Влияние подземных вод на строительные свойства грунтов и на фундаменты

Подземные воды и грунтовые воды

Не все подземные воды – грунтовые. Отличие грунтовых вод от других видов подземной воды состоит в условиях их залегания в толще горных пород.

Название «подземные воды» говорит само за себя – это вода, которая находится в под землей, то есть в земной коре, в верхней ее части, причем находиться там она может в любом из своих агрегатных состояний – в виде жидкости, льда или газа.

Основные классы подземных вод

Подземная вода бывает разная. перечисли основные виды подземных вод.

Почвенная вода

Почвенная вода содержится в почве, заполняя промежутки между ее частицами, или поровое пространство. Почвенная вода может быть свободной (гравитационной) и подчиняться только силе тяжести, и связанной, то есть удерживаться силами молекулярного притяжения.

Грунтовая вода

Грунтовая вода и ее подвид, называемый верховодкой – это ближайший к поверхности земли водоносный горизонт, залегающий на первом водоупоре. (Водоупор, или водоупорный слой грунта — это почвенный слой, который практически не пропускает воду. Фильтрация сквозь водоупор или очень низкая, или же слой полностью водонепроницаем – например, толщи скальных грунтов). Грунтовая вода крайне непостоянна по многим факторам, и именно грунтовая вода влияет на условия строительства, диктует выбор фундамента и технологии при проектировании сооружений. Дальнейшая эксплуатация созданных руками человека построек также находится под неустанным влиянием меняющегося поведения грунтовой воды.

Межпластовая вода

Межпластовая вода – находится ниже грунтовой воды, под первым водоупором. Эта вода ограничена двумя водоупорными слоями и может находиться между ними под значительным давлением, заполняя водоносный горизонт полностью. Отличается от грунтовой воды большим постоянством своего уровня, и конечно, большей чистотой, причем чистота межпластовой воды может быть следствием не только фильтрации.

Артезианская вода

Артезианская вода – так же, как и межпластовая, заключена между слоями водоупоров и находится там под давлением, то есть относится к напорным водам. Глубина залегания артезианских вод – примерно от ста до тысячи метров. Различные геологические подземные структуры, мульды, впадины и т.п., располагают к образованию подземных озер – артезианских бассейнов. Когда такой бассейн вскрывается при бурении шурфов или скважин, артезианская вода под давлением поднимается выше своего водоносного пласта и может дать очень мощный фонтан.

Минеральная вода

Минеральная вода — интересна для строителя, наверное, только в одном случае, если ее источник окажется на участке, хотя и не вся эта вода полезна для человека. Минеральная вода – это вода, содержащая растворы солей, биологически активных веществ и микроэлементы. Состав минеральной воды, ее физика и химия — очень сложный, это система коллоидов и связанных и несвязанных газов, и вещества в этой системе могут находится как недиссоциированными, в виде молекул, так и в виде ионов.

Грунтовые воды

Грунтовые воды – это первый от поверхности почвы постоянный водоносный горизонт, находящийся на первом водоупоре. Поэтому поверхность этого слоя – свободна, за редкими исключениями. Иногда над потоками грунтовых вод встречаются участки плотных пород – водонепроницаемая кровля.

Залегают грунтовые воды недалеко от поверхности, и поэтому очень зависят от погоды на поверхности земли – от количества атмосферных осадков, движения поверхностных вод, уровня водоемов, все эти факторы влияют на питание подземной воды. Особенность и отличие грунтовой воды от других видов – она безнапорная. Верховодка, или скопления воды верхнего водонасыщенного грунтового слоя над водоупорами из глин и суглинков с малой фильтрацией – это разновидность грунтовой воды, проявляющаяся временно, по сезонам.

На грунтовую воду и непостоянство ее состава, поведения и мощности горизонта влияют как природные факторы, так и деятельность человека. Горизонт грунтовой воды непостоянный, он зависит от свойств горных пород и их водосодержания, близости водоемов и рек, климата местности – температуры и влажности, связанных с испарением и т. далее.

Но серьезное и все более опасное влияние на грунтовую воду оказывает человеческая деятельность – мелиорация и гидротехническое строительство, подземные работы по добыче полезных ископаемых, нефти и газа. Не менее результативной в контексте опасности стала агротехника с применением минеральных удобрений, пестицидов и ядохимикатов, и конечно, промышленные стоки.

Грунтовая вода очень доступна, и если роют колодец или бурят скважину – то в большинстве случаев получают именно грунтовую воду. И свойства ее могут оказаться весьма негативны, поскольку эта водичка зависит от чистоты почвы и служит ее показателем. Все заражения от канализационных протечек, свалок, пестициды с полей, нефтепродукты и прочие результаты деятельности человека попадают в грунтовые воды.

