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

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский Государственный архитектурно-строительный университет

Кафедра геотехники

Курсовая работа

на тему: «ОЦЕНКА ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ПЛОЩАДКЕ СТРОИТЕЛЬСТВА И ПРОГНОЗ НЕБЛАГОПИЯТНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВОДОПОНИЖЕНИИ»

Санкт-Петербург 2016

Введение

На строительных площадках многие трудности связаны с подземными водами: 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 за счет водопонижения. Поэтому оценка гидрогеологических условий является важнейшей составной частью инженерно-геологических изысканий (инженерно-геологические изыскания входят в состав «Инженерных изысканий для строитель­ства» СНиП 11 -02-96), на основе которых ведется проектирование оснований и фундаментов.

Для целей проектирования и строительства понятие «гидрогеологические условия» можно определить как совокупность следующих характеристик водоносных горизонтов (слоев): 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, сис-тематический дренаж, устройство дорожных выемок, дренирующих засыпок траншей и др.);

снижение напоров 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 на 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 прочностных и деформативных показателей.

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



1. Исходные данные

1.1 Карта фактического материала

1.2 Геолого-литологические колонки опорных скважин

Скважина № 31.

Таблица 1

Геологический индекс	Отметка подошвы слоя	Глубина залегания слоя, м	Мощность слоя	Разрез	Описание пород	Отметка уровня подземных вод
		от	до				Появив.	Устан.
tg IV	15,7	0	0,8	0,8		Насыпной слой - песок со строительным мусором	14,6	14,8
ml IV	13,5	0,8	3,0	2,2		Супесь пылеватая, пластинчатая, с растительными остатками
lg III	10,8	3,0	5,7	2,7		Суглинок ленточный, мягкопластичный
lg III	8,6	5,7	7,9	2,2		Супесь слоистая, пластичная
g III	4,5	7,9	12	4,1		Суглинок с гравием, полутвердый

Сведения о гранулометрическом составе грунтов первого водоносного слоя

По данным гранулометрического анализа - это песок пылеватый

1.3 Результаты химического анализа грунтовых вод

Таблица 5

Номер скважины	Ca	Mg	K+Na	SO4	Cl	HСO3	CO2св	pH
	мг/л
33	116	35	35	272	36	214	18	6,8

1.4 Сведения о физико-механических свойствах грунтов первого водоносного слоя и первого водоупора

Таблица 6

Грунт	Индекс слоя	Плотность	Число пластичности Iр д. ед. n	Показатели пористости, д. ед	Модуль деформации Е, МПа	Содержание ОВ*,%	Степень разложения торфа D, %
		сs	с		n	e
Песок средней крупности	(m-l) IV	2,65	1,65	-	0,40	0,66	25-35	-
Песок мелкий	(m-l) IV	2,65	1,74	-	0,37	0,60	18-30	-
Песок пылеватый	(m-l) IV	2,65	1,80	-	0,35	0,53	9-12	-
Супесь пылеватая с растительными остатками	(m-l) IV	2,62	1,85	0,06	0,60	1,50	7-15	7,5
Супесь пылеватая заторфованная	(m-l) IV	2,15	1,72	0,07	0,77	3,44	4-10	35
Супесь слоистая	lgIII	2,68	2,05	0,03	0,38	0,60	8-21	-
Суглинок ленточный	lgIII	2,72	1,92	0,16	0,55	0,90	6-12	-
Суглинок с гравием, галькой	gIII	2,70	2,15	0,14	0,31	0,45	20-30	-
Торф верховой слаборазложившийся	blV	1,50	0,90	-	0,91	18	0,8	90	15
Торф низинный разложившийся	blV	1,70	1,15	-	0,85	7	1,2	70	60

- плотность минеральной части, т/м3

- плотность породы, т/м3

Ip - число пластичности, д.ед.

- пористость, д.ед.

- коэффициент пористости, д.ед.

- модуль общей деформации, МПа

ОВ - содержание органического вещества в породе, %



2. Аналитический блок

2.1 Определение пропущенного слоя, его характеристика и классификация

На основе результатов гранулометрического анализа таблица в пункте 1.3 курсового проекта получили, что грунт первого слоя по ГОСТ 25100-95 -это песок пылеватый. Для определения точного названия этого слоя и некоторых его характеристик построим суммарную кривую гранулометрического состава. Для этого составим вспомогательную таблицу «полных остатков» Для этого последовательно суммируем содержание фракций в процентах, начиная с наиболее мелкой.

