учебное пособие геология инженерные изыскания. Учебное пособие к практическим и лекционным занятиям для студентов очной и заочной форм обучения всех строительных специальностей
 Скачать 2.75 Mb.
|
|
8.1. Химический состав и агрессивность подземных вод Все подземные воды всегда содержат в растворенном состоянии большее или меньшее количество солей, газов, а также органических соединений. Суммарное содержание растворенных в воде веществ называется химическим составом воды [1]. Растворенные в воде газы (О, СО 2 , СН 4 , Н 2 S и др.) придают воде определенный вкус и свойства. Количество и тип газов обуславливает степень пригодности воды для питьевых и технических целей. Подземные воды у поверхности земли нередко бывают загрязнены органическими примесями, такая вода имеет неприятный вкус и опасна для здоровья людей. Соли. Из солей в подземных водах наибольшее распространение имеют хлориды, сульфаты и карбонаты. По общему содержанию растворенных солей подземные воды разделяют на пресные (до 1 г/л), солоноватые (от 1 до 10г/л), соленые (10-50г/л) и рассолы (более 50г/л). Жесткость воды – это свойство, обусловленное содержанием ионов кальция и магния, т.е. связанная с карбонатами. Жесткость принято выражать количеством миллиграмм-эквивалентов кальция и магния, 1 мг- экв жесткости соответствует содержанию в 1 л воды 20,04 мг иона кальция 48 или 12,6 мг иона магния. По жесткости воду разделяют на мягкую (менее 3 мг-экв), средней жесткости (3-6 мг-экв), жесткую (6-9 мг-экв) и очень жесткую (более 9 мг-экв). Наилучшим качеством обладает вода с жесткостью не более 7 мг-экв/л. Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воздействии растворенных солей на строительные материалы, в частности на бетон и металл. Агрессивное действие воды на бетон проявляется в растворении основного компонента портландцемента карбоната кальция, в результате чего бетон крошится и вспучивается. По отношению к бетону различают следующие виды агрессивности подземных вод: а) общекислотная – оценивается величиной рH (водородный показатель), в песках вода считается агрессивной, если рH< 7, а в глинах – рH< 5; б) сульфатная – определяется по содержанию иона SO 4 2- , при содержании SO 4 2- в количестве более 200 мг/л вода становится агрессивной; в) магнезиальная – устанавливается по содержанию иона Mg 2+ ; г) карбонатная – связанная с воздействием на бетоны агрессивной углекислоты, этот вид агрессивности возможен только в песчаных породах. Подземная вода с растворенными в ней солями и газами может обладать интенсивной коррозионной активностью по отношению к железу и другим металлам. Примером может служить окисление (разъедание) металлических поверхностей с образованием ржавчины под действием кислорода, растворенного в воде: 2Fe + O 2 = 2FeO; 4FeO + O 2 = 2Fe 2 O 3 ; Fe 2 O 3 + 3H 2 O = 2Fe(OH) 3 8.2. Карты поверхности грунтовых вод (карты гидроизогипс) При проектировании и строительстве сооружений для выявления характера поверхности (зеркала) грунтовых вод составляется карта гидроизогипс. Гидроизогипсами называются линии, соединяющие точки с равными абсолютными отметками зеркала грунтовых вод. Эти линии аналогичны горизонталям рельефа местности и подобно им отражают рельеф зеркала грунтовых вод. Для построения карты гидроизогипс замеряют уровни грунтовых вод в скважинах, которые на изучаемой территории располагают по сетке. Уровни воды пересчитывают на абсолютные отметки и по ним на топографической карте проводят горизонтали поверхности грунтовых вод. Как и горизонтали топографической карты, гидроизогипсы строят методом интерполяции или 49 с помощью палеток, причем сечение их зависит от масштаба карты и числа нанесенных на ней точек наблюдения (отметок уровня). По карте гидроизогипс можно определить следующие необходимые для практики данные: – направление течения и уклон грунтового потока; – глубину заложения грунтовых вод в любой точке и на любом участке; – мощность водоносного горизонта; – характер залегания грунтовых вод и соотношение его с рельефом поверхности; – скорость