Оценка гидрогеологических условий площадки строительства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Кафедра геотехники

КУРСОВАЯ РАБОТА

ОЦЕНКА ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПЛОЩАДКИ СТРОИТЕЛЬСТВА

Санкт-Петербург

2013

ВВЕДЕНИЕ

На строительных площадках многие трудности связаны с подземными водами: затопление котлованов (траншей) нарушение устойчивости их стенок, прорыв дна под воздействием напорных вод и другие. 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 за счет водопонижения. Поэтому оценка гидрогеологических условий является важнейшей составной частью инженерно-геологических изысканий, на основе которых ведется проектирование оснований и фундаментов.

Для целей проектирования и строительства понятие «гидрогеологические условия» можно определить как совокупность следующих характеристик водоносных горизонтов (слоёв):

1) их количество в изученном разрезе,

2) глубина залегания,

3) мощность и выдержанность,

4) тип по условиям залегания,

5) наличие избыточного напора,

6) химический состав,

7) гидравлическая связь с поверхностными водами и другие показатели режима.

Режим подземных вод изменяется как в процессе строительства, так и в период эксплуатации зданий и сооружений. Изменения могут иметь временный или постоянный характер. Наиболее часто встречаются:

* понижение уровня грунтовых вод (проходка котлованов, систематический дренаж, устройство дорожных выемок, дренирующих засыпок траншей и др.);

* снижение упоров в межпластовых водоносных горизонтах (проходка котлованов и коллекторов глубокого заложения);

* повышение уровня грунтовых вод (утечки из водонесущих сетей, «барражный» эффект фундаментов глубокого заложения, крупных подземных сооружений и т. п.);

* изменение химического состава и температуры подземных вод (утечки из сетей, антиналедные мероприятия и др.).

Понижение уровня грунтовых вод может влиять да состояние песчаных и супесчаных грунтов, вызывая как разуплотнение, так и уплотнение их.

Повышение уровня грунтовых вод вызывает увеличение влажности и индекса текучести у пылевато-глинистых грунтов, что приводит к уменьшению прочности и деформативных показателей.

Практически все перечисленные изменения свойств грунтов, вызванные нарушением гидрогеологических условий могут приводить к дополнительным осадкам грунтовой толщи и деформациям сооружений.

ЗАДАНИЕ

Рисунок 1. Карта фактического материала, участок №3, масштаб 1:2000.

Таблица 1. Исходные данные для построения колонок буровых скважин

№ скв. и абсолютотметка устья	Номер слоя	Геологический индекс слоя	Полевое описание пород	Отметка подошвы слоя, м.	Отметка уровней подземных вод
2 36,2	1	mlQIV	Песок пылеватый, средней плотности, с глубины 1,0 м, водонасыщенный	35,0	35,2 35,3
	2	lgQIII	Суглинок ленточный, мягкопластичный	32,1
	3	gQIII	Песок гравелистый, плотный, водонасыщенный	29
	4	gQIII	Суглинок с гравием, галькой, полутвердый	25,1
	5	€I	Глина голубая, полутвердая	24,2
4 33,2	1	mlQIV	?	31,8	33,0 33,1 28,3 33,0
	2	lgQIII	Суглинок слоистый, полутвердый	28,3
	3	gQIII	Песок гравелистый, плотный, водонасыщенный	26,1
	4	gQIII	Суглинок с гравием, тугопластичный	22,6
	5	€I	Глина голубая, твердая	21,6
6 33,6	1	mlQIV	Песок пылеватый средней плотности, водонасыщенный	31,4	32 32
	2	lgQIII	Супесь слоистая, пластичная	28,2
	3	gQIII	Песок гравелистый, плотный, водонасыщенный	27,4
	4	gQIII	Суглинок с гравием, галькой, тугопластичный	23,7
	5	€I	Глина голубая, полутвердая	21,2

Таблица 2. Результаты гранулометрического анализа грунтов 1-го слоя

№уч	№сква-жины	Галька	Гравий	Песчаные	Пылеватые	Глини-стые
				2-0,5	0,5-0,25	0,25-0,1	0,1-0,05	0,05-0,01	0,01-0,005
3	4	-	-	32	20	11	18	10	7	3

1. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

Из представленной карты практического материала делаем выводы. Участок представляет собой долину, имеющую небольшой уклон в северо-восточном направлении, в северо-восточной части имеется овраг. Абсолютные отметки поверхности на участке от 33,2 м (скв. 4) до 36,2 м (скв. 2). Колебание высот на участке 3м.

