Геолого-литологические колонки опорных скважин. Физико-механические свойства грунтов первого водоносного слоя и водоупора. Геологическое строение площадки и выделение инженерно-геологических элементов. Основной расчет притока воды к котловану и траншее.
Аннотация к работе
Для целей проектирования и строительства понятие «гидрогеологические условия» можно определить как совокупность следующих характеристик водоносных горизонтов (слоев): 1) их количество в изученном разрезе, 2) глубина залегания, 3) мощность и выдержанность, 4) тип по условиям залегания, 5) наличие избыточного напора, 6) химический состав, 7) гидравлическая связь с поверхностными водами и другие показатели режима. Супесью пылеватой, пластичной с растительными остатками (ИГЭ-1b) мощностью 2,2 м (скв.№31), числом пластичности Ip = 0,06 и показателем пористости е =1,50. lg III - верхнечетвертичные отложения озерно-ледникового происхождения представлены мягкопластичными ленточными суглинками (ИГЭ-2а) мощностью от 2,7 м (скв.№31) до 4,4 м (скв.№35) с числом пластичности Ip =0,16, модулем деформации Е =6-12 МПА, пористостью n =0,55, коэффициентом пористости e=0,90, плотностью ? =1,92 т/м3, суглинком слоистым (ИГЭ-2b) мощностью 4 м в (скв.№35) с числом пластичности Ip =0,16 и супесью слоистой пластичною (ИГЭ-2с) мощностью 2,2 м в (скв. №31) с числом пластичности Ip =0,03, модулем деформации Е =8-21 МПА, пористостью n =0,38, коэффициентом пористости e=0,60, плотностью ? =2,05 т/м3 GIII - верхнечетвертичные отложения ледникового происхождения представлены песком гравелистым плотным водонасыщенным (ИГЭ-3а) с коэффициентом пористости e <0,55 д.ед мощностью от 2,0 м (скв.№33) до 1,8 м (скв.№35), суглинком с гравием, полутвердым и твердым (ИГЭ-3b) с числом пластичности Ip =0,14 и показателем текучести, пористостью n=0,31 коэффициентом пористости е=0,45, модулем деформации Е=20-30 МПА, плотностью ? =2,15 т/м3, мощность от 4,1 м в (скв. Примем коэффициент фильтрации по таблице 8.2 методических указаний k=0,1 м/сут. и пористость водовмещающих пород n = 0,60 д.ед. по таблице 3 методических указаний (супесь пылеватая, с растительными остатками) кажущаяся скорость грунтового потока м/сут действительная скорость грунтового потока м/сут Примем коэффициент фильтрации по таблице 8.2 методических указаний k=1 м/сут. и пористость водовмещающих пород n = 0,35 д.ед.
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 (инженерно-геологические изыскания входят в состав «Инженерных изысканий для строительства» 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): 1) их количество в изученном разрезе, 2) глубина залегания, 3) мощность и выдержанность, 4) тип по условиям залегания, 5) наличие избыточного напора, 6) химический состав, 7) 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 (утечки из водонесущих сетей, «барражный» эффект фундаментов глубокого заложения, крупных подземных сооружений и т. п.);
изменение химического состава и температуры подземных вод (утечки из сетей, антиналедные мероприятия и др.).
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 деформативных показателей.
Практически все перечисленные изменения свойств грунтов, вызванные нарушением гидрогеологических условий, могут приводить к дополнительным осадкам грунтовой толщи и деформациям сооружений.
Геологический индекс Отметка подошвы слоя Глубина залегания слоя, м Мощность слоя Разрез Описание пород Отметка уровня подземных вод от до Появив. Устан. tg IV 15,7 0 0,8 0,8 Насыпной слой - песок со строительным мусором 14,6 14,8 ml IV 13,5 0,8 3,0 2,2 Супесь пылеватая, пластинчатая, с растительными остатками lg III 10,8 3,0 5,7 2,7 Суглинок ленточный, мягкопластичный lg III 8,6 5,7 7,9 2,2 Супесь слоистая, пластичная g III 4,5 7,9 12 4,1 Суглинок с гравием, полутвердый
Сведения о гранулометрическом составе грунтов первого водоносного слоя
По данным гранулометрического анализа - это песок пылеватый
1.3 Результаты химического анализа грунтовых вод
Таблица 5
Номер скважины Ca Mg K Na SO4 Cl HCO3 CO2св PH мг/л
33 116 35 35 272 36 214 18 6,8
1.4 Сведения о физико-механических свойствах грунтов первого водоносного слоя и первого водоупора
Таблица 6
Грунт Индекс слоя Плотность Число пластичности Ір д. ед. n Показатели пористости, д. ед Модуль деформации Е, МПА Содержание ОВ*,% Степень разложения торфа D, % ?s ? n e
Песок средней крупности (m-l) IV 2,65 1,65 - 0,40 0,66 25-35 -
ОВ - содержание органического вещества в породе, %
2. Аналитический блок
2.1 Определение пропущенного слоя, его характеристика и классификация
На основе результатов гранулометрического анализа таблица в пункте 1.3 курсового проекта получили, что грунт первого слоя по ГОСТ 25100-95 -это песок пылеватый. Для определения точного названия этого слоя и некоторых его характеристик построим суммарную кривую гранулометрического состава. Для этого составим вспомогательную таблицу «полных остатков» Для этого последовательно суммируем содержание фракций в процентах, начиная с наиболее мелкой.
