Вода в грунте и ее влияние на строительные процессы

Наличие грунтовых вод в зоне строительных работ (рытье котлованов, возведение фундаментов, проходка тоннелей и шахт, траншей и других земляных выработок) в значительной степени затрудняет производство работ без специальных мероприятий по их снижению или осушению. Нередко ведение работ без водопонизительных мероприятий приводит к тяжелым последствиям. Так, разработка земляных выработок без водопонизительных мероприятий влечет за собой к снижению прочностных и деформационных характеристик грунтов основания будущего сооружения, оплыванию откосов котлованов, выпиранию грунтов на забоях шахт и тоннелей, обрушению откосов траншей и котлованов.

Прежде чем управлять грунтовыми водами для защиты зоны строительства от их воздействия необходимо сформулировать основные представления о воде в грунтовой среде, где выделяются:

Гигроскопическая вода — образуется в результате поглощения паров частицами грунта и удерживается ими с большой силой. Плотность воды достигает в среднем 2. Такая вода не передает гидростатическое давление.

Пленочная вода — образуется вследствие конденсации паров, образуя слой вркруг гигроскопической воды. Такая вода передвигается от более толстых слоев в сторону тонких и так же не передает гидростатическое давление.

Гигроскопическая и пленочная воды могут быть удалены из грунта только путем высушивания при температуре 105- 110°С.

Капиллярная вода — образуется в пористой среде силами поверхностного натяжения. Зона капиллярного насыщения в грунте, как правило, располагается над пьезометрической поверхностью грунтовых вод, где давление равно атмосферному. В связи с тем, что пористая среда грунта представляет сложную систему с капиллярными проходами различных диаметров, то капиллярная зона насыщения грунта по степени насыщения по высоте меняется.

В непосредственной близости от пьезометрической поверхности имеет место полное насыщение, в то время как у верхней границы степень насыщения этой зоны приближается к нулю.

Капиллярная вода передает давление, передвигается под влиянием разности напоров, поверхностного натяжения и силы тяжести; поэтому она участвует в фильтрационном движении вместе с гравитационной зоной насыщения.

Капиллярная зона насыщения в грунте может иметь место как при наличии гравитационной воды, так и при ее отсутствии. Исходя из условия образования, капиллярная вода может превратиться в подвешенную (когда она не имеет контакта с уровнем грунтовых вод). Чем меньше размеры непрерывных пор в грунте, тем больше высота капиллярного поднятия.

Полная высота капиллярной зоны насыщения, когда она снизу контактирует с грунтовыми водами, ориентировочно имеет следующие значения, см: 

• в крупнозернистых песках, не содержащих мелкой фракции, — 2–5
• в среднезернистых песках — 10–30
• в мелкозернистых песках — 30–60
• в супесях — 60–120
• в суглинках — 120–300
• в глинах — более 300

Однако следует отметить, что высота капиллярного поднятия в основном зависит от мелкого заполнителя. Если поры даже крупнозернистого песка или гравия полностью заполнены более мелким, например глинистым грунтом, то высота капиллярного поднятия определяется именно этим грунтом.

От уровня грунтовых вод и до верхней границы капиллярной зоны в капиллярной воде имеет место давление меньше атмосферного — вакуум.

Распределение давлений в воде капиллярной зоны насыщения грунта носит гидростатический характер, с той лишь разницей, что в эпюре давление меньше атмосферного: у верхней кромки — максимальное отрицательное давление, равное высоте капиллярного поднятия в данном грунте, а на нижней границе, т. е. на уровне грунтовых вод, давление равно атмосферному. Ниже этой границы линия эпюры пересекает вертикальную ось ординат и эпюра давлений с положительными значениями увеличивается сверху вниз.

По мере снижения уровня грунтовых вод капиллярная зона также перемещается вниз и несколько вытягивается в связи с тем, что в ней имеется большее количество тонких пор, которые не заполняются капиллярной водой при обратном процессе (т. е. при подъеме уровня грунтовых вод) из-за наличия в грунте больших пор, прерывающих сплошность тонких капилляров (явление капиллярного гистерезиса).

Капиллярная зона в слабопроницаемых грунтах почти полностью насыщена водой. В этой зоне остаются незаполненными поры тех размеров, которые не соответствуют капиллярному поднятию на высоте нахождения этих пор.

Физическую закономерность степени насыщения капиллярной зоны грунта по вертикали можно объяснить только диаметром пор. Высота полного насыщения (при подаче воды в пористой среде снизу вверх) определяется порами грунта максимальных размеров. Выше них эти крупные поры при капиллярном поднятии снизу вверх не могут быть заполнены водой. Далее «эстафету» продолжают поры грунта, имеющие меньшие размеры, и также прекращают свое действие всасывания на высоте, соответствующей капиллярному поднятию данных размеров пор. На последнем этапе участвуют наиболее мелкие поры грунта, которые и определяют полную высоту капиллярного поднятия, т. е. высоту зоны капиллярного насыщения грунта.