движения грунтовых вод на любом участке. Направление движения грунтовых вод определяют путем опускания перпендикуляра от гидроизогипсы с большой отметкой на гидроизогипсу с меньшей отметкой. Направление грунтового потока совпадает с этим перпендикуляром. Для определения уклона потока по карте гидроизогипс на площади того или иного участка берут разность между отметками крайних гидроизогипс на этом участке и делят ее на расстояния между ними. Глубину залегания грунтовых вод в любой точке определяют по разности между отметкой горизонтали поверхности земли и отметкой гидроизогипсы в данной точке. Скорость фильтрации воды определяется по формуле V=KI, где V – скорость; K – коэффициент фильтрации; I – напорный градиент. Поверхность грунтовых вод, как показывают инженерно- геологические исследования крупных площадей, большей частью неровная, волнистая. Часто она повторяет рельеф поверхности. Однако такое соотношение поверхности земли и поверхности грунтовых вод на отдельных участках может нарушаться. Глубина залегания грунтовых вод также зависит от рельефа местности. В речных долинах, оврагах и других понижениях рельефа грунтовые воды находятся на сравнительно небольшой глубине. По мере повышения рельефа глубина залегания грунтовых вод увеличивается. На водоразделах и других возвышенностях глубина залегания может достигать нескольких десятков метров. 8.3. Движение подземных вод Подземные воды в большинстве случаев находятся в движении. Передвигаться подземные воды в горных породах могут как путем инфильтрации, так и фильтрации. При инфильтрации передвижение воды происходит при частичном заполнении пор воздухом или водяными парами, что наблюдается в зоне аэрации. При фильтрации движение воды происходит при полном заполнении пор или трещин водой. Масса этой движущейся воды создает фильтрационный поток. Движение грунтового 50 потока в водоносных слоях (галечнике, песке, супеси, суглинке) имеет параллельно-струйчатый или так называемый ламинарный характер и подчиняется закону Дарси [1]. Решение задач о движении подземных вод, выбор метода гидрогеологического расчета и расчетной схемы производят на основе схематизации (упрощения) природных гидрогеологических условий. При этом учитывают основные особенности фильтрационного потока подземных вод (характер движения, гидравлические характеристики, фильтрационные свойства пород, границы водоносных горизонтов и т.д.). Типичным примером плоского потока может служить движение подземных вод к траншеям, штольням и другим горизонтальным выработкам. Расход безнапорного потока в однородных пластах при горизонтальном водоупоре, согласно закону Дарси, в пределах рассматриваемого участка от сечения I до сечения II (рис. 8.2): ср ср ф ф I h b К I F К Q , (8.1) где К ф – коэффициент фильтрации; b – ширина потока, м; ср h – средняя мощность потока, м; ср I – средний напорный градиент потока. Принимая 2 / 2 1 h h h ср и L h h I ср / 2 1 , расход грунтового потока можно выразить формулой L h h b К L h h h h b К Q ф ф 2 / 2 / 2 2 2 1 2 1 2 1 , (8.2) где h 1 и h 2 – мощность водоносного пласта соответственно в сечениях I и II; L – расстояние между скважинами. Рис.8.2. Схема для расчета расхода плоского потока грунтовых вод с горизонтальным (a) и наклонным (б) водоупором 51 Расход плоского потока удобнее выражать на единицу его ширины, т.е. в виде единичного расхода, b Q q , где q – единичный расход плоского потока, т.е. количество воды, протекающее в единицу времени через сечение потока шириной 1 м: L h h K q ф 2 / 2 2 2 1 , (8.3) Единичный расход потока при наклонном водоупоре определяют по формуле L b h h H H K q ф 2 / 2 1 2 1 , (8.4) где Н 1 и Н 2 – напоры воды в сечениях I и II, отсчитанные от условной горизонтальной плоскости; b – ширина потока, принимаемая при определении единичного расхода, равна одному метру. 