Рис.2. Кумулятивная кривая гранулометрического состава
Построив график из точек на оси ординат, соответствующей 10 и 60 % провеем линии параллельно оси абсцисс до пересечения с кривой, из точек пересечения опустим перпендикуляры на ось абсцисс, полученные на ней точки покажут значения действующего d10 и контролирующего диаметров d60
Действующий диаметр d10=0,008 мм
Контролирующий диаметр d60=0,3 мм
Результаты гранулометрического анализа позволяют определить степень неоднородности грунта и некоторые его водные свойства - суффозионную устойчивость, коэффициент фильтрации, высоту капиллярного поднятия.
Определение степени неоднородности
- так как Cu>3 песок неоднородный, Cu>10 суффозионно-неустойчивый
Среднее значение высоты капиллярного поднятия, коэффициента фильтрации и радиуса влияния возьмем из таблицы 8.2, приложения 8 методических указаний к курсовой работе средних значений, поскольку условия для использования эмпирических формул Cu0,1 не выполнены.
Коэффициент фильтрации k = 1-3 м/сут
Радиус влияния R = 20-40 м
Высота капиллярного поднятия hk =0,4-1,5 м
Определим ориентировочное значение высоты капиллярного поднятия hk (см) произведем по эмпирической формуле где,
С = 0,1 эмпирический коэффициент принимаем в зависимости от крупности частиц е = 0,53 принят по таблице 3 методических указаний к курсовой работе
Территория рассматриваемого участка представляет собой фрагмент полого-волнистой равнины спускающейся с СВ на ЮЗ к растущему пруду в приделах абсолютных отметок от 16,4 до 18,9 м ?H=2,5 м.
2.3 Геологическое строение площадки и выделение инженерно-геологических элементов (ИГЭ)
В геологическом строении участка, в приделах глубины бурения 12 метров принимают участие современные морские, озерные отложения (ml IV) верхнечетвертичные озерно-ледниковые отложения (lg III) и ледниковые отложения (g III) в основании. m IV - современные морские, озерные отложения представлены: песками пылеватыми, рыхлыми с глубины 1,4 м воднасыщенными (ИГЭ-1а) мощностью от 3,5 м (скв.№33) до 4,7 м (скв.№ 35) с показателем пористости е =0,60 д.ед. Супесью пылеватой, пластичной с растительными остатками (ИГЭ-1b) мощностью 2,2 м (скв.№31), числом пластичности Ip = 0,06 и показателем пористости е =1,50. lg III - верхнечетвертичные отложения озерно-ледникового происхождения представлены мягкопластичными ленточными суглинками (ИГЭ-2а) мощностью от 2,7 м (скв.№31) до 4,4 м (скв.№35) с числом пластичности Ip =0,16, модулем деформации Е =6-12 МПА, пористостью n =0,55, коэффициентом пористости e=0,90, плотностью ? =1,92 т/м3, суглинком слоистым (ИГЭ-2b) мощностью 4 м в (скв.№35) с числом пластичности Ip =0,16 и супесью слоистой пластичною (ИГЭ-2с) мощностью 2,2 м в (скв. №31) с числом пластичности Ip =0,03, модулем деформации Е =8-21 МПА, пористостью n =0,38, коэффициентом пористости e=0,60, плотностью ? =2,05 т/м3 GIII - верхнечетвертичные отложения ледникового происхождения представлены песком гравелистым плотным водонасыщенным (ИГЭ-3а) с коэффициентом пористости e < 0,55 д.ед мощностью от 2,0 м (скв.№33) до 1,8 м (скв.№35), суглинком с гравием, полутвердым и твердым (ИГЭ-3b) с числом пластичности Ip =0,14 и показателем текучести, пористостью n=0,31 коэффициентом пористости е=0,45, модулем деформации Е=20-30 МПА, плотностью ? =2,15 т/м3, мощность от 4,1 м в (скв. №31) до 2,10 м в (скв. №33). И супесью с гравием пластичной (ИГЭ-3с) с числом пластичности Ip =0,01-0,07 и мощностью 1,5 м и вскрытой только в (скв. №35).
