Особенности пород плывунов в инженерной геологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Особености пород плывунов в инженерной геологии

В инженерной геологии к плывунам относят водонасыщенные тонко-, мелкозернистые пески и пылеватые суглинистые грунты, часто содержащие органическое вещество, переходящие в движение и оплывающие, особенно при сотрясении, при вскрытии их строительными и другими выработками.

«Истинные плывуны» (А. Ф. Лебедев, 1935) - тонко-, мелкозернистые пески, глинистые, с примесью органики и коллоидной фракции, обладающие высокой потенциальной подвижностью за счет тиксотропных свойств.

Это определение ограничивает другие породы, более крупные пески и пылеватые суглинистые грунты, которые под влиянием гидродинамического давления могут находиться в плывунном состоянии и вытекать в выработку при их вскрытии. Как только ослабевает («рассеивается») напор воды или уменьшается влажность и изменяется консистенция глин - эти породы теряют подвижность и приобретают устойчивость. Их называют псевдоплывунами.

Наиболее выраженной плывунностью обладают дисперсные породы, содержащие примесь органического материала, тиксотропные, относительно слабофильтрующие и испытывающие гидродинамическое давление.

Их оплывание может происходить как медленно, толстым слоем, так и быстро и даже катастрофически быстро, в виде прорыва, как только их вскрывают или подрабатывают, так что оставленный целик пород не в состоянии удержать их напора. При этом нарушается устойчивость вмещающих их пород, склонов, откосов, оползней, подземных выработок, сооружений, что представляет большую опасность при производстве строительных и горных работ.

Плывуны -- это слабые, неустойчивые породы, требующие применения специальных методов ведения строительных и горных работ и инженерных мероприятий для обеспечения устойчивости сооружений. По инженерно-геологической классификации горных пород истинные плывуны относятся к пятой группе, т. е. к породам особого состава, состояния и свойств.

Карл Терцаги определил понятие слабых грунтов: это такие грунты, модуль деформации которых не превышает 5 Мпа (50 кг/см²). К слабым грунтам относятся:

- лессовидные грунты в замоченном состоянии; - заторфованные грунты и торфы;

- плывуны; - сильно обводненные глинистые отложения; - илы и илистые грунты;

- насыпные грунты; - засоленные грунты; - оттаявшие мерзлые грунты.

Плывуны распространены среди четвертичных и коренных пород, на глубинах от 2-3 до 100 и более метров и генетически связаны с субаквальными отложениями различного происхождения. Залегают в виде слоев, линз или залежей неправильной формы мощностью до 3-4 м и более, простирающихся на десятки и сотни метров. Встречаются в долинах Днепра, Волги, Дона, Камы, Амударьи, в северо-западных районах Русской равнины и др. среди озерных, ледниково-озерных, озерно-болотных, флювиогляциальных, аллювиальных, моренных и морских отложений.

Геоморфологически плывуны в четвертичных отложениях наиболее часто связаны с речными долинами, аллювиальными и приморскими равнинами, а в коренных породах -- с осадочным чехлом платформ.

Характерные признаки плывунов. В естественном состоянии имеют серый цвет темных или светлых оттенков, в зависимости от содержания примесей; на воздухе становятся более светлыми, желтоватыми, охристыми.

Кусок плывуна естественного состояния выглядит как влажная порода с затхлым запахом, матовой поверхностью, с которой вода не стекает благодаря большой влагоемкости и малой водоотдаче. При встряхивании образец покрывается каплями и пленками воды, выступающей изнутри, и поверхность его становится блестящей.

При вскрытии выработками плывуны начинают течь как вязкая жидкость медленно или быстро в зависимости от величины напряженного состояния. Если оно обусловлено только собственным весом плывуна, то он оплывает медленно, а если гидростатическими и гидродинамическими силами большой величины - быстро, образуя прорыв.

Плывуны трудно разрабатываются. При проходке скважинами образуются пробки высотой до 10-15 м выше забоя, что связано с возникающей разностью напора в породе и затрубном пространстве скважины и внутри ее. Пробки затрудняют бурение и приводят к авариям. Плывуны надо проходить быстро, без остановок, с соблюдением определенных правил; обычно проходят желонкой, из которой его выливают на поверхность.

Для них характерна склонность к тиксотропным превращениям, т. е. разжижаться при сотрясении и вибрации и после прекращения воздействий вновь самопроизвольно восстанавливать свое первоначальное состояние. При высыхании он образует ломкие плитки.

Состав и физико-механические свойства плывунов. В грансоставе проявляется статистическое распределение частиц по размеру, с преобладанием тонко- (0,1-0,05 мм) или мелкозернистых (0,25-0,1 мм) фракций, в сумме составляя основную массу породы (табл.1).