Однако этот процесс нельзя отождествлять с закономерностью распределения частиц в грунте, так как речь идет о замкнутых крупных порах, в которых при капиллярном подъеме остается защемленный воздух.

При обратном процессе это явление не происходит, поэтому высота капиллярной зоны несколько увеличивается, а крупные поры остаются заполненными водой по всей высоте капиллярной зоны. Этим объясняется опасность ведения строительных работ после снижения уровня грунтовых вод, когда у дна котлована остается толща грунта с зоной капиллярного насыщения. В этом случае при работе механизмов, особенно при их динамическом воздействии, грунт легко разжижается, мешает производству строительных работ, несмотря на достаточно низкое расположение пьезометрической поверхности грунтовых вод.

Нередки случаи, когда капиллярная зона насыщения грунтовых вод из-за работы строительных механизмов превращалась в гравитационную зону, что приводило к тяжелым последствиям (растекание намывной плотины Киевской ГЭС в 1967 г., оползни на Мармарикской земляной плотине Армении в 1973 г. и др.).

Особую опасность капиллярно-насыщенный грунт представляет при землетрясениях. В этом случае огромные участки перенасыщенных грунтов мгновенно превращаются в жидкую грунтовую массу. Ярким примером такого эффекта явились оползневые процессы при землетрясении в Армении (7 декабря 1988 г.) и Таджикистане (23 января 1989 г.).

Так, в Армении активизировались оползневые участки в гг. Дилижане, Гукасяне и внезапно разжижился и растекся насыпной участок железной дороги под станцией Налбанд Спитакского района. Здесь, в течение нескольких десятков секунд земляной массив насыпи протяженностью более 100 м и высотой порядка 5 м сплюснулся и перекрыл находящуюся рядом автомобильную дорогу. Деформации от землетрясения оползневого тела в г. Дилижане привели к аварийному состоянию ряда пятиэтажных зданий. В Таждикистане в Гиссарской долине в кишлаке Шарора землетрясением было образовано гигантское оползневое тело из разжиженной массы, которая на своем пути разрушила сотни жилых домов, унося тысячу человеческих жизней.

Таким образом, с целью предотвращения катастрофических неожиданностей, связанных с разжижением грунтовых масс, следует вести постоянный контроль за влажностью не только земляных платин, насыпей и других искусственных земляных сооружений, но и действующих и потенциально оползневых участков особенно в районах с высокой сейсмичностью.

Физическую сущность этого явления объясняют тем, что при незначительном сокращении пористости грунта в капиллярной зоне насыщения при динамических воздействиях вода в порах грунта из капиллярной превращается в гравитационную. Имеющее место отрицательное давление переходит в положительное гидростатическое с соответствующим напором. При нахождении этой зоны выше окружающей дневной поверхности, она превращается в жидкую грунтовую массу с определенным гидродинамическим давлением, сплющивается и растекается по окружающей территории. В связи с этим одним из существенных недостатков обычного водопонижения при близком расположении водоупорных слоев от дна котлована является невозможность откачки воды из капиллярной зоны, в связи с чем эта зона ведения строительных работ над водоупором остается неосушенной.

Немало ущерба приносит капиллярная зона насыщения и после завершения строительства, когда после восстановления статического уровня грунтовых вод нижние части зданий и сооружений оказываются в зоне действия капиллярных вод.

Все это говорит о большом значении учета капиллярной зоны насыщения грунтов как в процессе строительства, так и при эксплуатации зданий и сооружений.

Свободная гравитационная вода образуется и передвигается в порах песка под влиянием силы тяжести или разности пьезометрического напора. В зависимости от гидрогеологических условий, водопроницаемости слоев и условий образования грунтовые воды в природе встречаются вертикальные, наклонные и горизонтальные в напорных и безнапорных горизонтах. Водоносными являются слои грунтов, в порах которых вода сравнительно легко перемещается. К ним относятся гравелистые, песчаные и супесчаные грунты.

К относительно водоупорным слоям относятся глины и плотные суглинки, поры которых настолько малы и гидравлическое сопротивление в них настолько велико, что они считаются практически непроницаемыми.

При необходимости управления грунтовыми водами для той или иной цели следует установить физические параметры воды, заключенной в порах осушаемой зоны, а также выявить, в каких водоносных линзах, слоях или горизонтах она располагается, каковы ее гидродинамические характеристики.