Грунтовая вода и проблемы для строителей

Морозное пучение грунтов находится в прямой и непосредственной зависимости от присутствия грунтовой воды. Разрушения от сил морозного пучения могут быть огромны. При замерзании глинистые и суглинистые грунты получают питание в том числе и от нижнего водоносного горизонта, и в результате этого подсоса могут образовывать целые прослойки из льда.

Давление на подземные части сооружений может достигать огромных величин – 200 Мпа, или 3,2 тн/см2 далеко не предел. Сезонные подвижки грунтов на десятки сантиметров нередки. Возможные последствия действия сил морозного пучения, если их не предусмотрели или учли недостаточно, могут быть: выталкивание фундаментов из земли, затопление подвалов, разрушение дорожных покрытий, затопление и размывание траншей и котлованов и много еще разного негатива.

Кроме физического влияния, грунтовые воды способны разрушать фундаменты и химически, все зависит от степени их агрессивности. При проектировании эта агрессивность исследуется, проводятся как геологические, так и гидрологические изыскания.

Влияние грунтовых вод на бетон

Агрессивность грунтовых вод к бетону различают по типам, рассмотрим их ниже.

По общекислотному показателю

При водородном числе рН менее 4 агрессивность к бетону считают наибольшей, при значении рН более 6,5 – наименьшей. Но малая агрессивность воды вовсе не отменяет необходимости защиты бетона устройством гидроизоляции. Кроме того, имеется сильная зависимость влияния агрессии воды от видов бетона и его вяжущего, в том числе от марки цемента.

Выщелачивающие, магнезиальные и углекислотные воды

Все так или иначе разрушают бетон или способствуют процессу разрушения.

Сульфатные воды

Сульфатные воды относят к наиболее агрессивным к бетону. Ионы сульфатов проникают в бетон и реагируют с соединениями кальция. Образующиеся кристаллогидраты вызывают вспучивание и разрушение бетона.

Методы минимизации рисков от грунтовых вод

Но даже в тех случаях, когда имеется информация о неагрессивности грунтовых вод к бетону в данной местности, отмена устройства гидроизоляции подземных частей здания чревата хорошим уменьшением срока службы бетонных конструкций. Слишком большое влияние оказывают на природу, в том числе грунтовую воду и степень ее агрессии техногенные факторы. Возможность близкого строительства – это одна из причин подвижек грунта и как следствие, изменения поведения грунтовых вод. А химия и ее «накопление», в свою очередь, находится в прямой зависимости от близости сельскохозяйственных угодий.

Учет уровня грунтовых вод, а также сезонных изменений этого уровня – для частной стройки архиважен. Высокая грунтовая вода — это ограничение в выборе. От нее зависит если не вся, то огромная доля экономики индивидуального строителя. Без учета поведения и высоты грунтовой воды нельзя выбирать тип фундамента для дома, принимать решения о возможности устройства подвала и подвального помещения, устраивать погреба и канализационный септик. Дорожки, площадки и все благоустройство участка, включая и озеленение, также требуют на стадии проектирования серьезнейшего учета влияния грунтовой воды. Дело осложняется тем, что ее поведение находится в тесной связи со структурой и видами грунтов на участке. Воду и грунты надо изучать и рассматривать в комплексе.

Верховодка, как разновидность грунтовой воды, может создавать огромные проблемы, и не всегда сезонные. Если у вас песчаные грунты, а дом построен на высоком берегу реки, то сезонных верховодок вы можете и не заметить, вода уйдет быстро. Но если рядом озеро или река, и дом стоит на низком берегу, то даже при наличии песочка в основании участка вы будете на одном уровне с водоемом – как сообщающиеся сосуды, и в этом случае борьба с верховодкой вряд ли будет успешной, как и любая борьба с природой.

В случае, когда грунт – не песок, водоемы и реки далеко, но грунтовая вода очень высокая, ваш вариант – это создание эффективной дренажной системы. Каким будет ваш дренаж — кольцевым, пристенным, пластовым, самотечным или с использованием откачивающих насосов, решается индивидуально, и учесть надо многие факторы. Для этого надо иметь информацию о геологии участка.

