Подземные воды. Выветривание

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Фильтрационная способность подземных вод

подземный вода геологический порода

Подземные воды в большинстве случаев находятся в движении. Раздел гидрогеологии, изучающий закономерности движения подземных вод, называется динамикой подземных вод. Движение подземных вод подчиняется определенным законам с присущими им определенными формами передвижения. Все это учитывается при гидрогеологических расчетах, при решении вопросов водозабора или водопонижения уровней подземных вод.

Подземные воды могут передвигаться в горных породах как путем инфильтрации, так и фильтрации. При инфильтрации передвижение воды происходит при частичном заполнении пор воздухом или водяными парами, что обычно наблюдается в зоне аэрации. При фильтрации движение воды происходит при полном заполнении пор или трещин водой. Масса этой движущейся воды создает фильтрационный поток.

Фильтрационные потоки подземных вод различаются по характеру движения и подчиняются двум законам. Если движение грунтового потока в водоносных слоях (галечнике, песке, супеси, суглинке) имеет параллельно-струйчатый или так называемый ламинарный характер, то он подчиняется закону Дарси. Ламинарный характер движения воды наблюдается также в трещиноватых породах, но при скорости движения не более 400 м/сут. При наличии крупных пустот и трещин движение воды в породах носит вихревой, или турбулентный, характер, но это наблюдается сравнительно редко. Это второй закон, носящий более сложный характер.

Движение подземных вод может быть установившимся и неустановившимся, напорным и безнапорным.

При установившемся движении все элементы фильтрационного потока (скорость, расход, направление и др.) не изменяются во времени. Во многих случаях эти изменения настолько малы, что для практических целей ими можно пренебречь.

Фильтрационный поток называется неустановившимся, если основные его элементы изменяются не только от координат пространства, но и от времени. Подземный поток становится переменным, т.е. приобретает неустановившийся характер движения под действием различных естественных и искусственных факторов (неравномерная инфильтрация атмосферных осадков, откачка воды из скважины, сброс сточных вод на поля фильтрации и т. д.).

Ненапорные грунтовые воды имеют водоупор снизу и свободную поверхность сверху. 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 АН=Н-Н2 в сечения и обусловливает движение воды в направлении сечения II. Скорость движения грунтового потока зависит от разности напора (чем больше АН, тем больше скорость) и длины пути фильтрации.

2. Поверхностные и глубинные процессы выветривания

Под процессом выветривания понимают разрушение и изменение состава горных пород и строительных материалов, происходящие под воздействием различных агентов, действующих на поверхности земли, среди которых основную роль играют колебания температур, замерзание воды, кислот, щелочей, углекислоты, действие ветра, организмов и т. д.

Главной особенностью процесса выветривания является постепенное и постоянное разрушение верхних слоев литосферы. В результате этого горные породы и материалы дробятся, изменяют свой химико-минеральный состав, вследствие чего снижаются параметры их строительных свойств или они полностью разрушаются.

Интенсивность проявления выветривания зависит от многих причин -активности агентов выветривания, состава пород, геологического строения местности и т. д. Наиболее сильно выветривание проявляется у поверхности земли, куда облегчен доступ агентам выветривания. Глубина проникновения в толщу земли агентов выветривания зависит от степени трещиноватости пород, раскрытия и глубины трещин. Наиболее глубоко они проникают при наличии тектонических трещин и разломов. Область активного современного выветривания достигает глубины 5-10 м. Проникновению агентов выветривания способствует инженерная деятельность человека (проходка тоннелей, шахт и т. д.).

Интенсивность выветривания находится в зависимости от состава пород. Разрушению способствуют разнозернистость, крупнозернистость пород, качество природного цемента, например, песчаник с глинистым цементом разрушается значительно легче и быстрее, чем песчаник с кремнеземистым цементом.

