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

Работа из раздела: «Геология, гидрология и геодезия»

Оглавление
Введение
Исходные данные

Геологические условия
Гидрогеологические условия
Гидрогеологические расчеты при строительном водопонижении
Прогноз процессов в грунтовой толще, связанных с понижением уровня грунтовых вод
Оценка воздействия напорных вод на дно котлованов и траншей

Заключение
Список используемой литературы

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 (по 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): их количество в изученном разрезе, глубина залегания, мощность и выдержанность, тип по условиям залегания, наличие избыточного напора, химический состав, 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, систематический 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 (утечка из водонесущих сетей, «барражный» эффект фундаментов глубокого заложения, крупных подземных сооружений и т.п.);
· изменение химического состава и температуры подземных вод (утечка из сетей, антиналедные мероприятия и т.д.).

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 деформационных показателей.

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

Исходные данные

Данные инженерно-геологических изысканий.

Карта фактического материала, содержащая сведения о рельефе и размещении разведочных скважин.
Рис. 1. Участок 8. Масштаб 1:2000.

Геолого-литологические колонки по разведочным скважинам.

Таблица 1. Описание колонок буровых скважин.

Номер скваж.	Абс. отметка устья, м	Номер слоя	Индекс слоя	Полевое описание пород	Отметка подошвы слоя, м	Отметка уровней подземных вод
						Отметка уровня появления воды, м	Отметка уровня, м
60	3	1	ml IV	см. табл. 2	0,5	1,9	2
		2	p IV	торф	-0,3
		3	lg III	глина слоистая, мягкопластичная	-2
		4	g III	супесь с гравием, пластичная	-4,4	-2,3	2,4
		5	g III	суглинок с гравием, полутвердый	-6,5
61	4	1	tg IV	насыпной слой	3	3,5	3,7
		2	ml IV	супесь пылеватая, с растительными остатками, пластичная	1,5
		3	lg III	суглинок ленточный, мягкопластичный	-2,1
		4	g III	песок гравелистый, средней плотности, водонасыщенный	-4,3
		5	g III	суглинок с гравием, полутвердый	-6
62	4,6	1	tg IV	насыпной слой	3,2	4,3	4,5
		2	ml IV	супесь пылеватая, с растительными остатками, пластичная	0,2
		3	lg III	суглинок ленточный, мягкопластичный	-2,5
		4	g III	песок гравелистый, средней плотности, водонасыщенный	-4
		5	g III	супесь с гравием, пластичная	-5,4

Сведения о гранулометрическом составе грунтов первого водоносного слоя.

Таблица 2. Результаты гранулометрического анализа грунтов первого слоя.

Номер участка	Номер скваж.	Галька >100	Гравий 10-2	Песчаные	Пылеватые	Глинистые
				2-0,5	0,5-0,25	0,25-0,1	0,1-0,05	0,05-0,01	0,01-0,005
8	60	-	-	10	18	29	6	14	16	7

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

Таблица 3. Значения некоторых показателей физико-механических свойств грунтов.

Грунт	Индекс слоя	Плотность, т/м³	Число пласт-ти I_p, д. ед.	Показатели пористости, д. ед.	Модуль деф-ции Е, МПа	Степень разложен. Торфа D, %
		r_S	r		n	e
Песок средней крупности	ml IV	2,65	1,65	-	0,4	0,66	25-35	-
Песок мелкий	ml IV	2,65	1,74	-	0,37	0,6	18-30	-
Песок пылеватый	ml IV	2,65	1,8	-	0,35	0,53	9 12	-
Супесь пылеватая с растительными остатками	ml IV	2,62	1,85	0,06	0,6	1,5	7 15	-
Супесь пылеватая, заторфованная	ml IV	2,15	1,72	0,07	0,77	3,44	4 10	-
Супесь слоистая	lg III	2,68	2,05	0,03	0,38	0,6	8 21	-
Суглинок ленточный	lg III	2,72	1,92	0,1	0,55	0,9	6 12	-
Суглинок с гравием, галькой	g III	2,7	2,15	0,14	0,31	0,45	20-30	-
Торф верховой слаборазложившийся	p IV	1,5	0,9	-	0,91	18	0,8	15
Торф низинный разложившийся	p IV	1,7	1,15	-	0,85	7	1,2	60

Результаты химического анализа грунтовых вод.

Таблица 4. Данные химического анализа грунтовых вод.

