Предотвращение просадок грунта

Техническая деятельность человека во многих местах приводит к довольно значительному оседанию земной поверхности. Оседание земной поверхности, в основном, происходит из-за извлечения нефти и газа из недр, и сейчас термин «оседание земной поверхности» относят именно к этому виду оседания. В последнее десятилетие оседание земной поверхности стало широко распространенным явлением – международной проблемой.

Например, в Токио около 20 % территории города оказалось ниже уровня моря и отгорожено от воды дамбами – более 2 млн человек живут под угрозой затопления. В Мехико стали вылезать-вырастать на высоту до 6 м трубы скважин и облицовка глубоких колодцев. Сначала просадку связывали с тектоническими процессами, но стало ясно, что происходит сжатие близкой к поверхности толщи грунта. Скорость оседания была 50 см/год. Возникло предположение об искусственных, техногенных причинах оседания, и когда сопоставили скорость оседания с режимом откачки подземных вод, это предположение подтвердилось.

Воду откачивают из сотен и тысяч скважин, сосредоточенных на относительно небольших площадях. Происходит понижение уровня грунтовых вод, что влечет образование депрессионных воронок. Глубина депрессионных воронок достигает в Москве 50 м, Киеве 60 м, Лондоне 100 м.

Площади депрессионных воронок измеряются сотнями и тысячами км². Крупные и глубокие очаги откачки вод возникают при открытой или подземной разработке полезных ископаемых, метрополитенов. Цель откачки – осушение выработок, защита их от притока подземных вод. Глубина депрессионных воронок может достигать 1000м для глубоких шахт и даже больше.

Причиной оседания поверхности земли является сжатие толщи грунта, его уплотнение. Но оседание поверхности, сжатие грунтовой толщи зависит и от способности грунта к сжатию, его сжимаемости. Наибольшую сжимаемость имеют торфянистые грунты, богатые остатками растительности, глинистые грунты – илы, суглинки, глины – они способны к пластическому уплотнению. В меньшей степени сжимаемы песчаные грунты, еще меньше – скальные породы.

Для количественной оценки просадочности грунтов используют два показателя: относительная просадочность и условная просадочность.

Относительная просадочность равна

d_пр = (h₁ - h₂)/h₀, (5)

где h₀ - высота образца, при давлении равном природному;

h₁ - высота образца грунта естественной влажности, сжатого при давлении Р без возможности бокового расширения;

h₂ - высота образца того же грунта, но насыщенного водой и тоже сжатого, без бокового расширения под давлением Р;

d_пр - относительная просадочность.

Р - обычно не превышает 4…5 кг/м².

Также, существует понятие – усадка грунта. Усадка - это уменьшение объема грунта при высыхании.

(6)

где V₀ - первоначальный объем грунта природной влажности, см³;

V_П - объем грунта после высыхания, см³.

Вообще, обычная величина усадки грунта составляет 25…30%. Усадка приводит грунт в переуплотненное состояние, что вызывает деформацию сооружений.

Что предпринимается для борьбы с оседанием земной поверхности и ликвидации его последствий?

- изучается гидрогеологические условия района.

- физико-механические свойства грунта.

Затем делается расчетный прогноз, который дает ответ на вопрос, требуются ли какие-либо защитные меры:

- прекращение откачки воды;

- перевод водоснабжения на другие источники;

- закачка в скважины воды или воздуха – для увеличения напора в пласте.

Оседания грунта – это необратимые изменения.

Существует еще много причин оседания грунта, основную роль среди которых играют техногенные факторы:

- статические и динамические нагрузки на грунты от веса сооружений;

- вибрации оборудования и транспорта.

Замена выработанного материала другим, чтобы препятствовать деформации выше лежащей толще пород – такой опыт накоплен в ряде промышленных развитых стран мира.

Оседания поверхности земли часто связаны с широко распространенными просадочными явлениями.

Просадка – быстрое оседание поверхности на глубину до нескольких метров при водонасыщении лессовых грунтов, называемых еще желтоземом.

До сих пор нет единого представления о природе просадочности лессовых пород. Разные исследователи выдвигают довольно много догадок и гипотез по поводу возникновения этого специфического и неотъемлемого свойства лессов. Многолетний опыт исследований лессов указывает, что одним из главных факторов, определяющих просадочность этих пород, является их специфичная структура, то есть размер и форма жестких (минеральных) структурных частей, строение порового пространства и особенный характер структурных связей (взаимодействий между частицами).