В некоторых случаях дренаж не поможет, например, если вы находитесь в низине, а мелиорационного канала поблизости нет и воду отводить некуда. Также не всегда под первым водонесущим слоем оказывается безнапорный слой, в который возможно отвести верховодку, эффект от бурения скважины может быть и обратный – вы получите ключ или фонтан. В случаях, когда устройство дренажа не принесет результата, прибегают к устройству искусственных насыпей. Поднять участок на уровень, где грунтовые воды не достанут вас и ваш фундамент — затратное экономически, но иногда единственно верное решение. Каждый случай индивидуален, и решения хозяин принимает исходя из гидрогеологии своего участка.

Но в очень многих случаях вопрос решается именно дренажом, и важно правильно выбрать его систему и грамотно организовать водоотвод.

Узнать уровень грунтовой воды у себя на участке и отслеживать его изменения – с этими вопросами владельцы индивидуальных участков справляются самостоятельно. Весной и осенью обычно УГВ выше, чем зимой и летом, это связано с интенсивным снеготаянием, сезонностью атмосферных осадков, возможно с затяжными дождями в осенний период. Узнать уровень грунтовой воды можно, измерив его в колодце, шурфе или скважине, от водяного зеркала до поверхности грунта. Если пробить несколько скважин у себя на участке, по его границам, то несложно отследить сезонные изменения УГВ, а на полученных данных возможно принимать решения по строительству — начиная от выбора фундамента и систем водоотвода, и заканчивая планированием огородных посадок, разбивки сада, благоустройством, а также разработкой ландшафтного дизайна.

Технология строительства фундамента

Любая постройка начинается с возведения основания. Его роль выполняет фундамент. По сути, это самый важный элемент в конструкции. Ведь от фундамента зависит устойчивость дома, а значит безопасность его жильцов. Его возведению уделяют огромное внимание. Давайте рассмотрим виды и технологии этого процесса, более подробно.

Влияние грунтовых вод на фундамент

Основная проблема, с которой сталкиваются строители, закладывая фундамент, это воздействие подземных вод.

Обычно подземные воды делят на два типа:

1. Грунтовые воды. Этим термином называю застоявшуюся в земле влагу, которая, как правило, имеет региональное расположение. Такие воды залегают в пористых, а также в рыхлых породах. Их уровень склонен к сезонным колебаниям из-за выпадающих осадков, климата, а также рельефа и особенностей местности.
2. Верховодка. Этим термином обозначают подземную воду, которая залегает около поверхности земли, но отличается от грунтовых вод своим непостоянством распространения, а также временем существования. Она образуется как результат выпадения осадков, а в сухое время испаряется. Верховодка также склонна к колебаниям и при значительном количестве осадков, может достигать больших размеров.

При повышении уровня подземных вод, может произойти размыв фундамента. При понижении — начинается его оседание. Таким образом, эти колебания обязательно учитываются при составлении плана строительных работ.

Перед закладкой фундамента, определяют уровень подземных вод. Обычно, высоким уровнем, считают залегание воды при глубине около 2 метров. Поэтому, фундамент нужно строить примерно на 50 см от расположения грунтовых вод. Низким уровнем залегания вод считается глубина в 2м под землей. Ее можно не учитывать.

Факторы, влияющие на подтопление зданий.

При возведении фундамента целесообразно проводить водозащитные мероприятия. Делается это для исключения просадки фундамента. В работу водозащитных мероприятий входят: обустройство под зданием водонепроницаемых экранов, обустройство различных коммуникаций (с исключением вероятности протечки), механизмы слива воды за границы здания.

Не стоит исключать и опасность подтопления здания. Подтопление возникает из-за природных явлений. Также, оно может возникать под действием техногенных факторов:

• Активные. Непосредственно вызывают подтопление (например, при утечке или прорыве инженерных сетей).
• Пассивные. Не вызывают причины для подтопления, однако способствуют этому (например, при нарушении поверхностного стока).

Глубина заложения фундамента

Глубина закладки фундамента рассчитывается с учетом нескольких факторов. Определяющее значение имеет вид грунта в зоне строительства. Строители различают несколько видов пород, которые часто встречаются в практике:

• Скальный грунт, представляющий собой соединенные между собой породы, которые залегают сплошным массивом. Их отличает прочность, упругость и стойкость к воздействию холода. Они не деформируются и не замерзают. По сути, это отличная поверхность для фундамента.
• Пески мелкие. Эти пески хорошо разрабатываются и пропускают воду, а также могут уплотняться под давлением нагрузки. Единственный недостаток этой породы — слабое сжатие. А чем больше смесь, тем хуже она воспринимает давление. Этот песок не может быть хорошей поверхностью для фундамента.
• Супеси. Это крупный песок, с большой примесью глины (примерно 5-10% от состава). Некоторые разновидности супеси при добавлении влаги, становятся очень жидкими практически как вода. Такой песок не пригоден в качестве основы для фундамента.
• Суглинки. Суглинки — вид песка, содержащий большой процент глиняных образований (10-30%). По своему качеству, это такая же порода, как и супеси. То есть, она так же не пригодна для возведения оснований.

