таким образом, при водопонижении S =3,4м осадка поверхности незначительна.

4.4 Прогноз воздействия напорных вод на дно котлованов (траншей), по скважине №17

В случае, если на площадке строительства выявлен напорный водоносный горизонт, необходимо проверить устойчивость грунтов в основании котлованов и траншей. Возможны три варианта:

1. p_изб<p_гр - дно выработки устойчиво;

2. p_изб=p_гр - подъем дна котлована за счет разуплотнения грунта в его основании;

3. p_изб>p_гр - прорыв напорных вод в котлован;

Рис. 7

p_изб= г_w*H_W=10*5,8=58 кН/м²

p_гр= г*h_гр =18,5*1,6=29,6 кН/м²

Так как p_изб<p_гр, дно выработки устойчиво и возможность прорыва или подъема дна достаточно малы.

Заключение

С учетом рекомендаций СП 11-105-97 сделаем выводы о категории сложности инженерно-геологических условий площадки:

рельеф исследуемого участка достаточно ровный, с небольшим уклоном. Разрез включает в себя три слоя по хронологическому параметру (III, IV) и четыре по генезису (m-l, lg, g, b). На разрезе можно выделить пять ИГЭ (ИГЭ-1 - песок пылеватый, водонасыщенный; ИГЭ-2 - супесь пылеватая, пластинчатая; ИГЭ-3 - суглинок ленточный, текучий; ИГЭ-4 - супесь с гравием, с гнездами песка, пластичная, тугопластичный; ИГЭ-5 - суглинок с гравием, твердый). По этим факторам участок можно отнести ко второй - средней категории сложности.

1. По геологическим условиям с сфере взаимодействия зданий и сооружений с геологической средой участок имеет I (простую) категорию сложности. Незначительная степень неоднородности слоев по показателям свойств грунтов, закономерно изменяющихся в плане и по глубине.

2. По гидрогеологическим условиям участок относится к категории II (средней) сложности, т.к. он имеет два выдержанных горизонта подземных вод, местами с неоднородным химическим составом. Исходя из химического анализа воды в скважине №20, делаем вывод, что вода сульфатно-бикарбонатно-хлоро-магниево-калициево-натриевая, пресная, агрессивная по сульфатному и водному показателю. Исходя из химического анализа воды в скважине №17, делаем вывод, что вода сульфатно-бикарбонатно-хлоро-магниево-калициево-пресная, агрессивная по водному показателю.

3. На данном участке возможны следующие неблагоприятные процессы в грунтовой толще: если при произведении работ и последующей эксплуатации сооружения на грунт будет оказано динамическое воздействие (вибрация), то возможно проявление тиксотропии, особенно в зоне ИГЭ-1, что может привести к нарушению устойчивости зданий и сложностям при проведении строительных работ- участок относится к категории II (средней) сложности.

4. По специфическим грунтам в сфере взаимодействия зданий и сооружений с геологической средой участок имеет II категорию сложности, т.к. такие грунты имеют ограниченное распространение и не оказывают существенного влияния на выбор проектных решений, строительство и эксплуатацию зданий и сооружений.

5. По техногенным воздействиям и изменениям освоенных территорий площадка относится ко III категории сложности, т.к. они не оказывают существенного влияния на выбор проектных решений и проведения инженерно-геологических изысканий.

Список используемой литературы

1. Зеленкова Н.И., Челнокова В.А. Оценка гидрогеологических условий площадки строительства // Санкт-Петербургский Государственный Архитектурно-Строительный Университет 2003 г.

2. СНиП 2.03. 11-85 Оценка агрессивности жидкой среды к бетонам разных марок.

3. Ананьев В.П. Учебная геология: учебник для строительных вузов. - М.: Высшая школа., 2006.

Размещено на Allbest.ru