Воздействие на земную поверхность, на толщи скальных горных пород процесса выветривания приводит к образованию коры выветривания, которая состоит из видоизмененных выветриванием горных пород или продуктов их разрушения. Продукты выветривания горных пород, остающиеся на месте их образования, носят название элювия. Вниз по разрезу всегда четко прослеживается, как элювий постепенно переходит в свою «материнскую» породу. По составу он представляет собой смесь обломков этой породы и глинистого материала. Нескальные породы, залегающие на дневной поверхности, также имеют кору выветривания, но она в большинстве случаев не имеет четкой зональности. Верхняя часть коры обычно бывает представлена песчано - пылевато - глинистой массой, а нижняя - обломочным материалом. В карбонатных грунтах, например известняках, зональность коры выветривания проявляется более четко.

3. Полевые испытания грунтов в массивах

Почвы, расположенные на поверхности земли, выступают в роли основания для множества объектов: зданий и построек, дорожного полотна и прочих строительных сооружений. Предварительная проверка качества материалов позволит держать под контролем рабочий процесс и иметь представление о его характеристиках и свойствах.

Важнейший этап строительства, который осуществляется перед проектировкой фундамента -- 30416-96 ГОСТ испытания грунтов. Цель проводимых работ: определить уровень деформации поверхности в зависимости от тех или иных факторов.

Виды и методы испытаний грунтов

Деформация грунта происходит в связи со статическими нагрузками, действующими в процессе эксплуатации постройки. В зависимости от характеристик поверхности зависит и скорость ее износа. Во избежание разрушения фундамента или порчи здания, требуется предварительная проверка грунта. На основании полученных данных, в проект вносятся необходимые коррективы.

Существуют различные виды анализа материалов, применяемые в зависимости от условий. Их можно структурировать на две группы:

лабораторные (осуществляемые в специально созданных условиях);

полевые (проводимые непосредственно на объекте).

Лабораторные испытания грунтов выполняются для определения следующих характеристик:

уровень прочности;

коэффициент фильтрации;

просадочность;

усадка и набухание.

Каждое из качеств проверяется в соответствии с установленными нормами и положениями российского законодательства. Для всех атрибутов существует собственный ГОСТ, в условиях которого и контролируются образцы.

Анализ осуществляется двумя методами: стабилометрическими (трехосными) и компрессионными (одноосными).

Компрессионные испытания грунтов представляют одноосное сжатие при условии отсутствия возможности расширения вбок. Проще говоря, проверка имитирует нагрузку, осуществляемую под центром фундамента. Во время анализа определяется состояние следующих параметров:

общая деформация;

прочность структуры;

уровень сжатия;

коэффициент относительной сжимаемости.

Стабилометрические методики позволяют проверить иные характеристики:

уровень давления, в соответствии с параметром напряжения деформации сбоку;

степень уплотнения сверху, с учетом веса постройки и самого грунта;

сжатие на глубине снизу.

Полевые испытания грунтов проводятся непосредственно на месте будущей постройки. Помимо определения постоянных параметров, специалисты выявляют характеристики материала с учетом возможных воздействий, происходящих во время строительства.

Каждая методика обозначена собственным номером ГОСТ, установленным правилами. Выделяют основные методы полевых испытаний грунтов:

проверка уровня деформации;

метод статического зондирования;

проверка на срез в горной выработке;

испытание на срез в скважине и в массиве.

Процедуры, осуществляемые в поле, проводятся при помощи свай или штампов. Штамповые испытания грунтов осуществляются по отношению к определенным видам материалов: песчаного, глинистого и крупнообломочного.

Испытание грунтов сваями проводится четырьмя различными способами:

выдергивание;

горизонталь;

вдавливание;

динамические испытания.

4. Состав и этапы геологических изысканий

Проектирование различных сооружений в соответствии со Сводом правил по инженерно-геологическим изысканиям для строительства (СП 11-105--97) должно состоять из трех стадий:

1. Разработка предпроектной документации.

2. Разработка проекта.

3. Разработка рабочей документации.

Каждой из этих стадий должен соответствовать свой состав и объем инженерно - геологических изысканий. Вместе с тем в реальной практике проектирования автомобильных дорог и аэродромов обычно присутствуют две стадии. Первую называют предварительной стадией или стадией проектного задания. Она, по существу, отвечает за стадии разработки предпроектной документации. Вторая стадия чаще всего объединяет стадии разработки проекта и создания рабочей документации и обычно называется стадией рабочего проекта. Инженерно - геологические изыскания выполняют отдельно под каждую стадию на основании выданного заказчиком (проектной организацией) технического задания и составленной исполнителем (изыскательской организацией) и утвержденной заказчиком программы работ.