Оценка качества грунта позволяет планировать устройство будущего подвала. Конструкции подвальных и полуподвальных помещений состоят из стен, которые и являются фундаментом здания. Современный подвал предполагает размещение технического подполья.

В техническом подполье обычно располагается система отопления и водоснабжения дома. Там же проведены кабели для электропитания. Все это сильно упрощает обслуживание и ремонт этих элементов.

На месте постройки здания, нужно удалить растительный слой земли, а затем переложить его в другое место. Снятый таким образом слой можно использовать как материал для обустройства площадки перед домом.

Пожалуй, ключевым фактором в расчете глубин для закладки фундамента является выбор несущего слоя грунта. Для этого перед постройкой проводится учет инженерных и геологических особенностей площадки.

На основании результатов делают вывод — какой из слоев земли будет основой для фундамента. Если несущий слой находится на расстоянии 3-5 м от земли в ход идут свайные фундаменты.

Типы фундамента

Строители выделяют несколько типов фундамента в соответствии со свойствами и областью их применения.

Ленточные. Ленточный фундамент обычно имеет сборный и обычный вид. Сборные ленточные фундаменты состоят из специальных блоков-подушек и стеновых фундаментных блоков. С помощью них делают основу для зданий из тяжелого материала.

Столбчатые. Столбчатый фундамент используют в качестве колонн (опоры) для каркаса здания.

Свайные. Этот тип фундамента пристраивают под зданием, если есть слабый грунт или в качестве удержания больших нагрузок. Основой этого фундамента являются сваи.

Мероприятия, препятствующие смещению фундаментов

При построении фундаментов может произойти смещение. Это происходит из-за горизонтальных сил грунта, которые давят на фундамент зданий (вместе с цокольным этажом или подвалом). Для защиты от смещения, после построения фундамента и до засыпки грунтом котлована, укладывают перекрытие в районе пола на 1 этаже.

Гидроизоляция

Главный пункт при возведении фундамента — это гидроизоляция. Чтобы хорошо защитить дом от воздействия влаги, нужно вовремя выполнить его гидроизоляцию.

Выбор типа гидроизоляции исходит от грунта и его характеристик. Когда подземные воды находятся уровнем ниже фундамента на 1м и более, можно выполнить лишь вертикальную или горизонтальную гидроизоляцию, применяя битумные материалы. Расплавленный битум наносят на стены так, чтобы толщина была 3-5 см. Затвердевшая смесь хорошо защищает бетон от проникновения влаги в его поры.

Устройство гидроизоляции для зданий с подвалом, без него содержит различия. В зданиях без подвала и с отсутствием грунтовых вод, хватает горизонтальной гидроизоляции. В случае присутствия грунтовых вод, помимо гидроизоляции нужно сделать и обмазочную гидроизоляцию пола.

Если здание содержит подвал, но отсутствуют грунтовые воды, нужно также применить гидроизоляцию стен и обмазочную гидроизоляцию пола в подвале. Если есть грунтовые воды, то помимо стен битумной гидроизоляции подвергается пол.

Технология ТИСЭ

Технологии строительства фундамента постоянно совершенствуются и модернизируются. Среди рентабельных и экономичных способов выделяется технология ТИСЭ. TISE позволяет сократить не только финансовые, но и временные затраты на строительство.

Использование современных строительных материалов позволяют ему быть прочным и выдерживать значительные нагрузки при работе. Аппарат позволят устанавливать фундамент на различных типах грунтов, включая сильнопучинистые и мерзлые. С помощью него можно производить установку фундамента для жилого капитального дома.

Этапы возведения фундамента по технологии TISE:

• Подготовка скважины. При помощи специально бура, выполняется бурение скважины по часовой стрелке. Глубина бурения обычно ниже на 10-20 см несущего грунта. При тяжелом грунте процесс бурения занимает около 30 мин.
• Установка фундамента. Далее скважина заполняется арматурой и бетоном. После этого в центральную часть вставляют каркас фундамента, под названием «толевая рубашка». Завершается процесс, построением фундамента в виде столбчато-ленточной формы.

Использование технологи ведется уже на протяжении более 20 лет. За это время ею воспользовалась масса людей, получившие возможность оценить ее преимущества.