2.4 Гидрогеологическое строение площадки
В пределах площадки буровыми скважинами вскрыты два водоносных горизонта.
1) Первый безнапорный водоносный горизонт - верховодка, вскрыт во всех скважинах и залегает на глубинах от 1,9 метра до 2,8 метров (от дневной поверхности) - приурочен к комплексу обводненных пород m-IV водовмещающими являются песок пылеватый, рыхлый, с глубины 1,4м водонасыщенный и супесь пылеватая, пластичная, водоупором служит суглинок пород (lg III), мощность горизонта колеблется от 1,1 до 1,8 метров, водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации от 1 до 3 м/сут.
2) Второй водоносный горизонт - горизонт напорных межпластовых (артезианских) вод вскрыт в скважине №33
Водовмещающей породой является песок гравелистый, плотный, водонасыщенный GIII верхний водоупор - суглинок ленточный мягкопластичный нижний водоупор - суглинок с гравием, твердый GIII величина избыточного напора над кровлей H=1,6 м
По карте гидроизогипс (рис.3) направление потока с северо-востока на юго-запад в северо-восточной части преобладает радиально-расходящийся поток, при движении на юго-запад характер потока меняется на радиально-сходящийся.
Величина гидравлического градиента: Скважины №№ 31-33 величина гидравлического градиента
, где ?Н = 16,0-14,6=2,6 м- перепад отметок в соседних точках l = 10 м - расстояние между этими точками
Примем коэффициент фильтрации по таблице 8.2 методических указаний k=0,1 м/сут. и пористость водовмещающих пород n = 0,60 д.ед. по таблице 3 методических указаний (супесь пылеватая, с растительными остатками) кажущаяся скорость грунтового потока м/сут действительная скорость грунтового потока м/сут
Скважины №№ 33-35 величина гидравлического градиента
, где ?Н = 17,4-16,0 = 1,4 м - перепад отметок с в соседних точках l = 9,6 м - расстояние между этими точками
Примем коэффициент фильтрации по таблице 8.2 методических указаний k=1 м/сут. и пористость водовмещающих пород n = 0,35 д.ед. по таблице 3 методических указаний (песок пылеватый) кажущаяся скорость грунтового потока м/сут действительная скорость грунтового потока м/сут где n - пористость водовмещающих пород
2.5 Химический состав подземных вод и оценка агрессивности воды по отношению к бетонуунтовый вода гранулометрический
Выражение результатов анализа в различных формах
Таблица 8
Ионы Содержание, мг/л Эквивалентное содержание Эквивалентная масса мг-экв (%-экв)
Катионы Na2 35 1,52 14,93 23,00
Mg2 35 2,88 28,29 12,16
Ca2 116 5,78 56,78 20,04
Сумма катионов 186 10,18 100% -
Анионы Cl- 36 1,02 10,02 35,46
272 5,66 55,60 48,03
214 3,50 34,78 61,01
Сумма анионов 522 10,18 100%
Общая сумма 708 20,36
Химическая формула воды
Оценка качества воды по отношению к бетону: =214 мг/л >85 мг/л неагрессивна по бикарбонатной щелочности
PH=6,8>6,5 - вода неагрессивна по водородному показателю
Mg=35 мг/л?1000 мг/л - вода неагрессивна по содержанию магнезиальных солей
Na=35 мг/л ? 50 (для напорных сооружений) мг/л - вода неагрессивна по содержанию едких щелочей
= 272 мг/л <250 мг/л - вода агрессивна по содержанию сульфатов
Вывод: Вода пресная, PH=6,8 - вода кислая сульфатно-кальциевая (или сульфатно-бикарбонатно-хлоридно-кальциево-натриево-магниевая), агрессивная по сульфатному показателю.
3. Гидрогеологические расчеты притоков воды при водопонижении
Строительное водопонижение применяется для снижения уровня грунтовых вод и величины избыточного напора межпластовых.
Применяем принудительный способ водопонижения - откачка воды из котлована, траншеи.
3.1 Расчет притока воды к котловану
Исходные данные: -Скважина №33
-Глубина котлована HK=4 м.
-Длина котлована l= 30 м.
-Ширина котлована b= 30 м.