8.4. Контрольные задания по теме «Гидрогеология» Постройте схему и определите единичный расход грунтового потока по результатам замеров, выполненных в двух скважинах, расположенных на расстоянии 200 м по направлению течения, если коэффициент фильтрации однородных водовмещающих пород равен 5,2 м/сут [2]. Таблица 8.1 №№ ва ри ан та Абсолютные отметки, м Мощность h водоносного пласта, м Глубина d залегания уровня грунтовых вод, м устья скважины уровня грунтовых вод кровли водоупорного слоя скв.1 скв.2 скв.1 скв.2 скв.1 скв.2 скв.1 скв.2 скв.1 скв.2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 32,1 30,3 28,0 24,2 17,8 18,3 – – – – 2 22,4 20,7 – – 8,6 8,8 – – 3,2 6,6 3 56,1 55,3 – – 48,6 44,3 5,2 6,7 – – 4 83,8 84,1 81,6 80,5 – – 3,4 3,2 – – 5 42,4 40,7 – – 28,6 28,7 – – 3,5 6,4 6 46,1 45,3 – – 48,6 44,2 5,3 6,9 – – 7 32,6 30,8 29,0 25,2 18,7 19,1 – – – – 8 63,8 64,1 61,6 60,5 – – 4,4 3,9 9 31,6 32,8 29,0 25,2 19,7 17,1 – – – – 10 27,4 24,7 – – 18,2 18,0 – – 4,0 3,9 11 38,2 32,3 32,0 29,2 19,8 18,6 – – – – 12 32,4 30,7 – – 18,5 18,2 – – 3,0 3,6 13 66,1 65,3 – – 48,6 44,3 5,7 6,2 – – 14 37,1 33,3 32,2 29,1 19,5 18,8 – – – – 15 52,7 50,3 – – 38,6 38,3 – – 4,2 5,6 16 46,1 45,3 – – 28,6 24,3 4,2 5,7 – – 17 36,3 33,3 31,5 29,8 19,3 18,8 – – – – 18 61,2 60,5 – – 47,6 46,7 – – 3,7 4,5 52 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 19 51,1 50,3 – – 42,6 38,3 5,2 6,1 – – 20 48,2 42,3 42,0 39,2 29,8 28,6 – – – – 21 70,4 67,7 – – 58,7 58,5 – – 4,1 6,6 22 56,8 55,0 – – 48,5 44,2 5,3 5,7 – – 23 58,1 52,5 52,1 50,2 39,5 38,9 – – – – 24 82,4 80,5 – – 68,6 68,7 – – 3,1 6,1 25 28,3 22,2 22,0 19,1 11,7 10,6 – – – – 9. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ Геологические процессы и явления на поверхности земной коры являются результатом геологической деятельности воды, ветра, организмов и т.д. Проявляются они в верхней части земной коры и оказывают определенное влияние на здания и сооружения. Инженерные сооружения, как и техногенная деятельность человека, в свою очередь воздействуют на земную кору и тоже вызывают геологические процессы, которые называют инженерно-геологическими. Природные геологические и инженерно-геологические процессы по своему происхождению и содержанию сходны и взаимно обусловлены. Главным природным фактором, определяющим развитие инженерно-геологических и геологических процессов, является среда их возникновения, то есть горные породы. Устойчивость любой строительной площадки должна рассматриваться в зависимости от того, какими породами она сложена. В зависимости от источников энергии все геологические и инженерно- геологические процессы делятся на эндогенные (внутренние), обусловленные энергией, выделяемой Землей и экзогенные, изменяющие верхнюю часть земной коры, её рельеф (просадочность, карст, суффозия, плывунность и т.д.) [1]. При изучении геологических процессов особое внимание следует уделять причинам их возникновения, развитию во времени, количественной оценке, выбору мероприятий, устраняющих их вредное влияние на строительство и нормальную работу зданий и сооружений. 9.1. Процессы выветривания Под процессом выветривания понимают разрушение и изменение состава горных пород, происходящие под воздействием различных агентов, действующих на поверхности, среди которых основную роль играют колебания температур, замерзание вод, кислот, щелочей, углекислоты, действие ветра, организмов и т.д. Процесс выветривания воздействует не только на природные тела (минералы, горные породы), а также и на искусственно созданные строительные материалы и сооружения. Главной особенностью процесса выветривания является 53 постепенное и постоянное разрушение верхних слоев литосферы. В результате этого горные породы и материалы дробятся, изменяют свой химико-минеральный состав, вследствие чего ухудшаются их строительные свойства или они полностью разрушаются. Процесс выветривания протекает при одновременном участии многих агентов, но роль их при этом далеко неодинакова. При интенсивности воздействия тех или иных агентов выветривания и характеру изменений горных пород принято выделять три вида выветривания: физическое, химическое и биологическое (органическое). Физическое выветривание выражается преимущественно в механическом дроблении пород без существенного изменения их минерального состава. Породы дробятся в результате колебания температур, замерзания воды в трещинах, механической силы ветра и ударов песчинок, переносимых ветром, и т.