Вспомогательная таблица полных остатков

Таблица 7

Диаметр частиц, мм	<2	<0,5	<0,25	<0,1	<0,05	<0,01	<0,005	<0,001
Сумма фракций в %	-----	100	80	54	43	27	13	1

Рис.2. Кумулятивная кривая гранулометрического состава

Построив график из точек на оси ординат, соответствующей 10 и 60 % провеем линии параллельно оси абсцисс до пересечения с кривой, из точек пересечения опустим перпендикуляры на ось абсцисс, полученные на ней точки покажут значения действующего d10 и контролирующего диаметров d60

Действующий диаметр d10=0,008 мм

Контролирующий диаметр d60=0,3 мм

Результаты гранулометрического анализа позволяют определить степень неоднородности грунта и некоторые его водные свойства - суффозионную устойчивость, коэффициент фильтрации, высоту капиллярного поднятия.

Определение степени неоднородности

- так как Cu>3 песок неоднородный, Cu>10 суффозионно-неустойчивый

Среднее значение высоты капиллярного поднятия, коэффициента фильтрации и радиуса влияния возьмем из таблицы 8.2, приложения 8 методических указаний к курсовой работе средних значений, поскольку условия для использования эмпирических формул Cu<5 и d10 >0,1 не выполнены.

Коэффициент фильтрации k = 1-3 м/сут

Радиус влияния R = 20-40 м

Высота капиллярного поднятия hk =0,4-1,5 м

Определим ориентировочное значение высоты капиллярного поднятия hk (см) произведем по эмпирической формуле

где,



С = 0,1 эмпирический коэффициент принимаем в зависимости от крупности частиц

е = 0,53 принят по таблице 3 методических указаний к курсовой работе

2.2 Характеристика рельефа площадки

Территория рассматриваемого участка представляет собой фрагмент полого-волнистой равнины спускающейся с СВ на ЮЗ к растущему пруду в приделах абсолютных отметок от 16,4 до 18,9 м ?H=2,5 м.

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

В геологическом строении участка, в приделах глубины бурения 12 метров принимают участие современные морские, озерные отложения (ml IV) верхнечетвертичные озерно-ледниковые отложения (lg III) и ледниковые отложения (g III) в основании.

m IV - современные морские, озерные отложения представлены: песками пылеватыми, рыхлыми с глубины 1,4 м воднасыщенными (ИГЭ-1а) мощностью от 3,5 м (скв.№33) до 4,7 м (скв.№ 35) с показателем пористости е =0,60 д.ед. Супесью пылеватой, пластичной с растительными остатками (ИГЭ-1b) мощностью 2,2 м (скв.№31), числом пластичности Ip = 0,06 и показателем пористости е =1,50.

lg III - верхнечетвертичные отложения озерно-ледникового происхождения представлены мягкопластичными ленточными суглинками (ИГЭ-2а) мощностью от 2,7 м (скв.№31) до 4,4 м (скв.№35) с числом пластичности Ip =0,16, модулем деформации Е =6-12 МПа, пористостью n =0,55, коэффициентом пористости e=0,90, плотностью с =1,92 т/м3, суглинком слоистым (ИГЭ-2b) мощностью 4 м в (скв.№35) с числом пластичности Ip =0,16 и супесью слоистой пластичною (ИГЭ-2с) мощностью 2,2 м в (скв. №31) с числом пластичности Ip =0,03, модулем деформации Е =8-21 МПа, пористостью n =0,38, коэффициентом пористости e=0,60, плотностью с =2,05 т/м3

gIII - верхнечетвертичные отложения ледникового происхождения представлены песком гравелистым плотным водонасыщенным (ИГЭ-3а) с коэффициентом пористости e < 0,55 д.ед мощностью от 2,0 м (скв.№33) до 1,8 м (скв.№35), суглинком с гравием, полутвердым и твердым (ИГЭ-3b) с числом пластичности Ip =0,14 и показателем текучести, пористостью n=0,31 коэффициентом пористости е=0,45, модулем деформации Е=20-30 МПа, плотностью с =2,15 т/м3, мощность от 4,1 м в (скв. №31) до 2,10 м в (скв. №33). И супесью с гравием пластичной (ИГЭ-3c) с числом пластичности Ip =0,01-0,07 и мощностью 1,5 м и вскрытой только в (скв. №35).

2.4 Гидрогеологическое строение площадки

В пределах площадки буровыми скважинами вскрыты два водоносных горизонта.