Лессы – это молодые отложения четвертичной системы. Распространены на юге Украины в степных областях, залегают покровом, т.е. не перекрыты другими отложениями. Пылеватые породы, которые не менее чем на 50 % состоят из пылеватых частиц кварца и полевого шпата с размерами 0,005…0,05 мм. Для большинства лессов типично высокое, до 15…20 %, содержание карбонатов, в большей степени кальцита (CaCO₃), и присутствие до 3…5% растворимых солей (сульфаты, хлориды).

Можно сказать, что в основе просадки лежат два взаимосвязанных явления, развивающихся при увлажнении лёссов и воздействии наружной перегрузки.

Во-первых, происходит резкое понижение энергии взаимодействия структурных частей на контактах, утрата структурной прочности вследствие преобразования переходных контактов в коагуляционные и исчезновение сил поверхностного натяжения. Во-вторых, происходит распад глинисто-пылеватых агрегатов, сопровождаемый формированием своеобразных дефектов в микроструктуре лессов, и появляются условия для взаимного смещения структурных частей. Таковым образом, в итоге просадки происходит смыкание части макропор и большинства больших межагрегатных микропор и формируется более уплотненная и однородная микроструктура.

В лессах много мелких округлых пустот, придающих породе легкость. Лесс легко разрушается проточной водой, и в нем возникают глубокие овраги с вертикальными стенами, напоминающими ущелья. Пористость лессов очень высока и достигает 55…64 %. При проникновении воды в породу стенки пор частично разрушаются, и начинается самоуплотнение под возросшим весом увлажненной породы, а глинистое вещество разжижается, обломки перемещаются и заполняют поры, уплотняя породу. Эти и другие сопутствующие явления и вызываю просадку лессов.

Существует несколько способов борьбы с просадкой лессов. Более распространенным является механическое уплотнение лессовых грунтов тяжелыми трамбовками, вес которых может достигать 10 т и более. Традиционно трамбовки многократно сбрасываются на уплотняемый участок грунта с высоты 4…8 м. Данный способ дозволяет уплотнить толщу лессового грунта на глубину до 3,5 м. Если нужно ликвидировать просадочные характеристики лессовых грунтов на глубину до 25 м, то проводят их глубинное уплотнение грунтовыми набивными сваями либо энергией взрыва. Время от времени для ликвидации просадочных параметров создают предварительное промачивание лессового массива. При этом происходит спровоцированная просадка грунта, после чего он уплотняется и переходит в стабильное состояние.

Также, одним из способов борьбы с просадочностью является термическое закрепление лессовых грунтов, при котором через грунт с помощью особых приспособлений пропускают раскаленный воздух либо газы при температуре 300…800 ^оC. Под действием высокой температуры происходит оплавление и спекание минералов на контактах между отдельными частицами, и формируются прочные фазовые контакты кристаллизационного типа, устойчивые по отношению к действию воды. В итоге значительно повышается крепкость лессового грунта, и он становится непросадочным. Таким способом, например, было спасено от разрушения уникальное здание Одесского театра оперы и балета и основания 120-ти метровых дымовых труб в Запорожье.

Просадочность многих типов лёссовых отложений может быть также значительно уменьшена с помощью способа силикатизации. При этом в грунт через перфорированные трубы с одной стороны нагнетают раствор силиката натрия (жидкого стекла), а с другой - раствор хлористого кальция. При соединении обоих растворов в порах просадочного грунта появляется водонерастворимый гель кремниевой кислоты, который цементирует грунт и делает его непросадочным. Данный способ не является экологически чистым, так как может приводить к сильному химическому загрязнению закрепляемых пород, и поэтому в настоящее время он применяется очень редко.

Обводнение закарстованных пород также может приводить к просадкам грунта на больших территориях. Наличие закарстованных пород обусловливает большие потери воды на фильтрацию из водохранилищ и прудов (они нередко остаются совершенно сухими), увеличение капиллярной каймы.

В растворимых породах (карбонаты, сульфаты, галоиды), вода растворяет частицы породы и выносит продукты разрушения. В результате растворения водой составных частей пород, в последних образуются пустоты – возникает карст. В качестве мер борьбы с обводнением закарстованных пород при строительстве применяется откачка воды; глинизация, битуминизация и цементация грунта. Постоянные потоки подземных вод перехватывают дренажем и отводят за пределы застраиваемой территории.

Дата добавления: 2014-01-07