ВОДА В ГРУНТАХ, ЕЕ ВИДЫ И СВОЙСТВА

Вода в грунтах находится в различных видах и состояниях (парообразном, жидком и твердом). Это обусловливает изменение свойств грунтов при изменении содержания в них влаги. Например, кусок глины в сухом состоянии обладает свойствами твердого тела, а при увлажнении приобретает пластичные свойства, т.е. может изменять свою форму без разрыва сплошности (целостности) под действием нагрузки. Основываясь на работах А.Ф. Лебедева, Е.М. Сергеева и др., классификацию воды, содержащуюся в порах грунта, можно представить в следующем виде:

• • вода в форме пара;
• • связанная вода: прочносвязанная, рыхлосвязанная;
• • свободная вода: гравитационная, капиллярная;
• • вода в твердом состоянии;
• • кристаллизационная вода.

Воды в форме пара в грунтах содержится не более 0,001% массы грунта. Однако она играет большую роль в процессах, протекающих в грунтах. Такая вода способна перемещаться в грунте как вместе с газообразным компонентом (воздухом), так и самостоятельно — под влиянием разности упругости пара или зон с большей температурой грунта независимо от расположения этих зон.

Из физико-химических представлений известно, что при понижении температуры грунта удельная поверхностная энергия минеральных частиц возрастает и, следовательно, возрастает притяжение молекул воды и растворенных в ней веществ к поверхности частиц. Поэтому в грунте при понижении температуры меняется количественное соотношение объемов имеющихся видов воды. В частности, молекулы парообразной воды попадают в более сильное поле свободной поверхностной энергии минеральных частиц в зависимости от первоначальной влажности. В то же время при повышении температуры грунта количество парообразной воды увеличивается за счет изменения энергетических связей между поверхностью минеральных частиц и водными молекулами. Часть молекул прочносвязанной воды, утрачивая силовое притяжение поверхностной энергии минеральных частиц, приобретает свойства рыхлосвязанной воды, а часть молекул рыхлосвязанной воды переходит в свободную воду.

Связанная вода по своим свойствам резко отличается от свободной. Чем больше удельная поверхность частиц, тем большее количество воды будет находиться в связанном состоянии. По своим свойствам она существенно отличается от обычной свободной воды, так как средняя плотность составляет от 1,2 до 1,4 т/м 3 . Связанную воду нельзя всю удалить (отжать) из грунта статическим давлением. В лабораторных исследованиях на грунты, содержащие только связанную воду, передавали среднее уплотняющее давление, равное нескольким сотням мегапаскалей, и грунт оставался влажным. Содержание воды в грунтах уменьшалось с увеличением среднего давления только до 20—50 МПа, далее влажность грунта оставалась постоянной. Поэтому связанную воду подразделяют на прочносвязанную и рыхлосвязанную, а вместе эти два слоя составляют гидратную оболочку минеральных частиц.

Прочносвязанная вода (гигроскопическая) по некоторым свойствам сходна с твердым телом: ее плотность достигает 2,4 т/м 3 , в ней не проявляются законы гидростатики, она не растворяет солей, обладает значительной вязкостью, упругостью и прочностью на сдвиг. Температура ее замерзания равна —79 °С и ниже. Однако этот слой водных молекул имеет свойства жидкости, и это объясняет некоторые свойства мерзлых грунтов.

Прочносвязанную воду можно удалить из грунта путем высушивания при температуре 105 °С, которая является стандартной для определения влажности грунта. Если молекулы воды покроют сплошным слоем всю поверхность глинистой частицы, то вокруг нее образуется как бы сплошная пленка прочносвязанной воды. Максимальное количество такой воды в грунтах приблизительно соответствует количеству гигроскопической воды, которая, в свою очередь, приравнивается к количеству воды адсорбционного слоя. Следовательно, термины «прочносвязанная», «гигроскопическая», «граничная» и «адсорбционная» вода можно считать синонимами.

Вода, заполняющая межпакетные пространства глинистых минералов, имеющих раздвижную кристаллическую решетку, входит в состав прочносвязанной воды.

Прочносвязанная вода в грунте, очевидно, передвигаться не может, за исключением перехода в парообразное состояние.

Рыхлосвязанная вода (пленочная) образует на поверхности частиц более толстые пленки, чем прочносвязанная. Максимальное содержание связанной воды имеет место в глинах и суглинках. Ее свойства также отличаются от свойств свободной воды: она замерзает при температуре ниже 0 °С, имеет высокую плотность, не подчиняется законам гравитации. Она поддается выдавливанию из пор грунта внешним давлением до нескольких сотен килопаскалей.

