Деформационные и прочностные свойства грунтов и их характеристики

Значительная часть промышленных и гражданских зданий выделяет такие количества тепла, которые неизбежно ведут к нарушению  температурного  режима   мерзлых  слоев.   Кроме того,  во многих промышленных зданиях возможны вибрации от установленных машин. Вибрационная нагрузка способна нарушать прочность льда и переводить его некоторую часть в такое состояние.

В таких случаях строительство по методу сохранения, температурного режима мерзлых толщ невозможно, и следует предусмотреть возможность предварительного или последующего оттаивания. Оттаивание мерзлой толщи резко изменяет не только физико-механические характеристики пород, но и их объем; возникает проседание массы грунта под сооружением, в результате чего сооружение теряет устойчивость и прочность. При инженерно-геологических исследованиях в этих последних случаях возникают две задачи: установить возможность применения метода последующего оттаивания и установить зону (или, как говорят, «чашу») возможного протаивания

(рис. 2).

 

 

Рисунок 2- Образование чаши протаивания под зданием : t п- температура в помещении ; tм – температура мерзлого грунта ;b- ширина здания ; hс – глубина протаивания под серединой здания ; hк- глубина протаивания  под краем здания ;  к  -величина протаивания сбоку здания.

 

Для осуществления строительства по методу последующего оттаивания необходимо, чтобы в пределах чаши протаивания не содержалось отдельных скоплений льда в виде линз, штоков и пр. Оттаивание таких ледяных включений приведет к местному резкому (примерно на 10%) уменьшению объема грунта и вызовет просадку соответствующей части здания или сооружения. Поэтому при исследованиях необходимо особо тщательное изучение строения мерзлой толщи.

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Карта зеркала грунтовых вод, решаемые задачи

 

Подземные воды образуются путем просачивания (инфильтрации) воды, выпадающей в виде осадков, сквозь толщу пород. Однако было замечено, что в пустынных жарких странах, где количество выпадающих осадков ничтожно, в отдельных местах подземные воды все же существуют. Это объясняется конденсацией влаги, находящейся в воздухе.

 В  пустынных местностях воздух  при 35°С практически содержит  около 20 г водяного пара, т.е. его относительная влажность составляет около 40—50%; ночью температура воздуха падает нередко до 15° С. Тогда воздух оказывается перенасыщенным парами воды  в количестве 20—12,7= 7,3 г. Этот избыток влаги выпадает в виде росы и просачивается на некоторую глубину.

Образование росы, т.е. воды, конденсирующейся из водяных паров воздуха, навело на мысль о том, что подземная вода может образовываться также и из «подземной росы» путем конденсации водяных паров воздуха, находящегося в порах и пустотах горных пород. Инфильтрационные и конденсационные подземные воды участвуют в общем круговороте воды в природе и поэтому получили название вадозных (странствующих). Еще в конце XVIII в. М. В. Ломоносов обратил внимание на то, что запас подземных вод, может пополняться за счет деятельности магмы.

В 1902 г. австрийский ученый Э. Зюсс в окончательной форме создал теорию происхождения подземных вод при интрузивных и эффузивных процессах. Эта теория заключается в том, что в ходе интрузивных и эффузивных процессов из магмы выделяются пары воды, а также газы — кислород и водород, в дальнейшем образующие воду. Кроме того, в зоне метаморфизма происходит дегидратация минералов, содержащих конституционную (кристаллизационную) воду. Образовавшиеся таким образом пары воды поднимаются вверх из зоны высоких температур в зоны более низких и конденсируются, превращаясь в подземную воду. Магмагенные подземные воды были названы ювенильными.

Таким образом, следует признать, что подземные воды образуются в различных случаях по-разному: иногда бесспорны явления инфильтрации осадков, иногда — вполне очевидно появление ювенильных вод, иногда несомненно действие механизма движения   и   конденсации   водяных  паров. Определить количественное соотношение вод различного происхождения пока, невозможно.

Если представить себе вертикальный разрез какой-либо местности, то в общем случае подземные воды могут залегать, так, как это представлено на рис. 1. Непосредственно у дневной поверхности залегают почвенные воды, удерживаемые силами капиллярного натяжения. Ниже, на первом водонепроницаемом пласте, залегают грунтовые воды, причем над поверхностью грунтовых вод может образоваться кайма капиллярного поднятия.

 

 

 

Рисунок 1- Схема залегания почвенных, грунтовых и межпластовых вод.