Уклон рассчитаем по линии, проведенной вдоль скважин 2-4-6:

I2-4 = (36,2 - 33,2) / 90 = 0,033

I4-6 = (33,6 - 33,2) / 110 = 0,004

Строим геолого-литологический разрез по линии, проведенной через скважины 2-4-6 (рис. 2). Исходные данные для построения разреза приведены в табл. 1.

Рисунок 2. Геолого-литологический разрез.

Для верхнего грунта скв. 4. Заданы следующие результаты гранулометрического состава (табл. 2.)

Таблица 2. Результаты гранулометрического анализа грунтов 1-го слоя

№уч	№сква-жины	Галька	Гравий	Песчаные	Пылеватые	Глини-стые
				2-0,5	0,5-0,25	0,25-0,1	0,1-0,05	0,05-0,01	0,01-0,005
3	4	-	-	32	20	11	18	10	7	3

Т.к. частиц размером >0,25мм в грунте 51%, то этот грунт - песок средней крупности.

Далее строим график гранулометрического состава (рис.3). Для этого составляем вспомогательную таблицу полных остатков (табл. 3).

Таблица 3. Вспомогательная таблица полных остатков

Диаметры частиц, мм	<2	<0,5	<0,25	<0,1	<0,05	<0,01	<0,005
Сумма фракций, %	100	69	49	38	20	10	3

Выбираем масштаб графика по оси ординат 1см - 10%, по ассо абсцисс 4 см соответствуют lg10=1.



Рисунок 3. Суммарная кривая гранулометрического состава

Определим степень неоднородности гранулометрического состава по формуле:

Сu = d60/d10, (1)

Сu = 0,33/0,01 = 33

Грунт неоднородный, суффозионно неустойчивый.

Определим ориентировочное значение коэффициента фильтрации k (м/сут). Для песков со степенью неоднородности меньше 5 и d10 больше 0,1, он определяется по формуле:

k = Cd210 , (2)

где С - эмпирический коэффициент, зависящий от гранулометрического состава,

С=400…1200.

В остальных случаях значение k определяют по таблицам средних значений или экспериментально. Для заданного песка (средней крупности) определяем k=10…30 м/сут.

Высота капиллярного поднятия определяется по формуле:

hK = C/(ed10) , (3)

где е - коэффициент пористости, е = 0,66 д.ед. для песка средней крупности,

С - эмпирический коэффициент, примем С = 0,3.

hK = 0,3/(0,660,01) = 45 см.

Рисунок 4. Инженерно-геологические элементы.

За инженерно-геологический элемент принимают некоторый объем грунта одного номенклатурного вида, однородного по свойствам и состоянию. Этот объем может быть представлен слоем или частью слоя, линзой, прослоем, иногда целой пачкой ритмично перемежающихся слоев или прослойков.

Основанием для выделения ИГЭ служат следующие показатели свойств и состояния грунта:

- для песчаных грунтов: гранулометрический состав и коэффициент пористости;

- для глинистых грунтов: число пластичности, показатель текучести, коэффициент пористости, влажность.

Дополнительно могут быть использованы такие показатели как модуль деформации, сопротивление сдвигу и другие.

Инженерно-геологические элементы (ИГЭ) в пределах пробуренной толщи:

1. Песок пылеватый, средней плотности, с глубины 1м водонасыщенный, (mlQIV).

2. Песок средней крупности, водонасыщенный, (mlQIV).

3. Песок пылеватый, средней плотности, водонасыщенный, (mlQIV).

4. Суглинок ленточный, мягкопластичный, (lgQIII)

5. Суглинок слоистый, полутвердый, (lgQIII)

6. Супесь слоистая, пластичная, (lgQIII)

7. Песок гравелистый, плотный, водонасыщенный, (gQIII)

8. Суглинок с гравием, галькой, полутвердый, (gQIII).