По условиям залегания подземные воды подразделяют на верховодку, грунтовые, межпластовые, а также трещинные и карстовые.

Верховодкой называют локальное скопление подземных вод в определенной зоне грунта, которая гидравлически не сообщается с водоносными горизонтами и ее наличие в основном носит временный характер. Причиной появления линз или прослоек верховодки являются подстилающие блюдообразные слои слабопроницаемых или практически водоупорных грунтов, над которыми в хорошо проницаемых слоях накапливаются инфильтрационные воды. Неправильное определение параметров верховодки или ошибочное отнесение грунтовых вод к верховодке часто в процессе строительства и эксплуатации сооружений приводит к тяжелым последствиям.

При инженерно-геологических изысканиях нередко не определяются параметры подземных вод, характер их залегания, область питания и направление движения, поэтому верховодкой нередко называют воды, скапливающиеся в геологоразведочных скважинах, проходимых в слабопроницаемых грунтах.

Грунтовыми водами принято называть верхний водоносный горизонт, имеющий сверху свободную поверхность, не перекрытую водоупорными слоями. Водоносный горизонт грунтовых вод располагается над водоупором. Грунтовые воды имеют постоянную область питания за счет инфильтрации атмосферных осадков, конденсации водяных паров, а также утечек из поверхностных природных и искусственных водоемов.

Нередко грунтовые воды образуются в результате подпитки из нижерасположенных напорных горизонтов, либо путем восходящей фильтрации воды через разделяющий слабопроницаемый слой, либо через участки естественного или искусственного разрыва этого слоя (грунтовые воды Араратской долины и др.).

Грунтовые воды находятся в постоянном движении. В равнинных местах скорость их движения в горизонтальном направлении обычно незначительна, поэтому их можно назвать бассейном грунтовых вод, и наоборот, на участках с уклонами поверхность грунтовых вод, в основном повторяет уклон рельефа и скорости грунтовых вод сравнительно большие.

От правильной оценки характера и параметров фильтрационного потока грунтовых вод зависит эффективность выбранного способа защиты строительных котлованов от их воздействия.

Напорными и артезианскими называются водоносные слои, залегающие между водоупорными слоями. Воды в этих слоях обладают гидростатическим напором. Области их питания те же, что и для грунтовых вод. Артезианские горизонты подземных вод имеют вогнутую форму, поэтому основной участок артезианского бассейна напорный. В отличие от артезианских напорные горизонты, заключенные между сравнительно плоскими водоупорными слоями, иногда могут превращаться в безнапорные горизонты, если зеркало грунтовых вод отрывается от подошвы верхнего водоупорного слоя. В этом случае управление фильтрационным потоком осуществляется так же, как и в безнапорных грунтовых водах.

В горных районах строительства особый интерес представляют подземные воды, сформированные в трещиноватых и закарстованных зонах скальных, полускальных и других грунтов.

Трещинные воды перемещаются в гидравлически взаимосвязанных системах трещин. Трещинные подземные воды питаются за счет инфильтрационных вод и отличаются значительными колебаниями уровня, поэтому они могут образовать фильтрационный поток грунтовых вод также и в покровных осадочных грунтах, когда их уровень превышает верхнюю границу скальных пород. Водоупором водоносного горизонта трещинных вод обычно служит более плотный монолитный участок нижних скальных пород.

В отличие от водоносных горизонтов обычных грунтовых вод управление трещинными водами представляет сложную задачу и в основном зависит от степени их изучения. Трещинный водоносный горизонт в каждом случае требует индивидуального подхода как на этапе изыскания, так и на этапе проектирования и осуществления мероприятий по их управлению для защиты зоны строительства и эксплуатируемых объектов.

Взаимодействие грунтовых вод с покровными осадочными грунтами нередко приводит к оползневым процессам, в основном после каких-либо нарушений целостности или равновесия покровного слоя.

При правильном определении характера функционирования трещинных и карстовых вод и их параметров можно предусмотреть эффективные средства предотвращения подтопления строительных котлованов, эксплуатируемых сооружений, а также снижения устойчивости горных склонов.

При возведении зданий и сооружений в зоне функционирования грунтовых вод или же на тех участках, где в дальнейшем они появляются по техническим или другим причинам, грунтовые воды нередко существенно влияют на ход и стоимость строительных работ.

При разработке котлованов или других земляных выемок ниже уровня грунтовых вод, начиная с верхней границы капиллярной зоны насыщения, появляются определенные затруднения, связанные как с состоянием разрабатываемого грунта, так и со свойствами грунтов основания будущего сооружения.