д. Химическое выветривание выражается в разрушении горных пород путем растворения и изменения их состава. Наиболее активными химическими реагентами в этом процессе являются вода, кислород, углекислота и органические кислоты. Биологическое (органическое) выветривание проявляется в разрушении горных пород в процессе жизнедеятельности живых организмов и растений. Породы дробятся и в значительной мере подвергаются воздействию органических кислот. Механическое разрушение производят растения своей корневой системой. Растения и животные, особенно микроорганизмы (бактерии, микробы и др.) и низшие растения (водоросли мхи, лишайники) выделяют различные кислоты и соки, которые в свою очередь, весьма активно взаимодействуют с минералами горных пород, разрушают их, формируют минеральные новообразования. Борьба с процессом выветривания. При выборе основания для зданий и сооружений кору выветривания прорезают фундаментом до невыветрелой породы, либо используют её как основание после соответствующего укрепления. Для предотвращения выветривания или улучшения свойств уже выветрелых пород применяют мероприятия: – покрытие горных пород непроницаемыми для агентов выветривания материалами (бетон, цементный состав, гудрон, геосинтетики, глина и т.д.); – пропитывание пород различными составами (жидкое стекло, гудрон, цемент и т.д.). Например, жидкое стекло – для укрепления песчаных и песчано-глинистых пород, гудрон – для укрепления щебенистых отложений; – нейтрализация агентов выветривания (снижение химической активности подземных вод путем насыщения солями и т.д.); – планировку территорий и отвод вод. 54 Строительные изделия необходимо изолировать от влияния агентов выветривания различными покрытиями – красками, лаками, штукатуркой, жидким стеклом, органическими пленками и т.д. 9.2. Геологическая деятельность ветра На земной поверхности постоянно дуют ветры. Ветер совершает большую геологическую работу: разрушение земной поверхности (выдувание или дефляция, обтачивание или коррозия), перенос продуктов разрушения и отложения (аккумуляции) этих продуктов в виде скоплений различной формы. Все эти процессы носят общее название эоловых. Наиболее ярко эоловые процессы проявляются в пределах пустынь, полупустынь, долин рек и морских побережий. Выдувание (дефляция) возникает в результате воздействия механической силы ветра. Наиболее ярко этот процесс проявляется в районах, сложенных рыхлыми или мягкими породами. От пород отрываются и уносятся частицы. Ветер выдувает котловины, борозды и траншеи в суглинках, песках. Механическая сила ветра существенно влияет на здания и сооружения, которые являются для него препятствием. Создается так называемая ветровая нагрузка, что выражается в дополнительном боковом давлении на строительные конструкции. Высотные здания, дымовые трубы, под действием ветровой нагрузки постоянно колеблются. Движение ветра сопровождается переносом пыли, песка и даже гравия. Ударяясь о твердые породы и строительные конструкции, они перетирают, сверлят и обтачивают их поверхность. Процесс обтачивания получил название корразии. Эоловые отложения. Перенос частиц ветром совершается во взвешенном состоянии или путем перекатывания в зависимости от скорости ветра и размера частиц. Во взвешенном состоянии переносятся глинистые, пылеватые и тонкопесчаные частицы. При уменьшении скорости ветра и других благоприятных условиях происходит отложение переносимого материала (аккумуляции). Так образуются ветровые (эоловые) образования. В большинстве случаев это накопления песка: подвижные (дюны, барханы) и закрепленные (грядовые, бугристые) пески. За пределами пустынь обычно встречаются пылеватые накопления. Такие накопления древнего возраста приняли участие в формировании лессовых образований, широко распространенных на земной поверхности. |