9. Суглинок с гравием, тугопластичный, (gQIII)

10. Глина голубая, полутвердая €1.

Коренная порода -- это магматическая или осадочная горная порода, не подвергшаяся существенному изменению выветриванием и денудацией после выхода на земную поверхность, т.е. породы, залегающие под четвертичными отложениями.

Коренной породой в представленном разрезе является слой голубой глины (€I). Кровля слоя падает по направлению от скв. 2 (глубина залегания - 25,1м) к скв. 6 (глубина залегания -23,7м). Расчлененность пласта коренной породы на данном разрезе не наблюдается. Данная коренная порода является довольно устойчивым основанием.

Категория сложности инженерно-геологических условий устанавливаем по геоморфологическим условиям и геологическим факторам: II (средней сложности).

Геоморфологические условия - площадка в пределах нескольких геоморфологических элементов одного генезиса. Поверхность наклонная, слабо расчлененная.

Геологические факторы в сфере взаимодействия зданий и сооружений с геологической средой - находится не более 4 слоев различных по литологии, залегающих наклонно, с выклиниванием. Мощностью изменяется закономерно. Существенное изменение характеристик свойств грунтов в плане или по глубине.

Гидрогеологические факторы в сфере взаимодействия зданий и сооружений с геологической средой - несколько выдержанных горизонтов подземных вод, местами с не однородным химическим составом.

Слабые ИГЭ расположены в 2 слоя: 1-2-3 и 7.

2. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

На участке имеется 2 водоносных слоя

Первый водоносный слой:

- по типу залегания относится к грунтовым;

- водоносный слой - песок (mlQIV), первый (поверхностный), мощность 2,8…4,0м;

- водоупорный слой (первый) - ленточный суглинок (lgQIII), мягкопластичный;

- слой ненапорный.

Второй водоносный слой:

- по типу залегания относится к межпластовым,

- водоносный слой - гравелистый песок (gQIII), средней плотности, водонасыщенный, глубина залегания 4,0…5,5 м, мощность слоя около 2,1…3,1 м;

- водоупорный слой (второй) - глина голубая (€I), твердая или тугопластичная;

- напор Низб = 4,7м.

Характер потока грунтовых вод

Грунтовый поток радиальный.

Рассчитаем величины, характеризующие грунтовый поток, в заданном направлении, т.е. на отрезках 65-66 и 66-67.

Гидравлический градиент:

i = ДH/l , (4)

где ДH - перепад отметок в соседних точках,

l - расстояние между точками.

I65-66 = (9,2 - 8,3)/55 = 0,016

I66-67 = (9,8 - 9,2)/75 = 0,008

Скорость потока кажущаяся:

V = ki , (5)

где - коэффициент фильтрации, как указывалось ранее k =20…75 м/сут.

Скорость грунтового потока действительная:

VД = V/n , (6)

где n - пористость водовмещающих пород, принимаем для песка крупного n =0,43

V65-66 = 400,016 = 0,64

V66-67 = 400,008 = 0,32

VД 65-66 = 0,64/0,43 = 1,5

VД 66-67 = 0,32/0,43 = 0,74

Участок возможного подтопления - в западной части углубленного сооружения.

Анализ грунтовых вод

В задании приведены данные химического состава грунтовых вод. Произведем перевод из ионной формы в эквивалентную, для этого содержание иона в мг/л разделим на его эквивалентную массу. Результаты в табл. 4.

Таблица 4. Выражение результатов анализа.

Ионы	Содержание, мг/л	Эквивалентное содержание	Эквивалентная масса
		мгэкв.	(% экв.)
Ca2+ Катионы Mg2+ K+Na+	83 12 13	4,14 1 0,57	73 17 10	20,04 12,16 23
Сумма катионов	108	5,71	100
SO42- Анионы Cl- HCO3-	27 10 290	0,56 0,28 4,75	10 5 85	48,03 35,46 61,01
Сумма анионов	327	5,59	100
Общая сумма	435

HCO3 85 SO4 10

М0,44 рН 7,6

Са 73 Mg 17 К+Na 10

По общему содержанию солей устанавливаем наименование воды - пресная,

По преобладающим ионам - бикарбонатно-кальциевая.