Номер скважины	Ca	Mg	K+Na	SO₄	Cl	HNO₃	CO₂_св	pH
	мг/л
60	58	8	6	11	5	209	25	7

Сведения о параметрах объектов и их размещении в пределах площадки:

- котлован: размеры 30х40, глубиной 2 м, по скважине 61.
- траншея: шириной 2 м, глубиной 3 м, по скважине 62.
Геологические условия
Оценка рельефа участка. Рельеф равнинный:

- по высоте над уровнем моря - низменность (низменная равнина);

- по общему характеру поверхности - наклонная;

- по форме и строению неровностей - ступенчатая.

Абсолютные отметки местности изменяются от 2,6 до 4,6 м. Колебания высот на участке в пределах 2 м. Общий уклон - 12‰. Углы склонов между характерными точками - 0,5° и 0,15°.
Построение геолого-литологического разреза по данным разведочных скважин.
Рис. 2. Геолого-литологический разрез.
Определение наименования грунта первого слоя.
Согласно ГОСТ 25100-95 грунт первого слоя скважины 60 - супесь, т.к. содержание глинистых частиц - 7% (для супеси в целом этот показатель - 3…8%); пылеватая, т.к. содержание частиц с размером 2-0,5 < 50%; пластичная (показатель текучести I_L=0-1).
Построение графика гранулометрического состава для грунта первого слоя.
Таблица 5. Вспомогательная таблица полных остатков.

Диаметр частиц, мм	< 2	0,5	< 0,25	< 0,1	0,05	< 0,01	< 0,005
Сумма фракций, %	100	90	72	43	37	23	7

Рис. 3. Суммарная кривая гранулометрического состава.

Действующий диаметр: d₁₀=0,0057.
Контролирующий диаметр: d₆₀=0,174.
Степень неоднородности: C_u=d₆₀/d₁₀=0,174/0,0057=30,5.
Суффозионную устойчивость: грунт неустойчив, т.к. C_u > 10.
Ориентировочное значение коэффициента фильтрации: k=0,4 м/сут.
Высота капиллярного поднятия:
h_k=C/(e·d₁₀)=0,3/(1,5·0,0057)=35,1 см, где
e - коэффициент пористости, д. ед.;
C - эмпирический коэффициент, зависящий от крупности частиц и наличия примесей (принимается в интервале от 0,1 до 0,5).
Выделение инженерно-геологических элементов в пределах пробуренной толщи.

Основой для выделения инженерно-геологических элементов служит геолого-литологический разрез. На разрезе выделяют слои по таким признакам, как происхождение (генезис), возраст, состав (номенклатурный вид) грунтов. Свойства грунта и его состояние в пределах выделенного слоя при этом не учитываются. Однако они могут изменяться, и тогда эти изменения фиксируются посредством выделения инженерно-геологических элементов.

За инженерно-геологический элемент принимают некоторый объем грунта одного и того же номенклатурного вида, однородного по свойствам и состоянию. Этот объем может быть представлен слоем или частью слоя, линзой, прослоем, иногда целой пачкой ритмично перемежающихся слойков или прослоев.

Основанием для выделения ИГЭ служат такие показатели свойств и состояния грунта:

· для песчаных грунтов - гранулометрический (зерновой) состав и коэффициент пористости;
· для глинистых грунтов - число пластичности, показатель текучести, коэффициент пористости, влажность.

Рис. 4. Выделение инженерно-геологических элементов на разрезе.

Коренных пород в пробуренной толще не вскрыто.

Установление категории сложности инженерно-геологических условий по геологическим факторам (разрезу).

разведочный скважина грунтовый вода

Таблица 6. Категории сложности инженерно-геологических условий (по СП 1-195-97).

Факторы	Сложность
Геоморфологические условия	II (средняя): площадка в пределах нескольких геоморфологических элементов одного генезиса. Поверхность наклонная, слабо расчлененная.
Геологические в сфере взаимодействия зданий и сооружений с геологической средой	II (средняя): не более четырех различных по литологии слоев, залегающих наклонно или с выклиниванием. Мощность изменяется закономерно. Существенное изменение характеристик свойств грунтов в плане или по глубине.
Гидрогеологические в сфере взаимодействия зданий и сооружений с геологической средой	II (средняя): два выдержанных горизонтов подземных вод, местами с неоднородным химическим составом или обладающих напором и содержащих загрязнение.
Геологические и инженерно-геологические процессы, отрицательно влияющие на условия строительства и эксплуатации зданий и сооружений	I (простая): отсутствуют.
Специфические грунты в сфере взаимодействия зданий и сооружений с геологической средой	II (средняя): имеют ограниченное распространение и не оказывают существенного влияния на выбор проектных решений, строительство и эксплуатацию объектов.
Техногенные воздействия и изменения освоенных территорий	I (простая): незначительные и могут не учитываться при инженерно-геологических изысканиях и проектировании.