Стадия разработки предпроектной документации (стадия проектного задания) должна обеспечить:

* определение цели инвестирования;

* разработку ходатайства (декларации) о намерениях;

* разработку обоснования инвестиций в строительство с учетом намеченных конкурирующих вариантов месторасположения строительства.

Инженерно-геологические исследования на этом этапе заключаются прежде всего в сборе и обработке материалов изысканий прошлых лет и других данных об инженерно-геологических условиях конкурирующих вариантов, а также в дешифрировании аэрокосмоматериалов. Последнее позволяет познать и раскрыть имеющиеся объекты и элементы местности, их характеристику и особенности. Такие ландшафтные работы дают возможность выбирать трассу автодороги в гармоничной увязке с рельефом и характером местности.

При недостаточности имеющихся материалов обычно выполняют полевое рекогносцировочное обследование территории или (реже) инженерно-геологическую съемку в масштабе 1:50000 -- 1:25000, сопровождающуюся использованием полевых методов исследований грунтов. На этом этапе изысканий рекомендуется применять в основном геофизические методы, а также статическое и (или) динамическое зондирование и другие экспресс - методы.

В техническом отчете (заключении) по результатам изысканий для разработки предпроектной документации должны быть сформулированы предложения по выбору одного из конкурирующих вариантов трассы (места) строительства, а также рекомендации по проведению последующих изысканий.

На стадии рабочей документации инженерно-геологические изыскания должны обеспечивать комплексное изучение инженерно-геологических условий выбранного варианта трассы автодороги (места расположения аэродрома) и прогноз их изменений в период строительства и эксплуатации. Исследования проводят с детальностью, достаточной для выделения в плане и по глубине инженерно-геологических элементов по ГОСТ 20522--96 с определением для них прочностных и деформационных характеристик грунтов, их нормативных и расчетных значений. Одновременно должны быть установлены гидрогеологические параметры территории, количественные показатели интенсивности развития геологических и инженерно - геологических процессов и явлений, агрессивность подземных вод по отношению к бетону и их коррозионная активность к металлам в зоне взаимодействия проектируемого объекта с геологической средой.

5. Горные породы и их классификация

Поверхность Земли состоит из минералов, которые, в свою очередь, образуют различные горные породы. Они формируются при определенных условиях и, в зависимости от происхождения, обладают особенными, характерными свойствами. Горные породы залегают в земной коре - поверхностной оболочке нашей планеты и представляют большой интерес для человека в качестве минерального сырья.

Классифицировать горные породы можно по различным признакам, которые влияют на их состав и свойства.

В зависимости от количества минералов в составе различают два вида горных пород:

Простые (мономинеральные) - состоят только из одной разновидности минерала.

Сложные (полиминеральные) - состоят из нескольких различных минералов.

К основным критериям классификации горных пород относят химический и минеральный состав. Последний определяется процентным содержанием минералов в горных породах.

Весьма распространенной является классификация горных пород по происхождению:

1) Магматические (изверженные) - горные породы, образованные при застывании магмы в недрах Земли или на ее поверхности.

2) Осадочные - породы, образованные при осаждении органики и неорганических веществ на поверхности земли или на дне водных бассейнов.

3) Метаморфические - горные породы, сформированные вследствие смещения горизонтальных слоев земной коры, а также под действием высокой температуры, давления и химически активных компонентов.

Магматические горные породы

Магматические породы или магматиты - древнейшие горные породы, образованные вследствие остывания и затвердевания расплавленной магмы, оказавшейся в верхних слоях земной коры или на поверхности земли.

В зависимости от того, в каких условиях происходил процесс остывания магмы, горные породы бывают интрузивными и эффузивными.