Таблица 1. Гранулометрический состав плывунов

Характерно повышенное (больше, чем сумма всех песчаных, кроме доминирующей) содержание пылеватых (алевритовых) фракций (0,05-0,002 мм) и обязательное присутствие глинистых (тонкодисперсных) частиц (<0,002 мм). В тонкодисперсной части их содержатся коллоиды (дисперсные частицы размером <0,1 мкм), что предопределяет повышенную гидрофильность и текучесть под воздействием касательных напряжений. Грубодисперсные фракции (>0,5 мм) составляют следы.

Минеральный состав тонкодисперсной части состоит из гидрослюд, каолинита, монтмориллонита, глауконита, окислов кремнезема, глинозема и железа. Более грубозернистая часть состоит из зерен кварца, слюд, цветных минералов.

Физические и водные свойства: пониженная плотность, повышенные пористость и влагоёмкость, малые или очень малые водопроницаемость и водоотдача.

Плотность скелета 1,14-1,58 г/см³, пористость 36-58%, коэффициент пористости 0,67-1,39. Водоотдача 30-70%, коэффициент водоотдачи не превышает 0,20. Коэффициент фильтрации от нескольких сантиметров до 1 м/сут, при практическом отсутствии водоотдачи большая водоудерживающая способность и влажность. В условиях естественного залегания обладают очень малым сопротивлением сдвигу, угол естественного откоса от 3-4 до 8-9°. Модуль общей деформации до 100кгс/см² и более.

Плывунность проявляется при предельном разрушении структуры и освобождении иммобилизованной в порах воды.

Выделяются три типа структур плывунов:

- стабилизационные пластифицированные, с прочностью (напряжением сдвига) Р от 1 до 6 г/см² и лавинообразным разрушением;

- рыхлые коагуляционные, при отношении влажности к пределу текучести w/w_f = l,4--0,8 и

- синеретически уплотненные с w/w_f = 0,5--0,4.

Предельное напряжение сдвига у типичных плывунов до 50 г/см².

Математическая модель плывуна разработана К. Терцаги и Герсевановым по принципу фильтрационной консолидации.

Природа плывунности плывунов. К. Терцаги (1933г.) плывунность песков объяснял исключительно действием на них гидродинамического давления. II. Н. Маслов (1959, 1968, 1971 гг.) показал, что плывунность свойственна только таким пескам, в которых силы внутреннего трения не находят своего проявления, а силы связности либо отсутствуют, либо незначительны.

Истинные (типичные) плывуны имеют характерный состав, предопределяющий их повышенную гидрофильность и склонность к подвижкам (текучести) под воздействием даже ничтожно малых сил, которыми могут быть силы тяжести, гидростатического взвешивания и гидродинамического давления. На рис.1а показана схема распределения напряжений в водонасыщенной песчаной породе -- плывуне. Полное напряжение на глубине Н₁ + z от уровня воды в цилиндре равно

u

и слагается из веса столба воды и = (Н₁ + z)y_в, порового давления, передающегося на поровую воду, и веса слоя гидростатически взвешенной (облегченной) породы = z т. е. эффективного напряжения, передающегося на скелет породы (=). Если поровое давление равно атмосферному, его называют нулевым.

устойчивость строительный инженерный

Рис.1. Распределение напряжений в водонасыщениой песчаной породе-плывуне.

-- эффективное напряжение; и -- поровое давление.

В гидрофильной породе, где силы взаимодействия между частицами ослаблены физически связной водой, уменьшение эффективного напряжения при гидростатическом взвешивании еще больше его ослабляет, в результате чего снижается устойчивость породы в целом и она становится более склонной к оплыванию. При вскрытии она начнет плыть даже под действием собственной массы, как вязкая жидкость, т. к. сразу же в откосе (забое) возникнет сдвигающее усилие. Кроме того, в поровой воде возникает поровое давление, не равное нулю, и сдвигающая составляющая силы тяжести увеличивается на величину гидродинамического давления. В этом состоит причина плывунности плывунов. На видно, что Если уровень воды в пьезометрической трубке повысить на величину h (рис. 1 б), то начнется движение воды снизу вверх и в плывуне возникнет гидродинамическое давление

D_гд = = I,

которое уменьшит эффективное напряжение на величину D_гд = z - D_гд и еще больше снизит устойчивость породы. Если D_гд достигнет величины z, эффективное напряжение будет равно нулю. Напорный градиент / = (Н₁ + z + h)/z в этом случае будет критическим /_кр, т. к. при таких гидравлических условиях порода разрыхляется и начинает плыть, а в скважинах поднимается вверх от забоя и образует пробки. Скорость процесса зависит от величины D_гд (напорного градиента). Если градиент велик, плывун плывет с большой скоростью, образуя в прорыв: когда гидродинамическое давление в соотношении действующих на породу сил превалирует, то именно оно является главной действующей силой, приводящей ее в плывунное состояние.