По кислотности - щелочная.

Грунтовые воды на участке являются неагрессивными по отношению к бетону.

Оценка качества воды по отношению к бетону.

Для скв.9.

Бикарбонатная щелочность HCO3- , мг/л: 70 < 85.4.

Водородный показатель рН: 7.5 > 6.5.

Содержание магнезиальных солей в пересчете Mg2+, мг/л: 70 < 1000.

Содержание едких щелочей в пересчете на ионы К+ и Na+, мг/л: 120 > 50.

Содержание сульфатов в пересчете на ионы SO42-, мг/л: 7 < 250.

Вода является агрессивной по отношению к бетону из-за содержания бикарбонатной щелочности, едких щелочей.

Категория сложности участка по гидрогеологическим факторам - средней сложности.

3. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПРИ СТРОИТЕЛЬНОМ ВОДОПОНИЖЕНИИ

Способ водопонижения - самотечное, т.е. отвод воды дренажной траншеей (l/b <10). Глубина выемки 4,0 м. Тип выемки - совершенная, т.к. ее дно доходит до водоупора.

При водопонижении формируется радиальный поток. Поступление воды в котлован (траншею) из поверхностного водоема не будет.

Для дренажной траншеи принимаем произвольно S=0,5Н1=0,54 = 2м

Радиус влияния водопонижения рассчитывается по эмпирической формуле:

R = 2Shk , (7)

R = 2 2 440 = 50,6 м.

Значение - заниженное.

Табличное значение R=100…120м, для расчета принимаем меньшее значение.

Определим приток воды:

, (8)

Для траншеи с притоком с двух сторон:

, (9)

где k - коэффициент фильтрации грунта, принимаем k=40м/сут;

h1 и h2 - мощность до и после водопонижения, м;

R - радиус влияния водопонижения, м;

l - длина траншеи, м.

Рисунок 5. Схема притока к совершенной траншее.

4. ПРОГНОЗ ПРОЦЕССОВ В ГРУНТОВОЙ ТОЛЩЕ, СВЯЗАННЫХ С ПОНИЖЕНИЕМ УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД

1. Механическая суффозия в откосах выемки

Возможность развития суффозии определим по графику Истоминой. Значение Сu = 12 было определено ранее.

Значение i рассчитаем по формуле:

i = S/0,33R , (12)

где S - разность напоров водоносного слоя, S=2м;

R - путь фильтрации, равный наибольшему значению радиуса влияния, м;

Принимаем табличное значение R = 120м.

i = 2/0,33120 = 0,05

Получаем точку на графике (0,05;12), находящуюся ниже кривой, т.е. в области безопасных градиентов. Суффозионного выноса можно не опасаться.

2. Фильтрационный выпор в дне выемки

Т.к. котлован - совершенный и величина градиента при водопонижении i<1, то фильтрационного выпора можно не опасаться.

3. Оседание поверхности земли

Предварительный расчет осадки территории произведем по формуле:

, (13)

где Sw - величина водопонижения, принимаем Sw = S = 2м;

Е - модуль общей деформации грунта в зоне депрессионной воронки,

примем Е= 40103 кПа.

, (14)

, (15)

, (16)

или , (17)

где г - удельный вес грунта, для ленточного суглинка г = 27,2 кН/м3;

гsb - то же ниже уровня грунтовых вод;

гs - удельный вес твердых частиц грунта, кН/м3;

гw - удельный вес воды, гw = 10 кН/м3;

n, е - показатели пористости, n = 0,55 д.ед., е = 0,9;

w - влажность, для суглинка w=14…19%.



Рисунок 6. Схема оседания поверхности земли при водопонижении:

А - зона аэрации до водопонижения, Б - зона полного водопонижения,

В - зона «осушенного» грунта.

5. ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ НАПОРНЫХ ВОД НА ДНО КОТЛОВАНА (ТРАНШЕИ)

При высоком давлении напорных вод возможен подъем дна котлована за счет разуплотнения грунта в его основании или прорыв напорных вод в котлован (рис.7). Проверим, возможны ли данные явления на участке. Для этого вычислим значения избыточного давления и давления грунта и сравним их.