Интрузивные породы образуются при продолжительном и постепенном остывании магмы глубоко под землей, при условии высокой температуры и давления. В результате образуются очень плотные, массивные горные породы с кристаллическим строением, без каких либо пор или пустот. К интрузивным магматитам относится гранит, перидотит, диорит, сиенит.

Эффузивные породы формируются на поверхности земли или в самых верхних ее слоях, при иных термодинамических условиях. Остывание магмы происходит неравномерно, при гораздо более низкой температуре и атмосферном давлении.

В результате образуются породы аморфных типов, некристаллического строения, в которых редкие кристаллы видны невооруженным глазом. Пористость и проницаемость - характерные черты эффузивных магматитов.

Осадочные горные породы

Осадочные породы являются самыми распространенными на нашей планете, и занимают большую часть ее площади. На их формирование оказывает влияние целый набор факторов: солнечный свет, температурные колебания, вода, атмосферные осадки.

В результате горные породы начинают разрушаться, деформироваться, происходит перенос и последующее накопление их обломков. Со временем они уплотняются, оседают, приобретая уникальные черты и свойства.

В зависимости от особенностей протекания процесса осаждения выделяют следующие группы осадочных пород:

обломочные - образуются при механическом переносе частиц магматитов;

биохимические - результат совместного воздействия живых организмов и химических реагентов;

хемогенные - образуются при выпадении в осадок веществ из концентрированных растворов;

биогенные - формируются при разложении органики.

К наиболее распространенным осадочным породам относят полевой шпат, апатит, мел, известняк.

Метаморфические породы

Метаморфические или видоизмененные породы образуются в результате сложного физико-химического процесса. При этом на них влияет система термодинамических условий:

высочайшие температура и давление;

различные химически активные компоненты.

Без них процесс метаморфизма невозможен.

Подобному преобразованию могут подвергаться абсолютно все виды горных пород, независимо от их крепости и качества их кристаллического строения.

К метаморфитам относится мрамор, кварцит, глинистый сланец.

6. Влажность грунта и методы ее определения

Влажностью грунта называют количество воды, содержащейся в порах грунта в условиях его естественного залегания. Величина естественной влажности является важной характеристикой физического состояния грунта, определяющей его прочность и поведение под нагрузками от сооружений. Особое значение влажность имеет для глинистых грунтов, резко меняющих свои свойства в зависимости от степени увлажнения. Естественная влажность является важным косвенным показателем, необходимым для вычисления объемного веса грунта, пористости, степени влажности и других характеристик.

Объемная влажность (w_n), или объемное содержание жидкости, численно равна отношению объема воды (жидкости) в грунте (V_w) к объему всего грунта (V_toi), включая объем воды и газа:

Эта величина измеряется в %, или в д. ед., и может меняться от нуля для абсолютно сухого грунта до 100 % (до 1 д. ед.) для полностью водонасыщенного грунта.

Весовая влажность (w). или весовое (массовое) содержание жидкости, численно равна отношению массы воды (жидкости) в грунте (mи,) к массе сухого грунта (md):

Объемная и весовая влажности связаны между собой соотношением:



где p,i - плотность скелета грунта, г/см³; p_w - плотность воды. г/см³.

Величина весовой влажности также измеряется в %, или в д. ед., но в отличие от объемной влажности имеет только нижнюю границу - 0 % (для абсолютно сухого грунта).

Максимальные значения влажности отмечены у торфов - до 33 д. ед. (или 3300 %) и выше. В торфяной отрасли используется такой параметр, как влага, которая определяется как отношение массы воды к массе всего влажного грунта, и в этом случае значения этого показателя не превышают 1 д. ед. (100%).

В настоящее время среди методов определения влажности наибольшее распространение получил весовой метод, ставший стандартным: влажность грунта определяется высушиванием до постоянной массы при температуре 105 °С. Этим методом выполняются исследования грунтов для различных видов строительства на всех стадиях изысканий, за исключением тех случаев, когда грунты содержат значительное количество растительных остатков. Для того чтобы избежать окисления некоторых органических веществ во время сушки, требуются температуры сушки ниже, чем обычные (105 ±5) °С, например (50 ± 2,5) °С, при которых может не произойти удаление всей воды. Для определения подходящей температуры сушки может понадобиться проведение пробных экспериментов.