Рыхлосвязанную (приграничную) воду (воду диффузного слоя) подразделяют на вторично ориентированную и воду, удерживаемую осмотическими силами. Вторично ориентированная вода представляет собой несколько рядов (полислоев), ориентированных на поверхность твердой частицы самостоятельно или вместе с катионами благодаря неизрасходованной на удержание прочносвязанной воды свободной поверхностной энергии частицы. Осмотическая вода образуется в результате проникновения из раствора молекул воды в диффузный слой вследствие большей концентрации ионов в этом слое, чем в растворе.

По свойствам осмотическая вода не отличается от свободной. Средняя плотность вторично ориентированной воды (полислоев) несколько выше, чем плотность свободной воды. Очевидно, плотность ее в слоях, расположенных ближе к поверхности частицы, выше, чем у внешней границы. Средняя температура замерзания рыхлосвязанной воды равна —1,5 °С. Рыхлосвязанная вода в однородных грунтах может передвигаться в любом направлении от частицы к частице под действием градиента влажности из зон с большей влажностью в зоны с меньшей влажностью или переходить в парообразное состояние. Ее передвижение происходит до тех пор, пока вся поверхностная энергия не будет израсходована на формирование гидратных оболочек частиц.

Свободная вода находится вне сферы действия электромолеку- лярных сил взаимодействия с поверхностью минеральных частиц (рис. 2.4). Свободную воду согласно приведенной выше классификации разделяют на капилярную и гравитационную.

Рис. 2.4. Схема электромолекулярного взаимодействия поверхности отрицательно заряженной частицы с водой (о) и график сил их взаимодействия (б):

I — твердая частица; II — связанная вода; III — свободная вода; 7 — катион;

2 — анион; 3 — молекула воды; 4 — прочносвязанная вода; 5 — рыхлосвязанная

Гравитационная вода содержится в трещиноватых скальных, крупнообломочных, гравелистых породах и крупных песках. Эта вода может передвигаться в грунте под действием силы тяжести. Ее подразделяют на просачивающуюся воду, которая передвигается сверху вниз, и на воду грунтового потока, передвигающуюся в сторону падения поверхности водоупорного пласта. Гравитационная вода обладает всеми свойствами обычной воды. Она оказывает взвешивающее действие на твердые частицы грунта и на фундамент сооружения, замерзает и превращается в лед при температуре О °С, имеет плотность, принимаемую в расчетах оснований сооружений р* = 1,0 т/м 3 , может содержать вещества в коллоидном состоянии, растворять соли и газы.

Капиллярная вода может содержаться в песках средней крупности, мелких и особенно в пылеватых песках и глинистых грунтах. Она поднимается по капиллярам на определенную высоту, которую называют высотой капиллярного поднятия. Эта высота зависит от диаметра пор и от удельной свободной поверхностной энергии твердых частиц грунта, образующих стенки пор. Например, предельная высота капиллярного поднятия воды в некоторых типах грунтов (по А.М. Овчинникову): песок крупный — 0,035 м; песок средней крупности — 0,35 м; песок мелкий — 1,2 м; супесь — 3,5 м и суглинок — 6,5 м. Таким образом, чем меньше диаметр капилляра, тем больше высота поднятия воды.

В качестве примера на рис. 2.5 показано, что влияние неучтенного капиллярного поднятия приводит к фильтрации воды через плотину при недостаточной высоте замыкающего глинистого ядра (рис. 2.5, а) или к плохой работе перехватывающего дренажа на откосе (рис. 2.5, б) (Бабков В.Ф., 1986).

Основываясь на физико-химических представлениях взаимодействия составных элементов грунта, можно утверждать, что поднятие воды возможно только при наличии свободной поверхностной энергии твердых частиц (C_q) капилляров, неизрасходованной на формирование своих гидратных оболочек, т.е. при влажности грунта меньше максимальной гигроскопической (В этом случае минеральные частицы, обладая неизрасходованной свободной поверхностной энергией, подтягивают молекулы свободной воды вверх по капиллярам.

В зависимости от величины удельной свободной поверхностной энергии частиц при одинаковых диаметрах капилляров и начальной влажности грунтов поднятие грунтовой воды будет больше в том случае, когда минеральные частицы имеют большую удельную свободную поверхностную энергию, при одинаковой величине — в капиллярах с меньшим диаметром. Таким образом, с одной стороны, свободная поверхностная энергия минеральных частиц совершает работу по капиллярному поднятию грунтовой воды, а с другой стороны, этому препятствуют межмолекулярные силы воды, ее гравитационный вес и сила атмосферного давления. Мениск капиллярной воды формируется в результате взаимодействия всех этих сил.