Если земляные работы производят без предварительного осушения грунтов, то по мере отрывки и углубления котлована ниже отметки статического уровня грунтовых вод начинается процесс разуплотнения грунтов основания сооружения. Чем больше разность отметок между статическим уровнем грунтовых вод и дна разрабатываемого котлована, тем больше гидравлический градиент, следовательно, и разуплотняющие вертикальные скорости грунтовых вод. Этот процесс обычно происходит незаметно. Однако прочностные и деформационные свойства грунтов оснований могут существенно ухудшаться. Опасность этого процесса заключается в том, что он происходит после расчета и проектирования оснований по данным геологических изысканий и результатов исследований свойств, полученных для грунтов оснований в их естественном залегании без учета изменения их свойств в результате разуплотнения. Поэтому нередки случаи возникновения аварийных деформаций и повреждений конструкций здания уже в процессе их возведения из-за неравномерных осадков грунтов оснований.

При значительном углублении земляных выработок от уровня грунтовых вод большую опасность представляют также откосы котлованов, которые теряют свою устойчивость, особенно при их устройстве в мелкозернистых песках, супесях, суглинках или в слоистой толще.

Ни один способ конструктивной защиты откосов котлована без водопонижения не гарантирует их устойчивость. Применяемые на практике такие способы защиты откосов как шпунтовые стенки, ограждения из забивных тавровых профилей с вертикальными дощатыми стенками между ними, легко разрушаются при действии грунтовых вод в основном из-за механической суффозии, оплывания, выпора грунтов откосов котлована и т. п.

Значительный ущерб приносят грунтовые воды при проходке тоннелей и шахт. Если тоннели проходят на достаточно большой глубине или же поверхностная система обычного водопонижения не обеспечивает достаточного понижения уровня грунтовых вод, то грунты забоя оплывают и их разработка становится невозможной.

Неучет возможных влияний грунтовых вод нередко приводит к тяжелым последствиям — огромным завалам и разрушениям призабойной зоны тоннеля с потерями оборудования, к дополнительным затратам по ликвидации последствий аварии и повторной проходке заваленной части тоннеля.

Недостаточное снижение уровня грунтовых вод приводит также к плывунным явлениям при проходке тоннелей и шахт, особенно в слабопроницаемых грунтах, в которых из-за возникновения большого гидродинамического давления на забое происходит выпор грунта.

Грунтовые воды являются также одной из основных причин возникновения оползневых процессов, которые, даже в тех случаях, когда на участке отсутствуют земляные выработки, происходят исключительно в результате изменения прочностных свойств грунтов на поверхности скольжения оползневого тела из-за длительного (а иногда даже не длительного) воздействия грунтовых вод на грунты этой зоны. Особенно ощутимы влияния грунтовых вод на склонах, образованных гидротехническими и мелиоративными сооружениями, при освоении склонов под жилые районы и поселки или же под орошаемые массивы. Возникшие при этом новые подземные фильтрационные потоки склонов приводят к оползневым процессам.

Грунтовые воды, при изменении их статического уровня, также приводят к нежелательным последствиям и аварийным деформациям. В практике нередки случаи, когда из-за подъема статического уровня грунтовых вод замачиваются, подвергаются осадкам и суффозионным деформациям грунты оснований зданий и сооружений, эксплуатируемых до этого нормально десятками лет. Причинами этого является либо неучет прогноза гидрогеологических процессов, либо появление новых ранее непредвиденных техногенных причин, связанных с изменением режима грунтовых вод.

Примером такого процесса повышения уровня грунтовых вод может служить раскрытие артезианского горизонта и перетока напорных вод в верхние слои грунтов, приведшие к резкому подъему безнапорного горизонта грунтовых вод вплоть до выхода этой воды на дневную поверхность (Араратская долина Армении).

Снижение уровня грунтовых вод также оказывает большое влияние на физико-механические свойства глинистых грунтов. В ряде случаев общее снижение статического уровня грунтовых вод вызывает оседание земной поверхности, следовательно, и грунтов оснований, вызывая тем самым значительные деформации и повреждения зданий и сооружений.

Следует отметить, что нередко и в песчаных грунтах при длительных откачках из водопонижающих и водоснабженческих скважин можно вызвать определенные деформации зоны вокруг грунтов, следовательно, и грунтов оснований, расположенных вблизи сооружений. Это может происходить в основном из-за неправильного выбора отверстий фильтров скважин и частиц контактирующего защитного слоя между фильтром и грунтом. В результате из грунта вместе с грунтовой водой откачиваются и мелкие фракции грунта и образуются пустоты в окружающем скважину грунтовом массиве. Причиной такого явления бывает также агрессивность грунтовых вод к материалам скважины и его фильтрующей поверхности.