7. Характеристика подземных вод вечномерзлых грунтов

Мерзлые и вечномерзлые грунты в зависимости от их температуры и длительности ее действия делят на немерзлые (талые), мерзлые и вечно-мерзлые.

Мерзлыми называются грунты с отрицательной температурой, в которых часть поровой воды находится в замерзшем состоянии (в виде кристаллов льда). Мерзлые грунты являются четырехкомпонентными системами, в которых кроме твердой, жидкой и газообразной фаз существует лед.

Если неминерализованная вода замерзает при 0 °С, то грунт при такой температуре замерзает только при наличии в них свободной неминерализованной воды, поскольку связанная вода в виде тонких пленок и минерализованная вода замерзает при более низкой температуре.

Вечномерзлыми называют грунты, находящиеся в мерзлом состоянии в течение трех лет и более. Вечномерзлые грунты представляют собой ярко выраженные структурно-неустойчивые грунты, так как при их оттаивании происходят просадки в результате нарушения природной структуры.

Поверхностный слой грунта, промерзающий зимой и оттаивающий летом, называют деятельным слоем, или слоем сезонного промерзания и оттаивания, поскольку в нем происходят интенсивные процессы, связанные с промерзанием и оттаиванием грунта.

8. Химический состав и режим подземных вод

Все подземные воды содержат в растворенном состоянии определенное количество солей, газов, а также органических соединений.

Растворенные в воде газы (О, СО₂, СН4, H2S и др.) обусловливают степень пригодности воды для питьевых и технических целей. Количество растворенных солей не должно превышать 1 г/л. Не допускается содержание вредных для здоровья человека химических элементов (уран, мышьяк и др.) и болезнетворных бактерий.

В подземных водах наибольшее распространение имеют хлориды, сульфаты и карбонаты. Подземные воды разделяются на пресные (до 1 г/л растворенных солей), солоноватые (от 1 до 10 г/л), соленые (10-35 г/л) и рассолы (более 35 г/л). Количество и состав солей устанавливается химическим анализом в миллиграммах на литр (мг/л) или в миллимолях на литр (ммоль/л).

Присутствие солей придает воде такие свойства, как жесткость и агрессивность.

Жесткость подземных вод обусловлена количеством растворенных в воде ионов Са²⁺ и Mg²⁺ и выражается в миллимолях на литр. Различают

1. общую жесткость, вызванную содержанием в воде всех солей кальция и магния: Са(НСО₃)₂; Mg(HCO₃)₂, CaSO4, MgSO₄, CaCl₂, MgCI₂;

2. карбонатную, или временную, обусловленную содержанием бикарбонатов кальция и магния, удаляемых кипячением (выпадают в осадок в виде карбонатов);

3. некарбонатную, или постоянную, остающуюся в воде после устранения бикарбонатов. По общей жесткости природные воды разделяют на 5 групп:

Оценка воды Жесткость, ммол/л

Очень мягкая до 1,5

Мягкая 1.5--3,0

Умеренно мягкая 3--6

Жесткая 6--9

Очень жесткая выше 9

Жесткие воды образуют накипь в котлах, в них плохо образуется мыльная пена и т. п.

Агрессивность подземных вод выражается в разрушающем воздействии растворенных в воде солей на строительные материалы, в частности на портландцемент. В существующих нормах, оценивающих степень агрессивности воды по отношению к бетону, кроме химического состава воды, учитывается коэффициент фильтрации пород.

1. Агрессивность по содержанию бикарбонатной щелочности (агрессивность выщелачивания) определяется по величине карбонатной жесткости. Поземная вода агрессивна к бетону при карбонатной жесткости 4--2,14 ммоль/л (в зависимости от типа цемента в составе бетона), а при более высоких показателях вода становится неагрессивной.

2. Агрессивность по водородному показателю (общекислотная агрессивность) оценивается по величине рН. В пластах с высокой водопроницаемые она агрессивна при рН=6,7 - 7,0, а в слабопроницаемых- при рН=5.