По совокупности приведенных факторов инженерно-геологические условия участка относятся ко II средней степени сложности.

Наносим на разрез контуры котлована и траншеи.

Рис. 5. Контуры котлована и траншеи на разрезе.
Гидрогеологические условия
Описание гидрогеологических условий.

Данное описание составлено на основе анализа колонок буровых скважин (табл. 1), геолого-литологического разреза (рис. 2) и карты гидроизогипс (рис. 6).

На участке выявлено 2 водоносных слоя:
· Безнапорный водоносный горизонт. По условия залегания - верховодка. Глубина залегания - 0,1…1 м от поверхности земли. Водовмещающие слои - ИГЭ №1 и №2.
· Напорный водоносный горизонт. Обнаружен около скважины 60. По условия залегания - межпластовый. Глубина залегания - 5,3 м от поверхности земли. Водовмещающие слои - ИГЭ №2 и №3. Водоупорные слои - ИГЭ №4 и №5. Напор равен 4,7 м, мощность - 3,3 м.
Построение карты гидроизогипс.
Для горизонта грунтовых вод построим карту гидроизогипс и нанесем на нее контуры котлована и траншеи.

Рис. 6. Карта гидроизогипс.

Характер потока - плоский (вода движется примерно в одном направлении).

Гидравлический градиент:
i=ДH/l,
где i - перепад отметок в соседних точках;
l - расстояние между этими точками.
Между скважинами 59 и 62: i_max=ДH/l=3/166=0,018
Между скважинами 61 и 62: i_min=ДH/l=0,8/70=0,011
Скорость грунтового потока:
· кажущаяся:
V_max=k·i=0,4*0,018=0,007 ; V_min=k·i=0,4*0,011=0,005
· действительная:
V_max=V/n,
где n - пористость водовмещающих пород в д.ед.
V_max=V/n=0,007/0,6=0,012
V_min=V/n=0,005/0,6=0,008
Участком возможного подтопления может быть как участок расположения котлована, так и участок, где расположена траншея, поскольку вероятность проникновения в эту область воды первого водоносного слоя велика.
Связь грунтового потока с поверхностными водами реки, озера, пруда не выявлена.
Изучение химического анализа воды. Оценка качества воды по отношению к бетону.
Составление химической формулы воды и установление наименования.

Подземные воды - это сложные многокомпонентные растворы. В них находятся растворенные вещества в виде ионов, коллоидные частицы, газы, микроорганизмы. Свойства подземных вод, учитываемые в строительстве, зависят, главным образом, от количества и соотношения основных ионов, величины водородного показателя, содержания газов.

Таблица 7. Выражение результатов анализа в различных формах.

Ионы	Содержание, мг/л	Эквивалентное содержание	Эквивалентная масса
		мг*экв	%-экв
Катионы	Na²⁺	6	0,26	6,8	23
	Mg²⁺	8	0,67	17,5	12
	Ca²⁺	58	2,9	75,7	20
Сумма катионов	72	3,83	100%	-
Анионы	Cl^-	5	0,14	3,7	35
	SO₄^2-	11	0,23	6,0	48
	HCO₃^-	209	3,43	90,3	61
Сумма анионов	225	3,80	100%	-
Общая сумма	297

HCO₃90,3
M_0,3----------------pH7;T10°.
Ca75,7Mg17,5
По содержанию солей и преобладающим ионам вода пресная, гидрокарбонатно-кальциевая. Определение агрессивности воды к бетону.
Таблица 8. Оценка качества воды по отношению к бетону.

№	Показатели агрессивности воды	Для сильно- и среднефильтрующих грунтов k? 0,1 м/сут
		Действ. данные	Табл. данные
1	Бикарбонатная щелочность HCO₃^-, мг/л	209	> 85,4
2	Водородный показатель рН	7	> 6,5
3	Содержание магнезиальных солей в пересчете на Mg²⁺, мг/л	8	? 1000
4	Содержание едких щелочей в пересчете на ионы К⁺ и Na⁺, г/л	6	? 50
5	содержание сульфатов в пересчете на ионы SO₄^2-, мг/л	11	< 250

Согласно СНиП 2.03.11-85 данная вода является неагрессивной средой по отношению к бетону.
Гидрогеологические расчеты при строительном водопонижении

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

Чаще всего применяют следующие способы водопонижения:

· принудительные - откачка воды из котлована, траншеи, среди них: открытый водоотлив и глубинное водопонижение с помощью скважин; в этих случаях столб воды в котлованах, траншеях отсутствует;
· самотечные - отвод воды дренажными траншеями; здесь столб воды есть.
Для расчета водопонизительной системы (мощности насосов, глубина скважин, расстояние между ними и т.п.) необходимы сведения о величине возможного водопритока.