На снижение сопротивления сдвигу водонасыщенных песков и переход их в плывунное состояние влияют микроорганизмы (В.В. Радина), выделяющие газопродукты, которые создают избыточное поровое давление и являются энергетическим фактором плывунности породы.

Природа плывунности плывунов связана с действием гравитационных, гидростатических и гидродинамических сил на гидрофильную породу с ослабленными внутренними силами взаимодействия между частицами -- на песчаную породу с малой прочностью (сопротивлением сдвигу). Доминирующая роль сил может изменяться в зависимости от геологического строения: условий залегания плывуна и условий его вскрытия.

Задачи строительства связаны с оценкой: 1) условий строительства на плывунах, использования их в качестве оснований с проектированием фундаментов сооружений; 2) условий строительства в плывунах, с необходимостью их разрабатывать и сооружать в них глубокие выемки, карьеры, подземные туннели.

Условия строительства должны быть обоснованы инженерно-геологическими данными:

- глубина и условия залегания (мощная толща, пласт, линза, залежь неправильной формы и т. д.), мощность, распространение по простиранию; состав и состояние вмещающих пород; условия залегания перекрывающих и подстилающих пород;

- геоморфология участка распространения плывунов (обнажение по склонам и откосам поверхности рельефа, в оврагах, размывах, признаки или возможности их выплывания, выдавливания и т. д.);

- состав и физико-механические свойства плывунов (плотность, степень выраженности тиксотропии, водоотдача и водопроницаемость, сопротивление сдвигу и деформируемость при естественном залегании) и перекрывающих и подстилающих пород;

- гидрогеологические особенности плывунов, глубину залегания уровня подземных вод, напор и направление уклонов поверхности подземных вод и пьезометрической поверхности;

- возможность и оценка эффективности методов осушения плывунной толщи, ее закрепления инъекциями силикатных растворов и замораживанием; изменения в результате этих мероприятий механических и фильтрационных свойств.

Плывуны могут служить основанием фундаментов сооружений в естественном состоянии или после их предварительного искусственного уплотнения и укрепления, т. е. как основание искусственное.

При неглубоком залегании плывунов и небольшой мощности фундаменты закладывают на подстилающих более плотных и устойчивых породах или на щебенистых, гравелистых подушках, принимают меры по предупреждению вытекания плывуна в котлованы (шпунтовое ограждение); обеспечивают жесткость сооружений (армированные пояса, осадочные швы и др.) и их сопротивляемость возможным повышенным и неравномерным осадкам.

При строительстве в плывунах применяют специальные способы проходки:

- с помощью ограждающих крепей, опережающих забой, что сопровождается водоотливом и понижением уровня подземных вод по контуру выработки;

- этажная система водопонижения с помощью иглофильтров, снижающих гидродинамическое давление;

- предварительное замораживание пород до температуры -20°С;

- проходческие щиты со сжатым воздухом, отжимающим воду от забоя.

Для искусственного улучшения свойств плывунов используют двухрастворную силикатизацию и электроосмотическое осушение; виброуплотнение.

Меры устранения плывунности и борьбы с ней обусловлены геологическим строением, гидродинамической обстановкой, видом объекта и методом строительства.

Математическая модель плывуна разработана К. Терцаги и Герсевановым по принципу фильтрационной консолидации.

Природа плывунности плывунов. К. Терцаги (33г.) плывунность песков объясня действием на них гидродинамического давления. Н. Маслов (59-71): плывунность свойственна только таким пескам, в которых силы внутреннего трения не находят своего проявления, а силы связности либо отсутствуют, либо незначительны.

Истинные (типичные) плывуны имеют характерный состав, предопределяющий их повышенную гидрофильность и склонность к подвижкам (текучести) под воздействием даже ничтожно малых сил, которыми могут быть силы тяжести, гидростатического взвешивания и гидродинамического давления. На рис.5 - схема распределения напряжений в водонасыщенной песчаной породе -- плывуне. Полное напряжение на глубине Н₁ + z от уровня воды в цилиндре равно u

и слагается из веса столба воды и = (Н₁ + z)y_в, порового давления, передающегося на поровую воду, и веса слоя гидростатически взвешенной (облегченной) породы = z т. е. эффективного напряжения, передающегося на скелет породы (=). Если поровое давление равно атмосферному, его называют нулевым.

Размещено на Allbest.ru