1) Первый безнапорный водоносный горизонт - верховодка, вскрыт во всех скважинах и залегает на глубинах от 1,9 метра до 2,8 метров (от дневной поверхности) - приурочен к комплексу обводненных пород m-IV водовмещающими являются песок пылеватый, рыхлый, с глубины 1,4м водонасыщенный и супесь пылеватая, пластичная, водоупором служит суглинок пород (lg III), мощность горизонта колеблется от 1,1 до 1,8 метров, водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации от 1 до 3 м/сут.

2) Второй водоносный горизонт - горизонт напорных межпластовых (артезианских) вод вскрыт в скважине №33

Водовмещающей породой является песок гравелистый, плотный, водонасыщенный gIII

верхний водоупор - суглинок ленточный мягкопластичный

нижний водоупор - суглинок с гравием, твердый gIII

величина избыточного напора над кровлей H=1,6 м

По карте гидроизогипс (рис.3) направление потока с северо-востока на юго-запад в северо-восточной части преобладает радиально-расходящийся поток, при движении на юго-запад характер потока меняется на радиально-сходящийся.

Величина гидравлического градиента:

Скважины №№ 31-33

величина гидравлического градиента

,

где ДН = 16,0-14,6=2,6 м- перепад отметок в соседних точках

l = 10 м - расстояние между этими точками

Примем коэффициент фильтрации по таблице 8.2 методических указаний k=0,1 м/сут. и пористость водовмещающих пород n = 0,60 д.ед. по таблице 3 методических указаний (супесь пылеватая, с растительными остатками)

кажущаяся скорость грунтового потока

м/сут

действительная скорость грунтового потока

м/сут



Скважины №№ 33-35

величина гидравлического градиента

,

где ДН = 17,4-16,0 = 1,4 м - перепад отметок с в соседних точках

l = 9,6 м - расстояние между этими точками

Примем коэффициент фильтрации по таблице 8.2 методических указаний k=1 м/сут. и пористость водовмещающих пород n = 0,35 д.ед. по таблице 3 методических указаний (песок пылеватый)

кажущаяся скорость грунтового потока

м/сут

действительная скорость грунтового потока

м/сут

где n - пористость водовмещающих пород

2.5 Химический состав подземных вод и оценка агрессивности воды по отношению к бетонуунтовый вода гранулометрический

Выражение результатов анализа в различных формах

Таблица 8

Ионы	Содержание, мг/л	Эквивалентное содержание	Эквивалентная масса
		мг-экв	(%-экв)
Катионы Na2+	35	1,52	14,93	23,00
Mg2+	35	2,88	28,29	12,16
Ca2+	116	5,78	56,78	20,04
Сумма катионов	186	10,18	100%	-
Анионы Cl-	36	1,02	10,02	35,46
	272	5,66	55,60	48,03
	214	3,50	34,78	61,01
Сумма анионов	522	10,18	100%
Общая сумма	708	20,36

Химическая формула воды

Оценка качества воды по отношению к бетону:

=214 мг/л >85 мг/л неагрессивна по бикарбонатной щелочности

pH=6,8>6,5 - вода неагрессивна по водородному показателю

Mg=35 мг/л?1000 мг/л - вода неагрессивна по содержанию магнезиальных солей

Na=35 мг/л ? 50 (для напорных сооружений) мг/л - вода неагрессивна по содержанию едких щелочей

= 272 мг/л <250 мг/л - вода агрессивна по содержанию сульфатов

Вывод: Вода пресная, pH=6,8 - вода кислая сульфатно-кальциевая (или сульфатно-бикарбонатно-хлоридно-кальциево-натриево-магниевая), агрессивная по сульфатному показателю.



3. Гидрогеологические расчёты притоков воды при водопонижении

Строительное водопонижение применяется для снижения уровня грунтовых вод и величины избыточного напора межпластовых.

Применяем принудительный способ водопонижения - откачка воды из котлована, траншеи.

3.1 Расчет притока воды к котловану

Исходные данные:

-Скважина №33

-Глубина котлована hК=4 м.

-Длина котлована l= 30 м.

-Ширина котлована b= 30 м.

-Тип выемки - совершенный (т.к дно котлована доходит до водоупора).

- Характер потока вокруг выемки - радиальный, так как - 30/30=1<10

- Глубина залегания грунтовых вод hd = 1,7 м (17,7-16,0 =1,7м)

Рис. 4. Схема притока воды к совершенному котловану для случая принудительного водопонижения

- Коэфф. фильтрации грунта водоносного слоя находится в диапазоне k=1-3

м3/сут. с учетом определенного hk принимаем коэффициент фильтрации равным

k = 1 м3/сут.

