Геологическая деятельность подземных вод

На строительство пагубное влияние оказывает разрушительная работа подземных вод, что приводит к снижению устойчивости горных пород, залегающих под фундаментами зданий и сооружений. Из разрушительных процессов наибольшее значение имеют суффозия, карст, плывуны.

Карст – процесс растворения и выщелачивания растворимых горных пород (карбонаты, сульфаты, галоиды) поверхностными и подземными водами и явления вследствие этого возникающие (карстовые пустоты, пещеры, воронки, кары и т.д.).

Рис.6.1. Зоны карстового массива в известняке: I - зона развития карста; II - зона цементации; УГВ – уровень грунтовых вод

По условиям залегания пород по отношению к поверхности земли выделяется два типа карста: открытый (поверхностный) и закрытый (глубинный). В зависимости от состава пород выделяются литологические типы карста: карбонатный, сульфатный, соляный.

Возникновение и развитие карстового процесса обусловлено, кроме способности пород к растворению, наличием приточной воды, степени её минерализации, геологическим строением участка застройки, рельефом, трещиноватостью пород и т.д.

Возможность возведения сооружений в карстовом районе регулируется сроком их службы, составом и скоростью выщелачивания пород, степенью их пораженности процессом. При этом необходимо различать карст действующий (активный) и погребенный (пассивный). При изменении гидрогеологических условий пассивный карст может стать активным.

Строительство в карстовых районах осуществляется только после проведения ряда конструктивных инженерных мероприятий, направленных на повышение устойчивости и прочности пород.

Суффозия (подкапывание) – процесс вымывания мелких частиц из горных пород потоком фильтрующейся воды.

Рис. 6.2. Суффозионная полость (1) в лессовых породах, залегающих на склоне рельефа, сложенном известняками-ракушечниками (2), 3-здания

Возникновению суффозии благоприятствуют следующие условия:

а) D/d>20, где D и d – диаметры двух смежных фракций грунта.

б) Наличие турбулентного движения воды, которое в песках возникает при градиентах напора I>5, при этом критическая величина гидравлического градиента, определяющая возможность возникновения механической суффозии определяется по формуле

,

где - удельный вес песка, n – его пористость в долях единицы.

в) Если отношение коэффициента фильтрации двух контактирующих слоев будет равно 2.

г) Суффозия протекает в недоуплотненных до максимальных значений грунтах.

д) Возникновение значительных сил гидродинамического давления

,

где - плотность воды.

Часто суффозии предшествует или сопутствует процесс выщелачивания или выноса в растворенном виде легко- и среднерастворимых солей, т.е. суффозия тесно связана с карстом. Это позволяет говорить о суффозионно-карстовых процессах и явлениях. Такому процессу подвержены глинистые пески, лессовые и другие породы, которые залегают на склонах речных долин, в откосах строительных котлованов, в подземных выработках (метро, шахты и др.). В результате суффозии в породах появляются пустоты, толщи пород уплотняются, а это приводит к оседанию поверхности земли и деформациям построенных на этих участках зданий и сооружений. При инженерно-геологических исследованиях строительных площадок необходимо выявить способность пород к суффозии. Выбор того или иного приема строительства зависит от геологического строения, геологической обстановки строительной площадки, типа и вида грунтов оснований, характера засоления, конструкции объекта и технических возможностей строительной организации.

Основой всех мероприятий является прекращение различными путями фильтрации воды.

Плывуны – водонасыщенные пески, супеси и другие рыхлые скопления, способные переходить в текучее состояние при движении воды или механических воздействиях (вскрытии выработками, канавами, скважинами, котлованами и др.). Переход пород в плывунное состояние обусловлен отсутствием в них структурных связей или таким их ослаблением, что они не способны противостоять напряжениям, вызывающим их движение. Основной причиной плывунных свойств является гидродинамическое давление поровой воды, которая создается в результате давления при вскрытии котлована. Давление воды обуславливает движение частиц песка в сторону разгрузки, т.е. котлована, частицы песка временно переходят во взвешенное состояние.

Плывунные пески сильно осложняют строительство – затапливают котлованы, приводят к провалам поверхности земли, нетерпимы к вибрационным и динамическим воздействиям. При изысканиях определяют наличие плывунных песков, их типы, геологическое залегание. При строительстве на плывунных грунтах отказываются от устройства котлованов, применяют свайный вариант фундаментов, подошву фундамента не доводят до слоя плывунных пород. В выборе метода борьбы важнейшее значение имеет вид плывуна.

Просадочные процессы

Просадочность – явление, характерное в основном для лессовых пород, связанное с воздействием воды на структуру грунта с последующим её разрушением и уплотнением даже под весом самого грунта или же при суммарном давлении собственного веса и веса сооружения.