 

В водопроницаемых пластах, находящихся между водонепроницаемыми пластами, залегают межпластовые воды. В зависимости от условий взаиморасположения водопроницаемых и водонепроницаемых пластов межпластовые воды могут иметь свободную поверхность, обусловленную действием силы тяжести, или полностью заполнять пространство между двумя водонепроницаемыми слоями. В первом случае межпластовые воды будут безнапорными, во втором — напорными. Напорные межпластовые воды называются артезианскими водами.

Часть водопроницаемого пласта, заполняемая подземной водой, от нижней поверхности воды до ее верхнего уровня называется водоносным горизонтом. В соответствии с количеством водоносных пластов, залегающих один ниже другого, различают первый водоносный горизонт, второй  водоносный горизонт и т. д. Очевидно, первым водоносным горизонтом будет слой грунтовых вод.

Грунтовыми водами называются подземные воды постоянно существующего водоносного горизонта, расположенного на первом выдержанном водоупорном слое. Они имеют свободную поверхность, называемую зеркалом или уровнем грунтовых вод, и водоупорное ложе. По условиям своего залегания эти воды могут образовывать потоки и озера или бассейны.

Питание грунтовых вод происходит в значительной мере за счет инфильтрации осадков. Уровень вод может меняться под влиянием выпавших дождей или таяния снега. В лесистых местностях, на флювиогляциальных и древнеаллювиальных отложениях весеннее таяние снега вызывает резкое повышение уровня грунтовых вод. В степных областях при малом снежном покрове талые воды только увлажняют почвенный слой и мало сказываются на уровне. В горных областях на питание грунтовых вод оказывают влияние роса, иней, туман, облака. В пустынных областях уровень грунтовых вод поддерживается в основном за счет конденсации водяных паров. Характерной особенностью грунтовых вод является совпадение области питания и области распространения.

На режим грунтовых вод иногда существенное влияние оказывает их взаимосвязь с поверхностными водоемами — реками и озерами. В зависимости от расположения водоупора запас вод может пополняться путем питания их из открытых водоемов (рис. 2) или, наоборот, грунтовые воды могут свободно стекать в водоемы.

Рисунок 2- Схема взаимосвязи грунтовых  и  поверхностных вод:

а  — река питает грунтовые воды; б — грунтовые воды питают реку.

 

Очень часто в сухое время года грунтовые воды свободно стекают в открытые водоемы, а весной, в половодье, происходит подпор грунтовых вод и частичное пополнение их запасов водой открытого водоема (рис. 3).

Знание режима грунтовых вод имеет большое значение для строительства. Так, например, исследования строительной площадки могут быть произведены в засушливый сезон, и грунтовые воды будут обнаружены на значительной глубине. В соответствии с этим проект здания или сооружения и проект производства строительных работ будут составлены без учета наличия грунтовых вод. Однако в дождливый сезон уровень вод может подняться и вызвать затруднений в производстве строительных работ или даже в эксплуатации выстроенного здания.

 

Рисунок 3- Подпор грунтовых вод высокими водами реки

 

Для суждения об условиях залегания грунтовых вод строят карты гидроизогипс-линий, соединяющих точки зеркала грунтовых вод, лежащих на одном уровне. По отношению к зеркалу грунтовых вод они играют ту же роль, что и горизонтали по отношению  к рельефу данной  поверхности. Построение гидроизогипс производят по тем же правилам, что и построение горизонталей.

Тидроизогипсы позволяют судить о расположении зеркала грунтовых вод и о направлении их движения, так как последнее всегда будет перпендикулярно линии гидроизогипсы. По карте гидроизогипс всегда может быть определен гидравлический уклон (градиент) грунтового потока на данном отрезке и характер взаимосвязи грунтовых вод с открытыми водоемами.

Рассмотрим рис. 4. Предположим, что отметка устья скважины А будет Hi и расстояние от поверхности земли до воды Z1. Отметка воды в скважине А будет h1 в скважине Б-h2. Из рисунка видно, что искомая гидроизогипса проходит на расстоянии х от скважины Б. Если отметка искомой гидроизогипсы hx, то имеют место следующие равенства:

Рисунок 4- Определение расстояния х от скважины до  гидроизогипсы 

(h 2- hх) /х =(h х -h1)   / (а-х)

Откуда

х =(h2-hх) а /   (h2-h1);

Следовательно, в плане гидроизогипса hх  проходит между скважинами А и Б

на расстоянии х от скважины Б.

Например, h2=16,20 ;  h1=15,45 ; hх=16,00 ;  а=100м

х = =100 25м

или в масштабе 1:1000

х = =25мм

Для определения гидравлического уклона i разделим разность отметок двух смежных гидроизогипс на расстояние между ними:

i = (h2-h1) / а

Рис. 5. иллюстрирует общий вид карты гидроизогипс с показанием направления  движения грунтового потока.