Предварительная оценка водопритока может быть получена расчетом на основе данных о параметрах водоносного слоя, типа и параметрах выемки:

1. Тип выемки - несовершенный, т.к. ее дно не доходит до водоупора (ИГЭ №4 и №5)

Рис. 7. Схема водопритока к несовершенным выемкам: а - траншея: б - котлован.

Для котлована:

· отметка природной поверхности NL=4 м;
· отметка поверхности водоносного горизонта WL=3,7 м;
· отметка дна котлована dL=2 м;
· отметка поверхности водоупорного слоя BL=1,5 м.

Для траншеи:

· отметка природной поверхности NL=4,6 м;
· отметка поверхности водоносного горизонта WL=4,5 м;
· отметка дна котлована dL=1,6 м;
· отметка поверхности водоупорного слоя BL=0,2 м.

Характер потока, формирующегося в процессе водопонижения вокруг выемки, зависит от отношения сторон котлована и траншеи.

Соотношение сторон котлована: 40/30=1,3 ? 10. Следовательно, формируется радиальный поток.

Соотношение сторон траншеи: 120/1=120 > 10. Следовательно, формируется плоский поток.
Величина водопонижения (S) задается в зависимости от решаемых задач, например, т.к. дно котлована должно быть сухим, в несовершенном котловане воду понижают до отметки ниже его дна. Величина S определяется расчетом, исходя из условия: для котлована:
1,5·h_wk > S > h_wk+h_k+0,5, где
h_wk - высота столба воды в котловане до понижения, м;
h_k - высота капиллярного поднятия, м.
1,5·1,7 > S > 1,7+35,1+0,5
2,55 > S > 37,3
Условие не выполняется, значит водопонижение не нужно.
· для траншеи: принимается произвольно S=0,5·h_A₁=0,5·3=4,5 м.
Радиус влияния водопонижения берется по табличным данным: R=15 м.
Расчет водопритока.

Приток воды к несовершенным выемкам проще всего определять, используя понятие об «активной зоне». Это часть водоносного горизонта, на которую распространяется влияние откачки. Мощность активной зоны непостоянная и зависит от величины водопонижения. Используя выявленные зависимости (по Е.А. Замарину), принимаем в расчетах:

· для котлована (полное осушение) при S=h_wk=1,7 м, H_A₁=2·h_wk=2·1,7=3,4 м;
· для траншеи (частичное водопонижение) при S=0,5·h_wk=0,5·1,7=0,85 м, H_A₁=1,7·h_wk=2·1,7=3,4 м.
Короткий котлован рассматривается условно как «большой колодец». Его площадь котлована приравнивается к площади равновеликого круга, равной р·r².
Определяется т.н. приведенный радиус «большого колодца»:
r₀=vl ·b/(р·r²) =v30·40/3,14=19,5 м
Радиус влияния «большого колодца» R_k определяют как сумму r₀+R=19,5+15=34,5

Расчет притока в безнапорном горизонте:

Q=1,37·k·(h_A1²-h_A2²)/(lgR_k/r₀)=8,64

В процессе откачки фильтрация воды в котлован из поверхностного водоема возможна в случае, если водоем находится в пределах депрессионной воронки, а уровень воды в нем выше отметки дна котлована.

Прогноз процессов в грунтовой толще, связанных с понижением уровня грунтовых вод

Водопонизительные работы изменяют скорость движения и направление потока грунтовых вод. Открытый водоотлив из котлованов и траншей может сопровождаться выносом частиц грунта из стенок за счет нисходящего потока - механическая суффозия. В несовершенных выемках под их дном возникает восходящий поток, который разрыхляет («разжижает») грунт - фильтрационный выпор. Глубинное водопонижение с помощью иглофильтров уплотняет грунт вокруг котлована и под его дном, вызывая оседание поверхности.

Прогноз суффозионного выноса.

Наиболее полно возможность развития суффозии можно определить по графику В.С. Истоминой.
Рис. 8. График для оценки развития суффозии (по В.С. Истоминой): I - область разрушающих градиентов фильтрационного потока; II - область безопасных градиентов.