Интенсивность уплотнения зависит от характера структурных связей, их прочности, состава, содержащихся солей, влажности, пористости пород, величины нагрузки (в том числе и собственного веса на уплотняющуюся толщу). В зависимости от этого действия факторов процесс уплотнения может происходить быстро или затягиваться на продолжительное время. Этим объясняется то, что просадки в отдельных случаях начинаются значительно позже увлажнения породы.

В зависимости от величины просадки в условиях действия собственного веса грунта при замачивании просадочные грунты подразделяют на 2 типа: I тип – просадка от собственного веса грунта отсутствует или не превышает 5см, II тип – просадка от собственного веса превышает 5см. Просадочные свойства чаще всего проявляются в верхней части лессовых пород. Поэтому для строительной оценки важную роль играет величина просадки, т.е. величина опускания поверхности земли.

Современные способы строительства на лессовых породах позволяют успешно противодействовать возникновению просадочных явлений, особенно в породах I типа. Наибольший эффект борьбы с просадочностью достигается при комбинировании 2-3 различных мероприятий.

Выбор мероприятий производят на основе технико-экономического анализа, в число факторов которых входят:

- тип просадочности;

- мощность просадочных толщ и величина относительной просадки;

- конструктивные особенности зданий и сооружений.

Все методы подразделяются на три группы: водозащитные, конструктивные и устраняющие просадочные свойства пород.

Задачи

В каждой предлагаемой для решения задаче дано описание пород площадки, прочность и устойчивость которых студенты должны оценить с учетом их возраста, генетических, петрографических, литологических особенностей, условий залегания, мощности, обводненности, климатических условий и т.д. Правильное решение поставленной задачи может быть связано с грамотным использованием особенностей геологической среды, её динамики, и особенно при взаимодействии со строительной системой на всем периоде её эксплуатации.

1. В процессе строительства подземного перехода на соседней территории был понижен уровень грунтовых вод (УГВ), что привело к образованию провала на площадке застройки. С целью выяснения причин провала были пробурены три скважины на расстоянии 25 м друг от друга. Описание буровых скважин даны ниже. Площадка горизонтальная, ровная, абсолютная отметка 106,5 м. Постройте геологический разрез, опишите все породы, объясните причину обрушения, дайте рекомендации по её устранению, оцените возможность дальнейшего строительства.

Описание буровых скважин

2. Здание длиной 50 м с фундаментами ленточного типа построено на элювиальных грунтах, пройденных скважинами 1,2 и 3, расположенными по оси здания на расстоянии 25 м одна от другой. Во время строительства произошла неравномерная осадка здания, вызвавшая опасные деформации, для выяснения причин которых пробурена в 10 м от скважины 3 дополнительная четвертая скважина. Постройте геологический разрез по данным бурения и определите причину неравномерной осадки. Установите ошибки, которые допущены при инженерно-геологических изысканиях и проектировании здания.

Описание буровых скважин

№ скважин, абс. отм. устья, м	Возраст породы	Мощность слоя, м	Описание горных пород	Глубина залегания уровня воды, м
стат.	динам.
1	2	3	4	5	6
	lQ4 T	3,0 3,0	Суглинок со щебнем диабаза Диабаз сильно выветрелый трещиноватый	4,0	4,0
	lQ4   T	3,5   1,5	Суглинок со щебнем и с валунами диабаза Диабаз сильно выветрелый трещиноватый	4,1	4,1
	lQ4   T	3,5   0,3	Суглинок со щебнем и с валунами диабаза Диабаз сильно выветрелый
	deQ4 T	10,0 5,0	Суглинок со щебнем диабаза Диабаз

3.

На рисунке проведен топографический профиль площадки, отведенной под строительство промышленного здания с очистными сооружениями. Используя данные бурения скважин, топографический профиль, постройте геологический разрез. С учетом геологических условий площадки и охраны геологической среды разместите здание размером 50х50 м. По карте сейсмического районирования сейсмичность территории оценивается в 8 баллов. Есть ли в пределах разреза участки с интенсивностью 9 баллов? Дайте характеристику горным породам разреза и назовите процессы, сформировавшие в четвертичный и дочетвертичный периоды геологическую и геоморфологическую обстановки.