Рис. 2.5. Примеры фильтрации воды в зоне капиллярного поднятия:

а — обтекание имеющего недостаточную высоту водонепроницаемого ядра в плотине; б — обтекание прерывающего дренажа на косогоре;

7 — водонепроницаемое ядро; 2 — горизонт воды; 3 — граница капиллярного насыщения; 4 — движение капиллярной воды; 5 — изолирующая глиняная прослойка; 6 — дренажная труба

Пылеватые супеси и суглинки, обладающие мелкими порами, особенно если они уплотнены, характеризуются значительной высотой капиллярного поднятия, однако меньшей, чем может быть получено расчетом, исходя из размеров их пор. Движение капиллярной воды в таких грунтах происходит весьма медленно.

В глинах, особенно при сильном их уплотнении, характеризующемся наиболее тонкой, волосяной пористостью, капиллярное поднятие обычно не превышает 1,5—2,0 м. Это объясняется сильным набуханием глинистых частиц, повышением вязкости воды в тонких порах, наличием в них защемленного воздуха и др.

В отличие от гравитационной капиллярная вода замерзает при температуре ниже 0 °С. В зависимости от размеров капиллярных пор она может замерзать при —12 °С и ниже. Это явление, так же как и температура замерзания связанной воды, объясняет в определенной степени свойства мерзлых грунтов. Капиллярная вода создает дополнительные нагрузки на грунт и придает ему некоторую связность — дополнительное сопротивление сдвигающим и растягивающим внешним силам.

Вода в твердом состоянии. При температуре ниже 0 °С вода, содержащаяся в порах, замерзает и превращается в лед в виде прослойки линз кристаллов. Лед играет роль цемента, повышая прочность грунта и придавая ему свойства твердого тела. Эти свойства проявляются у сезонно- и многолетнемерзлых грунтов.

Процесс формирования льда в мерзлом грунте имеет физикомеханическую природу и связан с возникновением нового твердого тела, обладающего свободной поверхностной энергией. Миграция воды к фронту промерзания приводит к тому, что молекулы рыхлосвязанной воды переходят в твердое состояние, увеличивая объем льда, но при этом удельная свободная поверхностная энергия не уменьшается. Поэтому при соответствующих условиях процесс миграции и накопления льда в грунте развивается интенсивно. С одной стороны, происходит уплотнение грунта за счет уменьшения пористости при объемном расширении льда, а с другой — уменьшается объем намерзшей воды в грунте, которая сохраняется в виде прочносвязанной воды. В свою очередь, грунтовая система, пополненная водой (твердой фазой) в виде льда, армируется пленками прочносвязанной воды. Чем ниже температура грунта, тем прочнее армирующее действие прочносвязанной воды. Таким образом, при сосредоточенном льдонакоплении прочность грунта зависит от прочности льда, а не от прочности минеральных частиц и прочносвязанной воды.

Кристаллизационная и химически связанная вода разделяется на воду, входящую в состав минералов и адсорбированную на поверхности минералов.

Эта вода принимает участие в строении кристаллических решеток минералов. Ее наличие имеет большое значение для улучшения свойств грунтов, так как при удалении, например, кристаллизационной воды из состава минералов свойства последних сильно изменяются, а при удалении химически связанной воды образуются новые химические соединения.

Таким образом, вода в грунтах может, как было ранее сказано, находиться в различных видах и состояниях и изменение ее количества в грунте или переход из одного состояния в другое приводит к изменению свойств грунтов.

Рассмотренные выше признаки и свойства воды в грунтах сведены в табл. 2.5.

В природных условиях приведенные в табл. 2.5 формы связей воды редко наблюдаются обособленно друг от друга. Обычно во влажном грунте вода находится одновременно в нескольких состояниях и может переходить из одной формы в другую. Такой переход непрерывно совершается как под действием природных факторов (температура воздуха, осадки и др.), так и в результате деятельности человека (искусственное осушение, увлажнение, уплотнение грунтов).

Грунтовая вода, воздействуя на гипс, известняки, мергели и некоторые другие породы полускальных грунтов, образует в массивах трещины и пустоты, в результате чего на поверхности земли появляются впадины, воронки и провалы, т.е. происходят так называемые карстообразующие процессы.

Категории и формы связей воды в грунтах

Основание под фундамент

Грунтовые воды. Уровень грунтовых вод

Грунтовые воды. Уровень грунтовых вод

Грунтовые воды. Уровень грунтовых вод

Грунтовые воды. Уровень грунтовых вод. На различной глубине от поверхности земли встречаются грунты, пропитанные водой. Эти воды называются грунтовыми, а их верхняя поверхность – уровнем грунтовых вод.