- hk= 0,2358 м, высота капиллярного поднятия согласно разделу 2.1. данного. скважина водоносный котлован траншея

курсового проекта

- Мощность водоносного горизонта H1=2,2 м. (Величина водопонижения S= H1-

H2= 2,2 м).

- R- радиус влияния, находится в диапазоне RТАБЛ. =20-40 м согласно таблице 8.2;

- RТАБЛ=30 м

- Приведенный радиус котлована:

- Радиус влияния котлована

Rk=R+r0=30+17 = 47 м

- Расстояние от дна котлована до водоупора h0=0, т.к. принудительное водопонижение;

- Для расчета величины притока воды воспользуемся формулой Дюпюи для совершенного типа выемки котлован:

.



3.2 Расчет притока воды к траншее

Исходные данные

Скважина №35

-Глубина траншеи hТР=3 м.

-Длина траншеи = 150 м.

-Ширина траншеи b= 1 м.

-Тип выемки - несовершенный

- Характер потока вокруг выемки - плоский, так как - 150/1=150>10

- Глубина залегания грунтовых вод hd = 1,5 м (18,9-17,4 =1,5 м)

Рис. 5. Схема притока воды к несовершенной траншее для случая принудительного водопонижения

Исходные данные:

Скважина № 35

Глубина траншеи hтр = 3 м (задано условием)

Длина траншеи = 1*150 м (задано условием)

Тип выемки - не совершенный (дно траншеи не доходит до водоупора)

Характер потока вокруг выемки - плоский

Глубина залегания грунтовых вод d = 1,5 м

Водопонижение S = 1 (задано условием)

hwk - высота столба воды в траншее до водопонижения, м

hwk = 1,5 м

HA1 - мощность водоносного горизонта до водопонижения, м

HA1 = 1,7· hwk = 1,7 · 1,5 = 2,55 м

HA2 - мощность водоносного горизонта после водопонижения, м

HA2 = HA1 - S = 2,55- 1 = 1,55 м

Коэффициент фильтрации k = 1 м/сут

R - радиус влияния водопонижения, м

Rтабл = 30 м

r0 - приведенный радиус «большого колодца», м

Расчет притока воды:



4. Прогноз последствий водопонижения (Скважина №33)

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

4.1 Прогноз суффозионного выноса

Наиболее полно возможность суффозионного выноса устанавливают по графику для оценки развития суффозии (по В.С. Истоминой)

Рис. 6. I - область разрушающих градиентов фильтрационного потока;

II - область безопасных градиентов

Координаты наносимее на график определяют:

Сu по данным кривой гранулометрического состава Сu =37,5;

i по формуле

где S = H - разность напоров (отметок) водоносного слоя Sкотл =2,2;

R - радиус влияния примем по таблице 8.2 равным R =30

0,33 - коэффициент, ограничивающий значимый путь фильтрации областью, прилегающей к котловану.

Заключение: точка попала в область безопасных градиентов - суффозионного выноса не будет.

Последствиями суффозионного выноса могут быть обрушение стенок котлована, проседание поверхности земли над трубопроводом и вблизи колодцев - за счет выноса тонких фракций грунта и его разуплотнения; изменение свойств песков, используемых для обратной засыпки траншей, пазух колодцев и дренажной сети - за счет вымывания тонких фракций (заиления), что может привести к изменению степени пучинистости грунта, выходу из строя дренажной системы и т.д.

4.2 Фильтрационный выпор

Фильтрационный выпор в дне выемки

При водопонижении величина градиента i = 0,2 1, котлован совершенный, значит, фильтрационного выпора не будет.

4.3 Прогноз оседания земной поверхности при снижении уровня грунтовых вод

Понижение уровня грунтовых вод вызывает увеличение давления грунта от собственного веса. Величина связанной с этим осадки зависит от глубины водопонижения и сжимаемости грунта.