Описание буровых скважин

№ скважин, абс. отм. устья, м	Возраст породы	Мощность слоя, м	Описание горных пород	Глубина залегания уровня воды, м
стат.	динам.
	dQ N2	1,5 15,0	Суглинок со щебнем Глина плотная	1,0	1,0
	dQ N1	3,1 15,0	Суглинок со щебнем Глина плотная	0,5	0,5
	N1 N1	15,4 2,6	Известняк Песчаник	11,3	11,3
	aQ3   N1	15,7   2,0	Песчано-гравийные отложения, хорошо водопроницаемые Песчаник	3,3	3,3

4. Для выяснения причин образования трещин в здании лечебного корпуса длиной 180 м пробурены три скважины вдоль стены, описание которых даны ниже в таблице. В этой же таблице приведены статический и динамический глубины залегания уровней грунтовых вод (УГВ) вдоль стены корпуса. Опишите процесс, который привел к деформации корпуса, определите гидравлический уклон потока.

Описание буровых скважин

№ скв., абс. отм. устья, м	№ слоя	Возраст породы	Описание горных пород	Мощность слоя, м	Глубина залегания УГВ, м
стат.	динам.
		dQ4   fgQ2 C1	Суглинок плотный коричневый Песок мелкий Известняк серый трещиноватый	1,5   5,0 3,0	3,0	9,5
		dQ4   fgQ2	Суглинок плотный коричневый Песок мелкий Известняк трещиноватый Пустое пространство, вода Известняк серый	2,5   3,6 3,0 5,0 0,5	1,0	8,0
		dQ4   fgQ2	Суглинок плотный коричневый Песок мелкий Известняк трещиноватый Пустое пространство, вода Известняк серый	0,5   0,8 10,0 0,3 2,0	3,0	11,0

5. В районе строительства станции метрополитена был понижен уровень грунтовых вод (УГВ), что привело к образованию провала на горизонтальной площадке, подлежащей застройке. Для установления причины провала были пробурены три скважины на расстоянии 30 м одна от другой. Описание скважин дается ниже. Абсолютная отметка площадки 130,5 м. Постройте геологический разрез, нанесите статический и динамический уровни грунтовых вод. Какова причина активного процесса, можно ли её устранить и застроить участок?

Описание буровых скважин

6. На территории города пробурены две скважины на расстоянии 25 м. Между ними на глубине 5 м заложен строительный котлован, на дне которого под экскаватором образовались воронки на площади 3….4 м² глубиной от 0,5 до 1,4 м. Постройте разрез. Масштаб: вертикальный 1:200, горизонтальный 1:500. Дайте инженерно-геологическую характеристику всем породам на разрезе. Объясните возможные причины образования провалов. Определите виды исследований для дальнейшего продолжения строительных работ.

Описание буровых скважин

№ скважин, абс. отм. устья, м	Геологичес­кий возраст	Мощность слоя, м	Описание горных пород	Глубина залегания уровня воды, м
стат.	динам.
	tQ4   mQ1 N2	3,2   4,1 10,0	Супесь со щебнем кирпича и древесными обломками Песок мелкий Известняк - ракушечник	9,1	9,1
	tQ4   tQ4 mQ1 N2	2,0   0,5 3,6 10,0	Глыбы известняка - ракушечника Суглинок со щебнем Песок мелкий Известняк - ракушечник	9,3	9,3

7. Под проектируемое на площадке здание на расстоянии 50м были пройдены две скважины. Здание шириной 20м с подвалом запроектировано посередине между скважинами. После проходки котлована глубиной 4 м последней был затоплен подземными водами. Постройте разрез по данным бурения, оцените инженерно – геологическую характеристику всех пробуренных пород, установите очевидные причины затопления котлована.

Описание буровых скважин.

№ скважин, абс. отм. устья, м	Возраст породы	Мощность слоя, м	Описание горных пород	Глубина залегания уровня воды, м
стат.	динам.
	gQ eQ1 D	3,2 1,1 3,0	Суглинок плотный с валунами Щебень песчаника Песчаник трещиноватый	3,2	2,5
	gQ eQ D	8,5 1,5 2,0	Суглинок плотный с валунами Щебень песчаника Песчаник трещиноватый	8,5	2,6

8.

Постройте геологический разрез по данным бурения скважин 1,2,3. Между скважинами 1 и 3 расположено старое здание. Когда на месте скважины 3 был пройден строительный котлован до глубины 6 м, по старому зданию прошла трещина. Установите причины деформации старого здания, ошибку при его размещении и нарушение условий охраны геологической среды при устройстве котлована.

Описание буровых скважин

№ скважины/абс. отм. устья, м	Возраст породыт	Мощность слоя, м	Наименование горной породы	Глубина залегания УГВ, м
стат.	динам.
	gQ2 fQ2 I	8,0 1,5 2,0	Суглинок с валунами и галькой Песок крупный Глина	8,0	1,5
	aQ3   I	11,0   2,0	Песок средней крупности и крупный Глина	6,0	2,5
	aQ3 I	10,0 2,0	Песок средней крупности Глина	6,0	2,5

9. В результате деформации трубопровода, находящегося на расстоянии 500 м от реки, произошла утечка в грунт ядовитых веществ. В месте аварии была пробурена скважина 1, а на берегу реки по направлению потока грунтовых вод – скважина 2. Описание скважин приводится в таблице. По материалам бурения постройте геологический разрез и определите, через какой промежуток времени загрязненные грунтовые воды достигнут реки, если коэффициент фильтрации песков средней крупности равен 10 м/сутки, пористость – 40 %.