 

Рис.  5. Карта гидроизогипс и горизонталей земной поверхности:

1—  гидроизогипсы;  2 — горизонтали;  3 — участки  временного  заболачивания.

Гидроизогипсы фиксируют положение уровня грунтовых вод на определенное время. Для определения колебаний уровня грунтовых вод проводят стационарные наблюдения и составляют графики, позволяющие установить режим грунтовых вод.

Рельеф поверхности водонепроницаемого слоя (рельеф ложа грунтовых вод) существенно влияет на условия залегания вод и на расположение зеркала грунтовых вод. В определенных условиях возможно создание подпора грунтовых вод, возникновение наклонного быстротока и выход, родников на поверхность.

Количество и глубина залегания грунтовых вод зависит не только от геологических факторов, но также и от геоморфологических и климатических условий данной местности.

 В. С. Ильин установил определенную  закономерность в залегании грунтовых  вод на территории европейской  части России. Установив существование грунтовых вод, не подчиненных этим закономерностям, он назвал их азональными.

Первая зона начинается на Северном Урале и идет к Финскому кристаллическому массиву, захватывая нижнее течение р. Сев. Двины, почти все течение рек Пинеги и Мезени и большую часть течения р. Печоры. Грунтовые воды в этой зоне почти совсем не минерализованы, содержат много органических веществ и залегают так близка к земной поверхности, что наблюдается постепенный переход их в поверхностные и болотные воды. Эта зона  названа зоной грунтовых вод типа тундровых.

Вторая зона высоких вод севера идет от среднего Урала, захватывая верховья рек Печоры, Сев. Двины, Камы, Вятки и мелких притоков р. Волги, области Онежского и Ладожского озер, до Псковского озера и далее на юг, в бассейн р. Днепра, до начала Украинской кристаллической гряды. Грунтовые воды здесь приурочены главным образом к четвертичным отложениям, слегка минерализованы, содержат значительно меньше органических примесей, чем воды тундровой зоны, и залегают сравнительно недалеко от поверхности: 4—6 м на водоразделах, а в понижениях рельефа приближаются к поверхности и сливаются с болотами.

Третья зона, зона  неглубоких оврагов, тянется  от западных  склонов Уфимского плато на запад до девонского Полесского вала. С севера, в районе Горьковского Поволжья, в эту зону вклинивается предыдущая зона высоких вод Севера, а на юге она сама вклинивается в зону бассейна р. Цны. Грунтовые воды зоны неглубоких оврагов залегают сравнительно глубоко (20—25 м) и только в пониженных местах междуречий близки к поверхности. В оврагах и речных долинах часто встречаются обильные ключи, питающие реки. Эти воды не содержат органических примесей и более минерализованы, чем высокие воды Севера.

Из Ульяновского Поволжья в правобережье р. Днепра, расширяясь в районе Тула — Воронеж, тянется узкая лента зоны глубоких оврагов. Грунтовые воды этой зоны характеризуются глубоким залеганием и высокой степенью минерализации (жесткость вод доходит до 20° нем.).

Южнее зоны глубоких оврагов, от Уфимского плато, пересекая Поволжье по линии Ульяновск — Волгоград, далее через Харьков до Украинской кристаллической гряды проходит овражно-балочная зона. Грунтовые воды здесь сильно минерализованы, иногда солоноватые, залегают на глубине 50—60 м. Ключи редки, встречается часто пересыхающая верховодка.

 От Енисея до Поволжья и от западных склонов Ставропольского плато на Северном Кавказе, на запад до Карпатских предгорий проходит зона причерноморских балок. Грунтовые воды этой зоны еще более сильно минерализованы и залегают на больших глубинах, доходящих в  отдельных случаях до 100—120 м.

В условиях малорасчлененного рельефа, характерного для пустынь и полупустынь, в низовьях рек Волги, Урала и Эмбы, в Терско-Кумской низменности находится зона Прикаспийских балок. Несмотря на сравнительно близкое к поверхности залегание, грунтовые воды здесь жестки, солоноваты. Для этой зоны характерны большие бессточные депрессии.

К зональным грунтовым водам должны быть отнесены также воды районов вечной мерзлоты, граница распространения которых примерно совпадает с изотермой —2° С.

Обобщая закономерности залегания и свойств зональных грунтовых вод, О. К- Ланге выделяет на всей территории СССР три провинции или макрозоны.