Предварительный расчет осадки территории можно произвести по формуле:

где :

= 18 кН/м3 - удельный вес грунта, (10), где - плотность грунта определена по таблице 3 методических указаний к курсовой работе для песка пылеватого (скв. №33) = 1,80 т/м3

- удельный вес грунта ниже уровня грунтовых вод;

= 10 кН/м3 - удельный вес воды;

=26,5 кН/м3 - удельный вес твердых частиц грунта (s10), где s - плотность минеральной части грунта определена по таблице 3 методических указаний к курсовой работе для песка пылеватого (скв. №33) s = 2,65 т/м3;

n=0,35 д.ед. - пористость определена по таблице 3 методических указаний к курсовой работе для песка пылеватого (скв. №33);

Sw =2,2 м - величина водопонижения;

E - модуль общей деформации грунта в зоне депрессионной воронки, находится в приделах 9-12 МПа по таблице 3 методических указаний к курсовой работе для песка пылеватого (скв. №33) принимаем значение равным Е = 10 МПа = 10000 кПа (кН/м2).

= 0,086 см

Схема оседания поверхности при водопонижении



4.4 Прогноз воздействия напорных вод на дно котлованов и траншей

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

pизб < pгр - дно выработки устойчиво;

pизб = pгр - подъем дна котлована за счет разуплотнения грунта в его основании;

pизб>pгр - прорыв напорных вод в котлован, где Р изб = w Hw и Ргр. = hгр.

где hгр - разность высот между подошвой водоупрора и дном котлована

Hw - разность высот между установившейся уровнем воды и подошвой водоупрора

воды,.

hгр = 13,7-9,8 = 3,9 м

Нw = 16,0-9,8 = 6,2 м

Р изб = w Hw = 106,2 = 62 кН/м2,



где = 10 кН/м3 - удельный вес воды;

Р гр. = hгр =19,23,9 = 74,88 кН/м2

= 19,2 кН/м3 - удельный вес грунта, (10), где - плотность грунта определена по таблице 3 методических указаний к курсовой работе как для суглинка ленточного, мягкопластичного (скв. №33) = 1,92 т/м3

Заключение: pизб < pгр - 62< 74,88 , следовательно дно выработки устойчиво, подъема дна котлована и прорыва напорных вод не будет.



Заключение

В ходе работы были решены следующие задачи:

в скважине №33 были определены пропущенные слои и их характеристики;

охарактеризован рельеф и геологическое строение площадки, построен инженерно-геологический разрез;

охарактеризовано гидрогеологическое строение площадки, построена карта гидроизогипс, по которой определены вид грунтового потока, гидравлический градиент, кажущаяся скорость грунтового потока, действительная скорость грунтового потока;

дана оценка химического состава воды, ее агрессивности по отношению к бетону, вода агрессивна по содержанию сульфатов;

произведены гидрогеологические расчеты водопритока в совершенный котлован и несовершенную траншею в условиях принудительного водопонижения;

произведен прогноз процессов в грунтовой толще, связанных с понижением уровня грунтовых вод;

произведен прогноз воздействия грунтовых вод на дно котлована: дно выработки устойчиво, подъема дна котлована и прорыва напорных вод не будет.

По СП 11 - 105 - 97 сделаем вывод о категории сложности инженерно-геологических условий строительной площадки.

По геоморфологическим условиям: участок находится в пределах одного геоморфологического элемента - категория сложности I (простая)

По геологическим факторам в сфере взаимодействия зданий и сооружений с геологической средой: более трех различных по литологии слоев с изменяющейся мощностью - категория сложности III (сложная)

По гидрогеологическим факторам в сфере взаимодействия зданий и сооружений с геологической средой: площадка имеет 2 выдержанных горизонта подземных вод, местами с неоднородным химическим составом и обладающих напором - категории сложности II (средней сложности)

Геологические и инженерно-геологические процессы и специфические грунты в сфере взаимодействия зданий и сооружений с геологической средой имеют ограниченное распространение и не оказывают существенного влияния на выбор проектных решений, строительство и эксплуатацию объекта - категория сложности II (средней сложности)

Техногенные воздействия и изменения освоенных территорий не оказывают существенного влияния на выбор проектных решений и проведение инженерно-неологических изысканий - категория сложности II (средней сложности). Таким образом, принимая во внимание все факторы, оказывающие влияние на категорию сложности инженерно-геологических условий строительной площадки, данный участок можно отнести к III категории сложности (сложная).



Список использованной литературы

1. Оценка гидрогеологических условий площадки строительства: задания и методические указания /СПбГАСУ; Сост.: Н.И.Зеленкова, В.А. Челнокова. СПб., 2003.

2. Инженерная геология: Учеб. для строит. спец. вузов/ В.П. Ананьев, А.Д. Потапов. - 4-е изд., стер.- М.: Высш. Шк., 2006.

Размещено на Allbest.ru

...