3. Агрессивность по содержанию свободной углекислоты (СО₂) (углевая агрессивность) устанавливается по содержанию диоксида углерода Различают свободную, связанную и агрессивную углекислоту.

Агрессивная углекислота определяется экспериментально и расчетом, вода считается агрессивной при содержании углекислоты >15 ммол/л в хорошо проницаемых грунтах и >55 ммоль/л для слабоводопроницаемых грунтов.

4. Агрессивность по содержанию магнезиальных солей определяется содержанию иона Mg²⁺. В слабофильтрующих грунтах воды агрессивны при содержании магния >2000 мг/л, а в остальных грунтах >1000 мг/л.

5. Агрессивность по содержанию едких щелочей оценивается по количеству ионов К⁺ и Na⁺. Воды агрессивны к бетону при содержании этих ионов >80 г/л в хорошо водопроницаемых и >50 г/л в слабопроницаемых грунтах.

6. Сульфатная агрессивность. Этот тип агрессивности определяется по содержанию ионов SО₄^2-. В высоко водопроницаемых грунтах она зависит от содержания иона С1^-. При содержании сульфат-ионов менее 250--300 мг/л во всех грунтах вода неагрессивна, во всех остальных случаях -- агрессивна, даже к специальным цементам.

Агрессивность по содержанию хлоридов, сульфатов, нитратов и других солей и едких щелочей связана обычно с искусственными источниками загрязнения грунтовых вод при суммарном содержании (агрессивных ионов >10 г/л.

Агрессивность подземных вод устанавливают сопоставлением данных химических анализов воды с требованиями СНиП 2.02.11--85. Для борьбы с ней используют специальные цементы, производят гидроизоляцию подземных частей зданий и сооружений, понижают уровень грунтовых вод устройством дренажей и т. п.

9. Законы движения подземных вод

Подземные воды в большинстве случаев находятся в движении. Движение подземных вод подчиняется определенным законам с присущими им определенными формами передвижения. Все это учитывается при гидрогеологических расчетах, при решении вопросов водозабора или водопонижения уровней подземных вод.

Законы движения. Подземные воды могут передвигаться в горных породах как путем инфильтрации, так и фильтрации. При инфильтрации передвижение воды происходит при частичном заполнении пор воздухом или водяными парами, что обычно наблюдается в зоне аэрации. При фильтрации движение воды происходит при полном заполнении пор или трещин водой. Масса этой движущейся воды создает фильтрационный поток.

Фильтрационные потоки подземных вод различаются по характеру движения и подчиняются двум законам. Если движение грунтового потока в водоносных слоях (галечнике, песке, супеси, суглинке) имеет параллельно-струйчатый или так называемый ламинарный характер, то он подчиняется закону Дарси. Ламинарный характер движения воды наблюдается также в трещиноватых породах, но при скорости движения не более 400 м/сут. При наличии крупных пустот и трещин движение воды в породах носит вихревой, или турбулентный, характер, но это наблюдается сравнительно редко. Это второй закон, носящий более сложный характер.

Движение подземных вод может быть установившимся и неустановившимся, напорным и безнапорным.

При установившемся движении все элементы фильтрационного потока (скорость, расход, направление) не изменяются во времени. Во многих случаях эти изменения настолько малы, что для практических целей ими можно пренебречь.

Фильтрационный поток называется неустановившимся, если основные его элементы изменяются не только от координат пространства, но и от времени. Подземный поток становится переменным, т. е. приобретает неустановившийся характер движения под действием различных естественных и искусственных факторов (неравномерная инфильтрация атмосферных осадков, откачка воды из скважины, сброс сточных вод на поля фильтрации).

Ненапорные грунтовые воды имеют водоупор снизу и свободную поверхность сверху. 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 АН=Н-Н₂ в сечениях / и II обусловливает движение воды в направлении сечения II. Скорость движения грунтового потока зависит от разности напора (чем больше АН, тем больше скорость) и длины пути фильтрации.

Отношение разности напора АН к длине пути фильтрации / называют гидравлическим уклоном (или гидравлическим градиентом I) I = АН/1.

Размещено на Allbest.ru

...