Давление напорных вод рассчитывается по формуле:

ризб = гwHw , (18)

где Hw - разность высот между уровнем появления воды и уровнем установившейся воды,.

гw - удельный вес воды, кН/м3.

Давление грунта рассчитаем по формуле:

ргр = гhгр , (19)

где г - удельный вес грунта, кН/м3;

hгр - высота слоя грунта между водоносным слоем и дном котлована.

Высоту грунта можно определить как разность глубины залегания водоносного слоя и глубины котлована. В данном случае:

hгр = 11,4 - 7,4 - 2 = 2 м.

ргр = 27,22 = 54,4 кПа

Hw = 10,2 - 5,5 = 4,7 м.

ризб = 104,7 = 47 кПа

Т.к. ризб<ргр , то прорыва напорных вод в котлован не будет.

Рисунок 7. Схема воздействия напорных вод на дно котлована

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Участок представляет собой долину, имеющую небольшой уклон на запад. Абсолютные отметки поверхности от 11,4м до 9,3м. Уклон I = 0,016.

Из геологического разреза участка видно, что в основании залегает слой коренной породы, представленный голубой глиной. Такая глина является достаточно устойчивым основанием. Четвертичные отложения - гляциальный и элювиальные - представлены песками различной крупности и водонасыщенности, а также слоем суглинка с линзами супеси. Слои залегают наклонно, мощность их изменяется закономерно.

В четвертичных отложениях наблюдаются отличия в структуре и водонасыщении слоев, что дает основания для выделения большого числа ИГЭ (рис. 2).

Слои песка являются водоносными, а слои суглинок и глина - водоупорными. В результате чего на участке имеется два типа подземных вод: ненапорные грунтовые и напорные.

Площадка для строительства, расположенная на данном участке имеет II категорию сложности (среднюю).

Перед началом строительных работ на участке необходимо произвести водопонижение, тип - самотечное, т.е. отвод воды дренажной траншеей. В результате водопонижения произойдет некоторое оседание поверхности земли (рис. 6).

1. Категория сложности инженерно-геологических условий.

Категория сложности - II(средней сложности).

Геоморфологические условия - площадка в пределах нескольких

геоморфологических элементов одного генезиса. Поверхность наклонная, слабо расчлененная.

Геологические факторы в сфере взаимодействия зданий и сооружений с геологической средой - находится не более 4 слоев различных по литологии, залегающих наклонно, с выклиниванием. Мощностью изменяется закономерно. Существенное изменение характеристик свойств грунтов в плане или по глубине.

Гидрогеологические факторы в сфере взаимодействия зданий и сооружений с геологической средой - несколько выдержанных горизонтов подземных вод, местами с не однородным химическим составом.

Слабый ИГЭ - Супесь пылеватая пластичная, песок пылеватый.

ИГЭ в пределах пробуренной толщи: перечислить.

2. Категория сложности участка по гидрогеологическим факторам.

Участок относится ко II категории сложности, т.к. имеет два горизонта подземных вод с неоднородным химическим составом.

3. Неблагоприятные процессы в грунтовой толще, связанные с техногенным воздействием при строительном освоении территории.

Возможен прорыв напорных вод.

4. Оценка категории сложности инженерно-геологических условий в целом.

II категория (средней сложности).

5. Необходимые защитные мероприятия.

Защита бетона от бикарбонатной щелочности, едких щелочей, водопонижение от несовершенной выемки.

ЛИТЕРАТУРА

выемка земля инженерный геологический

1. Ананьев В.П., Потапов А.Д. Инженерная геология. - М., 2000.

2. Гавич И.К. и др. Сборник задач по общей геологии. - М., 1985.

3. Руководство по производству и приемке работ при установке оснований и фундаментов. - М., 1977.

4. Солодухин А.М., Архангельский И.В. Справочник техника-геолога по инженерно-геологическим и гидрогеологическим работам. - М., 1982.

5. СНиП 11-02-96. Инженерные изыскания для строительства: основные положения. М., 1997.

6. СП 11-105-97. Свод правил для инженерных изысканий в строительстве. - М., 1998.

7. СНиП 2.03.11-85. Защита строительных конструкций от коррозии. - М., 1986.

Размещено на Allbest.ru

...