-Тип выемки - совершенный (т.к дно котлована доходит до водоупора).
- Характер потока вокруг выемки - радиальный, так как - 30/30=1<10
- Глубина залегания грунтовых вод hd = 1,7 м (17,7-16,0 =1,7м)
Рис. 4. Схема притока воды к совершенному котловану для случая принудительного водопонижения
- Коэфф. фильтрации грунта водоносного слоя находится в диапазоне k=1-3 м3/сут. с учетом определенного hk принимаем коэффициент фильтрации равным k = 1 м3/сут.
- hk= 0,2358 м, высота капиллярного поднятия согласно разделу 2.1. данного. скважина водоносный котлован траншея курсового проекта
- Мощность водоносного горизонта H1=2,2 м. (Величина водопонижения S= H1- H2= 2,2 м).
- R- радиус влияния, находится в диапазоне RТАБЛ. =20-40 м согласно таблице 8.2;
- RТАБЛ=30 м
- Приведенный радиус котлована:
- Радиус влияния котлована
Rk=R r0=30 17 = 47 м
- Расстояние от дна котлована до водоупора h0=0, т.к. принудительное водопонижение;
- Для расчета величины притока воды воспользуемся формулой Дюпюи для совершенного типа выемки котлован: .
3.2 Расчет притока воды к траншее
Исходные данные
Скважина №35
-Глубина траншеи HTP=3 м.
-Длина траншеи = 150 м.
-Ширина траншеи b= 1 м.
-Тип выемки - несовершенный
- Характер потока вокруг выемки - плоский, так как - 150/1=150>10
- Глубина залегания грунтовых вод hd = 1,5 м (18,9-17,4 =1,5 м)
Рис. 5. Схема притока воды к несовершенной траншее для случая принудительного водопонижения
Исходные данные: Скважина № 35
Глубина траншеи htp = 3 м (задано условием)
Длина траншеи = 1*150 м (задано условием)
Тип выемки - не совершенный (дно траншеи не доходит до водоупора)
Характер потока вокруг выемки - плоский
Глубина залегания грунтовых вод d = 1,5 м
Водопонижение S = 1 (задано условием) hwk - высота столба воды в траншее до водопонижения, м hwk = 1,5 м
HA1 - мощность водоносного горизонта до водопонижения, м
HA1 = 1,7· hwk = 1,7 · 1,5 = 2,55 м
HA2 - мощность водоносного горизонта после водопонижения, м
HA2 = HA1 - S = 2,55- 1 = 1,55 м
Коэффициент фильтрации k = 1 м/сут
R - радиус влияния водопонижения, м
Rтабл = 30 м r0 - приведенный радиус «большого колодца», м
Водопонизительные работы изменяют скорость движения и направление потока грунтовых вод. Открытый водослив из котлованов и траншей может сопровождаться выносом частиц грунта из стенок за счет нисходящего потока - механическая суффозия.
4.1 Прогноз суффозионного выноса
Наиболее полно возможность суффозионного выноса устанавливают по графику для оценки развития суффозии (по В.С. Истоминой)
Рис. 6. I - область разрушающих градиентов фильтрационного потока;
II - область безопасных градиентов
Координаты наносимее на график определяют: Cu по данным кривой гранулометрического состава Cu =37,5;
i по формуле где S = H - разность напоров (отметок) водоносного слоя Sкотл =2,2;
R - радиус влияния примем по таблице 8.2 равным R =30
0,33 - коэффициент, ограничивающий значимый путь фильтрации областью, прилегающей к котловану.
Заключение: точка попала в область безопасных градиентов - суффозионного выноса не будет.
Последствиями суффозионного выноса могут быть обрушение стенок котлована, проседание поверхности земли над трубопроводом и вблизи колодцев - за счет выноса тонких фракций грунта и его разуплотнения; изменение свойств песков, используемых для обратной засыпки траншей, пазух колодцев и дренажной сети - за счет вымывания тонких фракций (заиления), что может привести к изменению степени пучинистости грунта, выходу из строя дренажной системы и т.д.
4.2 Фильтрационный выпор
Фильтрационный выпор в дне выемки
При водопонижении величина градиента i = 0,2 ? 1, котлован совершенный, значит, фильтрационного выпора не будет.
4.3 Прогноз оседания земной поверхности 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.
