Основные гидрогеологические понятия

Классификационные показатели скальных грунтов

Классификационные показатели обломочных грунтов

Классификационные показатели глинистых грунтов

Прочностные свойства

Деформационные свойства

Деформационные свойства – характеризуют поведение грунта под нагрузками, не превышающими критические.

Деформационные свойства дисперсных грунтов определяются их сжимаемостью под нагрузкой, в результате смешения минеральных частиц относительно друг друга и зависит от пористости породы.

Сжимаемость – способность грунтов деформироваться под влиянием внешней нагрузки, не подвергаясь разрушению, определяется модулем общей деформации Е, МПа зависит:

– от гранулометрического состава,

– минералогического состава,

– структуры и текстуры пород.

Прочность грунтов – характерное поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критические и определяются только при разрушении грунта.

Для дисперсных грунтов прочность характеризуется сопротивлением грунтов сдвигу, τ, МПа.

Τ=Рtgφ+С, (7)

где, τ – предельное сдвигающее напряжение, Мпа; Р – нормальное давление, МПа, tgφ – коэффициент внутреннего трения; φ – угол внутреннего трения, град., С – сцепление, МПа.

Величины φ и С – параметры зависимости сопротивления грунта сдвигу, и применяются для расчета прочности и устойчивости массива грунтов.

Для скальных грунтов прочность характеризует предел прочности на одноосное сжатие R_с (МПа).

По содержанию глинистых частиц (<0,005 мм) все дисперсные грунты можно разделить:

Глины – >30 %;

Суглинки – 10–30 %;

Супесь – 10–2 %;

Песок – <2 %.

Таблица 7

По показателю текучести I_L глинистые грунты подразделяются

Таблица 8

По числу пластичности I_P глинистые грунты подразделяются

Примечание: Илы подразделяются по значениям числа пластичности, указанным в таблице, на супесчаные, суглинистые и глинистые.

Набухание – способность глинистых пород при насыщении водой увеличивать свой объем. Возрастание объема породы сопровождается развитием в ней давления набухания (глины и тяжелые суглинки).

Набухание зависит:

– от содержания глинистых и пылеватых частиц, их минералогического состава,

– от химического состава воды, взаимодействующей с породой. Бентонитовая глина V увеличивается на 80 %, каолиновая – 25 %.

Таблица 9

По относительной деформации набухания без нагрузки ε_sw глинистые грунты подразделяются

Просадочность – свойство лессовых грунтов уменьшать свой объем без изменения давления и давать просадку при замачивании.

Лессы – пылеватые суглинки, супеси (фракции 0,05-0,005 мм >50 %), в сухом состоянии держат вертикальные откосы, быстро размокают в воде, пористость > 40%, высокое содержание карбонатов, засоление легко растворимыми солями.

По относительной деформации просадочности ε_sl глинистые грунты разделяются: просадочные ε_sl ≥ 0,01 и непросадочные ε_sl <0,01.

Таблица 10

По относительной деформации пученияε_fh грунты подразделяются

Усадка грунта – уменьшение объема породы под влиянием высыхания, зависящее от его естественной влажности.

Размокание – способность глинистых грунтов в соприкосновении со стоячей водой (замачивании) терять связность и разрушаться, превращаясь в рыхлую массу, с частичной или полной потерей несущей способности.

Коррозионные свойства глин – разрушение строительных материалов и подземных металлических трубопроводов, расположенных в глинистых грунтах, возникает в результате электролиза, который начинается в грунтах после воздействия блуждающих электрических токов (трамваи в городах).

Ил – водонасыщенный современный или древний осадок дна водоемов в виде песчано-пылевато- глинистых масс, богатых органикой. Илы практически не держат нагрузки, выдавливаются, при динамическом воздействии разжижаются.

Замена на другой грунт, прорезка слоя ила сваями и опора на прочный грунт, наброска камня, намыв слоя песка.

Заторфованные грунты –песчано-пылевато-глинистые водонасыщенные грунты с органикой в виде разложившихся растительных остатков. Степень разложения: R_р от 0–15 % , R_р от 16–30 % , R_р от 31–50 %, R_р от>50 %.

Торф – высокая влажность, сильная сжимаемость, дает неравномерные осадки. Прорезка сваями, выторфовка, уплотнение с помощью дренажных скважин.

Гранулометрический состав – количественное соотношение частиц различной крупности в дисперсных грунтах. Определяется по ГОСТ 12536.

Степень неоднородности гранулометрического состава C_u – показатель неоднородности гранулометрического состава. Определяется по формуле:

C_u=d₆₀/d₁₀, (8)

где d₆₀, d₁₀ – диаметры частиц, мм, меньше которых в грунте содержится соответственно 60 и 10 % (по массе) частиц.

Таблица 11

Классификация обломочных грунтов по гранулометрическому составу

Примечания. Для установления наименования грунта последовательно суммируются проценты содержания частиц: сначала – крупнее 200 мм, затем крупнее 10 мм и т.д. При наличии в крупнообломочном грунте песчаного заполнителя более 40 % или глинистого более 30 % от общей массы воздушно-сухого грунта, добавляется наименование вида заполнителя и указывается характеристика его состояния. Например, дресва с заполнителем суглинком полутвердым.

По степени влажности крупнообломочные и песчаные грунты разделяются на: насыщенные водой S_r≥0,8; средней степени насыщения 0,8>S_r>0,5;малой степени насыщения S_r<0,5.