Координаты точки на графике:

C_u=30,5.
Величина гидравлического градиента при водопонижении:
для котлована i=S/(0,33·R)=1,7/(0,33·34,5)=0,15
для траншеи i=S/(0,33·R)=2,9/(0,33·34,5)=0,26

где S - разность напоров (отметок) водоносного слоя; R - путь фильтрации, равный радиусу влияния, м (используем максимальное значение R); 0,33 - коэффициент, ограничивающий значимый путь фильтрации областью, прилегающий к котловану.

Для котлована точка попадает во II область, область безопасных градиентов, для траншеи - в I область, область разрушающих градиентов. Для траншеи возможен суффозионный вынос.

Фильтрационный выпор.

В случае, если величина градиента при водопонижении достигнет значений i ? 1, в дне несовершенного котлована возможен фильтрационный выпор. Это имеет место при открытом водоотливе из котлована, огражденного шпунтовой стенкой.

Прогноз оседания поверхности земли 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. В пределах значительной площади осадка может быть неравномерной.

Предварительный расчет осадка территории можно произвести по формуле:

S_гр=Дg·S_w/2E,
Дg=g-g_sb
g - удельный вес грунта, кН/м³;
g_sb=(g_s-g_w)·(1-n) - удельный вес грунта ниже уровня грунтовых вод;
g_s - удельный вес твердых частиц грунта, кН/м³;
g_w - удельный вес воды, кН/м³;
n - пористость, д. ед.;
S_w - величина водопонижения, м;
E - модуль общей деформации грунта в зоне депрессионной воронки, МПа.
Оценка 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:
· р_изб < р_гр - дно выработки устойчиво;
· р_изб = р_гр - подъем дня котлована за счет разуплотнения грунта в его основании;
· р_изб > р_гр - прорыв напорных вод в котлован, где
р_изб=g_w·H_w, р_гр=g·h_гр.
Схема, сопровождающая расчет:
В случае, если установлена возможность прорыва или подъем дна котлована, для уменьшения избыточного напора применяют глубинное водопонижение с помощью трубчатых колодцев-скважин (вода откачивается насосами или выходит самоизливом).

Величина избыточного напора межпластовых вод, залегающих на относительно небольшой глубине (до 30 м), может колебаться в диапазоне 10-15 м. Понижение напора на 10 м при водопонижении создает дополнительные напряжения в толще грунта (0,1 МПа), сжатие грунта и, как следствие, оседание земной поверхности.

Заключение

Участок №8 представляет собой относительно плоский рельеф, без резких перепадов высот.

Выделены следующие инженерно-геологических элементы на разрезе:

· насыпной слой;
· супесь пылеватая, пластичная;
· торф;, суглинок ленточный, мягкопластичный;
· глина слоистая, мягкопластичная;
· супесь с гравием, пластичная;
· песок гравелистый, средней плотности, водонасыщенный;
· суглинок с гравием, полутвердый.
По гидрогеологическим факторам следует отметить, что на участке выявлено два выдержанных горизонта подводных вод, местами с неоднородным химическим составом, один из них обладает напором. Вода пресная гидрокарбонатно-кальциевая, неагрессивная среда по отношению к бетону. Инженерно-геологические условия изучаемой местности имеют вторую категорию сложности (средняя сложность) по геологическим факторам, поскольку большинство основных факторов относятся именно к этой категории. Факторов, относящихся к сложной категории, не выявлено.
При проектировании зданий и сооружений и дальнейшей застройке территории участка следует обратить внимание на наличие напорного горизонта, на химический состав воды: важно применять коррозионно-стойкие материалы, добавки, повышающие коррозионную стойкость бетона и его защитную способность для стальной арматуры.
Вероятность проявления отрицательного влияния суффозии на участке присутствует. Величина оседания поверхности земли при снижении уровня грунтовых вод не велика. Воздействие напорных вод на дно котлована опасно.

Список используемой литературы

1. В.П. Ананьев, А.Д. Потапова «Инженерная геология». Изд-во Москва «Высшая школа», 2002 г.

2. Л.Г. Заварзин, С.Н. Сотников, А.Б. Фадеев «Инженерная геология и гидрогеология». Уч. пособие. Спб, 1994 г.
3. А.Б. Фадеев «Инженерная геология и гидрогеология». Уч. пособие. СПб СПбГАСУ, 2004 г.

4. Н.И. Зеленкова, В.А. Челнокова «Оценка гидрогеологических условий площадки строительства». Задания и методические указания для выполнения курсовой работы по курсу «Инженерная геология» для студентов специальности ПГС (всех форм обучения). СПб СПбГАСУ, 2003 г.