Предварительный расчет осадки территории можно произвести по формуле:
где : = 18 КН/м3 - удельный вес грунта, (r?10), где r - плотность грунта определена по таблице 3 методических указаний к курсовой работе для песка пылеватого (скв. №33) r = 1,80 т/м3
- удельный вес грунта ниже уровня грунтовых вод;
= 10 КН/м3 - удельный вес воды;
=26,5 КН/м3 - удельный вес твердых частиц грунта (rs?10), где rs - плотность минеральной части грунта определена по таблице 3 методических указаний к курсовой работе для песка пылеватого (скв. №33) rs = 2,65 т/м3;
n=0,35 д.ед. - пористость определена по таблице 3 методических указаний к курсовой работе для песка пылеватого (скв. №33);
Sw =2,2 м - величина водопонижения;
E - модуль общей деформации грунта в зоне депрессионной воронки, находится в приделах 9-12 МПА по таблице 3 методических указаний к курсовой работе для песка пылеватого (скв. №33) принимаем значение равным Е = 10 МПА = 10000 КПА (КН/м2).
= 0,086 см
Схема оседания поверхности при водопонижении
4.4 Прогноз 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: ризб < ргр - дно выработки устойчиво;
ризб = ргр - подъем дна котлована за счет разуплотнения грунта в его основании;
ризб>ргр - прорыв напорных вод в котлован, где Р изб = gw ?Hw и Ргр. = g?hгр. где hгр - разность высот между подошвой водоупрора и дном котлована
Hw - разность высот между установившейся уровнем воды и подошвой водоупрора воды,. hгр = 13,7-9,8 = 3,9 м
Hw = 16,0-9,8 = 6,2 м
Р изб = gw ?Hw = 10?6,2 = 62 КН/м2,
где = 10 КН/м3 - удельный вес воды;
Р гр. = g?hгр =19,2?3,9 = 74,88 КН/м2
= 19,2 КН/м3 - удельный вес грунта, (r?10), где r - плотность грунта определена по таблице 3 методических указаний к курсовой работе как для суглинка ленточного, мягкопластичного (скв. №33) r = 1,92 т/м3
Заключение: ризб < ргр - 62< 74,88 , следовательно дно выработки устойчиво, подъема дна котлована и прорыва напорных вод не будет.
Вывод
В ходе работы были решены следующие задачи: в скважине №33 были определены пропущенные слои и их характеристики;
охарактеризован рельеф и геологическое строение площадки, построен инженерно-геологический разрез;
охарактеризовано гидрогеологическое строение площадки, построена карта гидроизогипс, по которой определены вид грунтового потока, гидравлический градиент, кажущаяся скорость грунтового потока, действительная скорость грунтового потока;
дана оценка химического состава воды, ее агрессивности по отношению к бетону, вода агрессивна по содержанию сульфатов;
произведены гидрогеологические расчеты водопритока в совершенный котлован и несовершенную траншею в условиях принудительного водопонижения;
произведен прогноз процессов в грунтовой толще, связанных с понижением уровня грунтовых вод;
произведен прогноз воздействия грунтовых вод на дно котлована: дно выработки устойчиво, подъема дна котлована и прорыва напорных вод не будет.
По СП 11 - 105 - 97 сделаем вывод о категории сложности инженерно-геологических условий строительной площадки.
По геоморфологическим условиям: участок находится в пределах одного геоморфологического элемента - категория сложности I (простая)
По геологическим факторам в сфере взаимодействия зданий и сооружений с геологической средой: более трех различных по литологии слоев с изменяющейся мощностью - категория сложности III (сложная)
По гидрогеологическим факторам в сфере взаимодействия зданий и сооружений с геологической средой: площадка имеет 2 выдержанных горизонта подземных вод, местами с неоднородным химическим составом и обладающих напором - категории сложности II (средней сложности)
Геологические и инженерно-геологические процессы и специфические грунты в сфере взаимодействия зданий и сооружений с геологической средой имеют ограниченное распространение и не оказывают существенного влияния на выбор проектных решений, строительство и эксплуатацию объекта - категория сложности II (средней сложности)
Техногенные воздействия и изменения освоенных территорий не оказывают существенного влияния на выбор проектных решений и проведение инженерно-неологических изысканий - категория сложности II (средней сложности). Таким образом, принимая во внимание все факторы, оказывающие влияние на категорию сложности инженерно-геологических условий строительной площадки, данный участок можно отнести к III категории сложности (сложная).
Список литературы
1. Оценка гидрогеологических условий площадки строительства: задания и методические указания /СПБГАСУ; Сост.: Н.И.Зеленкова, В.А. Челнокова. СПБ., 2003.
2. Инженерная геология: Учеб. для строит. спец. вузов/ В.П. Ананьев, А.Д. Потапов. - 4-е изд., стер.- М.: Высш. Шк., 2006.