По степени неоднородности С_u крупнообломочные и песчаные грунты: однородные С_u < 3; неоднородные С_u>3.

По коэффициенту выветрелости крупнообломочных грунтов: невыветрелые 0 ≤К_ws<0,5; слабовыветрелые 0,5≤К_ws<0,7; сильновыветрелые 0,75≤К_ws≤1.

Таблица 12

Классификация песков по коэффициенту пористости (е)

Прочность – свойство грунтов сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами.

По пределу прочности на одноосное сжатие R_с, в водонасыщенном состоянии грунты подразделяются:

– очень прочные, R_с>120 МПа;

– прочные, 120>R_с>50 МПа;

– средней прочности, 50>R_с>15 МПа;

– малопрочные, 15>R_с>5 МПа;

– пониженной прочности, 5>R_с>3 МПа;

– низкой прочности, 3>R_с>1 МПа;

– очень низкой прочности, R_с<1.

Выветривание – совокупность процессов разрушения горных пород, изменения их химического и минерального состава в результате внешних воздействий. Степень разрушения породы в результате процессов выветривания определяется по коэффициенту выветрелости грунта, К_ws,д.е.

К_ws = ρ/ρ₀, (9)

где, ρ – плотность выветрелого, ρ₀ – плотность монолитного грунта.

По коэффициенту выветрелости скальные грунты подразделяются

невыветрелые (монолитные) К_ws =1,0

слабовыветрелые 1≥К_ws>0,9,

выветрелые 0,9≥К_ws>0,8,

сильновыветрелые (рухляки) К_ws<0,8.

Размягчаемость – уменьшение прочности скальных грунтов при водонасыщении. Численно характеризуется коэффициентом размягчаемости К_sof, д.е., отношение пределов прочности грунта на одноосное сжатие в водонасыщенном и в воздушно-сухом состоянии.

По коэффициенту размягчаемости грунты подразделяются:

– неразмягчаемые К_sof>0,75;

– размягчаемые К_sof<0,75.

III. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ

3.1. Классификация подземных вод

Гидрогеология – наука о происхождении, движении, развитии и распространении подземных вод в земной коре.

Задачи, решаемые гидрогеологией:

1) Вопросы питьевого и технического водоснабжения.

2) Защита от влияния подземных вод на производственные процессы (котлованы, шахты) и строительные конструкции.

Гидрогеология состоит из нескольких дисциплин: общая гидрогеология, динамика подземных вод, гидрогеохимия, методика гидрогеологических исследований, гидрогеология МПИ, региональная гидрогеология, палеогидрогеология.

Происходит т.н. круговорот воды в природе – большой и малый.

Q_{атм осадков}=Q_подз.+Q_{поверх.}+Q_{испарен.}, (10)

Вода в горных породах породах существует в двух основных видах – связанная и свободная.

Связанная водаподразделяется:

Кристаллизационная воданаходится в кристаллической решетке минералов (потеря молекул воды приводит к изменениям свойств: гипс минус 1 молекула = алебастр минус еще одна молекула воды = ангидрит).

Цеалитная вода занимает свободное пространство в кристаллической решетке (SiO₂ – кварц, а с nН₂О – опал).

Конституционная вода в виде иона ОН^-.

Свободная вода подразделяется:

1.Водяной пар – он занимает все поры, свободные от жидкой воды. Он образуется из всех других форм почвенной воды, путем испарения и вновь переходит в нее путем конденсации. Ее количествово не превышает 0,001 % от веса породы.

2. Гигроскопичная – это вода, поглощаемая коллоидными оболочками частиц грунта (породы), отделить можно только нагреванием.

3. Пленочнаявода – т.н. слабосвязанная вода, окружающая набухшую частицу грунта (породы) в виде оболочки (свойство влагоемкости – способность горных пород удерживать часть воды в капельножидком состоянии).

4. Капиллярная вода – защемленная или связанная с капиллярами между отдельными гранулами или частицами ГП.

5.Гравитационная – свободная вода, ясно из названия. Движется, в отличие от предыдущих, под влиянием гравитационных сил (силы тяжести).

6. Лед – в твердом состоянии (в условиях многолетней мерзлоты).

В зависимости от заполнения пор пород свободной гравитационной водой выделяют: зону насыщения и зону аэрации.

Первые три типа воды относятся к промежуточному слою между атмосферой и подземной гидросферой–зоне аэрации (от 0 до 30–40 м, иногда 100–200 м) и регулируют водообмен атмосферных вод и вод зоны насыщения.

Между этими зонами – капиллярная подзона (окаймляет зону насыщения).

Отметим, что в случае, когда мы рассматриваем воду как полезное ископаемое – главное это свободная (гравитационная) вода. Все остальные несущественны и играют основную роль при характеристике физико-механических свойств грунтов.

1.Водопроницаемые породы – горные породы, пропускающие через себя воду, могут составлять и зону аэрации, и зону насыщения.

2. Водоупорные породы – это микропористые горные породы, задерживающие фильтрацию воды, не пропускающие ее (глины).

3. Водоносные породы – это горные породы , дающие возможность движения воды в порах и пустотах (инфильтрация).

4. Водоносный горизонт - водоносные породы, насыщенные водой и образующие по площади и мощности выдержанный пласт.

5. Уровень грунтовых вод – это граница между зоной аэрации и зоной насыщения (граница появления подземных вод в земной коре).