Описание буровых скважин

№ скважины, абс. отм. устья, м	Возраст породы	Мощность слоя, м	Наименование горной породы	Глубина залегания УГВ, м
	aQ3   gQ2	10,1   5,3	Песок средней крупности, n=40%; KФ=10 м/сут. Суглинок	5,2
	aQ3 gQ2	6,2 2,8	Песок средней крупности Суглинок	1,1

10. При строительстве тоннеля на соседней территории был понижен уровень грунтовых вод (УГВ), что привело на горизонтальной строительной площадке, имеющей абсолютную отметку 103,2 м, к многочисленным провалам. Для оценки причин обрушения пробурены скважины на расстоянии 25 м друг от друга. Данные бурения приведены в табл. Постройте геологический разрез, оцените геологическую обстановку, опишите грунты с привлечением Госта. Дайте рекомендации по устранению причины провалов и застройке площадки.

Описание буровых скважин

11. В сводах памятника архитектуры XVII в., выстроенного на первой надпойменной террасе р. Казанки, образовались трещины в период строительства, а затем эксплуатации автострады и моста через реку. Для установления причин трещинообразования было пробурено две скважины: одна около памятника, вторая на стыке опоры моста и дороги в 20 метрах от памятника.

Постройте геологический разрез по этим скважинам, описание которых дается ниже, дайте подробную характеристику всем вскрытым скважинами породам, объясните, какие геологические и инженерно-геологические процессы могли привести к деформации памятника, если известно, что опоры моста устроены на свайных фундаментах из забивных свай.

Дайте рекомендации по устранению дальнейшего разрушения памятника.

Описание буровых скважин

№ скважины/абс. отм. устья, м	Возраст породы	Мощность слоя, м	Наименование горной породы	Глубина залегания УГВ, м
	aQ3 aQ3   aQ3	2,2 10,6   3,0	Супесь пылеватая Песок пылеватый с тонкими слоями супеси Песок мелкозернистый	11,2
	aQ3 aQ3	3,4 15,0	Супесь иловатая Песок пылеватый	11,6

12. По данным бурения трех скважин, расположенных на одной прямой на расстоянии 160 м друг от друга, постройте геологический разрез. Масштабы: горизонтальный 1:2000, вертикальный 1:500. Опишите свойства пород, вскрытых геологическими скважинами, укажите их возраст и условия образования.

Спроектируйте в районе первой и второй скважин канал, заложите его перпендикулярно линии разреза. Абсолютная отметка дна канала 503,3 м. В каком месте поперечного разреза канала нужна наиболее надежная гидроизоляция?

Рассмотрите вариант закладки канала в районе скважины 3 с учетом того, что площадь между скважинами 1 и 2 застроена. Сравните оба варианта.

Описание буровых скважин

№ скважины, абс. отм. устья, м	Возраст породы	Мощность слоя, м	Описание горных пород	Глубина залегания уровня воды, м
стат.	динам.
	dQ3-4 mN2	15,2 5,1	Лёсс Песок мелкозернистый	19,6	19,6
	dQ3-4 mN2 mN2 mN2 mN2 mN2	6,6 1,2 8,5 2,6 3,9 3,0	Лёсс Песок пылеватый Глина буровато-коричневая Песок пылеватый Глина серая плотная Песок пылеватый
	dQ3-4 mN2 mN2 mN2 mN2 mN2 mN2	1,6 5,2 2,3 8,5 2,6 3,9 2,0	Лёсс Глина буровато-коричневая Песок пылеватый Глина серая плотная Песок пылеватый Глина Песок мелкозернистый

13. На равнинной реке шириной 50 м был устроен мостовой переход. Для упрощения производства работ мост был выстроен на пойме. Под ним выполнена выемка для пропуска воды (рис. 6.1). После пуска воды искусственное русло стало искривляться, устои моста и насыпь были подмыты. Мост пришел в аварийное состояние. В чем причина активной эрозии, если в канале вскрыты те же отложения, что лежат в берегах и на дне реки? Какие меры по охране основания моста и окружающей территории следовало принять до пуска воды?

14. Объясните, какие геологические процессы обусловили образование указанных ниже четвертичных отложений. Какими литологическими разностями пород они представлены? Какие индексы соответствуют им на геологических картах и разрезах.

Описание буровых скважин