Грунтовые воды оказывают влияние на структуру, физическое состояние и податливость грунтов. Производство работ при наличии воды в котловане значительно затрудняется.

В зависимости от типа грунта классифицируют на поровые, трещинные (жильные), карстовые (трещинно-карстовые). Поровые воды содержат пески и другие обломочные породы, трещинные — скальные породы, карстовые — растворимые (связные) породы, в том числе мягком известняке, доломите и гипсе.

Различные примеси, растворенные в воде, могут вредно (агрессивно) влиять на материал фундаментов и разрушать его. Все это заставляет строителя при проектировании и возведении фундаментов детально изучать грунтовые воды в районе постройки. Вода в грунте скапливается вследствие конденсации паров, проникающих вместе с воздухом, и просачивания дождевых и талых снеговых вод. Поэтому уровень грунтовых вод непостоянен: наиболее высокое стояние их бывает весной, наиболее низкое – зимой и летом. Вблизи открытых водоемов (река, пруд, озеро и т. д.) колебание уровня грунтовых вод связано с колебанием уровня воды в водоеме.

После проведения на большой территории планировочных работ, устройства дорог, тротуаров, канализационной сети, условия стока и просачивания меняются, что может повлечь изменение режима грунтовых вод. Поэтому в больших городах, где такие работы уже проведены, колебание уровня грунтовых вод бывает обычно незначительным. Распределение вод в толще грунта во многом зависит от характера напластования. Вода задерживается при просачивании над водоупорными (главным образом – тяжелыми глинистыми) грунтами и скапливается в водопроницаемых (песчаных) слоях, которые в этом случае называются водоносными.

Типы грунтовых вод

Если водоносный слой находится под водоупорным, то вода в нижнем водоносном слое во многих случаях находится под давлением. Если в верхнем слое отрыть котлован, то вода поступит в него снизу под давлением и поднимется выше уровня, на котором она первоначально появилась.

Такие воды называются напорными, а уровень, до которого они поднимаются, – установившимся уровнем грунтовых вод. Он должен определяться при изысканиях и учитываться при проектировании жилых зданий и сооружений.

При просачивании воды небольшое количество ее всегда задерживается в верхнем почвенном слое (почвенные воды, верховодка). Не оказывая влияния на конструкцию фундаментов, наличие этих вод заставляет всегда принимать меры по изоляции фундаментов и стен от влаги.

Влияние грунтовых вод на устойчивость и прочность основания

Изменение уровня грунтовых вод после возведения сооружения может резко понизить прочность основания и вызвать серьезные деформации сооружения в следующих случаях:

1) При наличии в грунте легкорастворимых в воде веществ грунт с течением времени может резко изменить свои свойства и разрушиться; этого можно опасаться, когда химическим анализом установлено присутствие в грунтовой воде большого количества минеральных веществ. Поэтому во всех таких случаях необходимо обстоятельно изучить состав грунта и определить мероприятия, устраняющие возможность его разрушения.

2) При расположении сооружения на мелких и пылеватых рыхлых песках, которые под давлением текут вместе с водой. Такие грунты называются плывунами. Если грунтовые воды имеют выход на поверхность (в местах резкого изменения рельефа, при открытии котлована или шурфа и т. д.), возникает опасность выноса частиц грунта из-под проектируемого сооружения или из-под зданий, расположенных рядом с котлованом.

Поэтому при проектировании сооружения на плывуне необходимо специальными исследованиями установить пределы распространения плывунов, возможность выноса их в местах резких переломов поверхности рельефа, характер и рельеф подстилающих грунтов, направление и скорость движения грунтовых вод. На основании этих данных в каждом конкретном случае особо решается вопрос о выборе допускаемого давления на плывун с учетом влияния, которое будет оказано этим давлением на уровень и движение грунтовых вод. Одновременно устанавливаются мероприятия, устраняющие возможность выноса грунта из-под сооружения.

3) По всей стране распространены особые глинистые грунты, которые, находясь под нагрузкой в сухом состоянии, ничем не отличаются по характеру работы от других глинистых грунтов, но при прохождении сквозь их толщу воды сразу резко теряют устойчивость. Такие грунты называют лёссовидными, или просадочными. Как показала строительная практика, лёссовидные грунты могут служить основанием для сооружения, если устранена возможность замачивания их.

Агрессивность грунтовых вод

Грунтовые воды, способные разрушать цементные бетоны и растворы, называются агрессивными. Агрессивность грунтовых вод зависит от химического состава растворенных в них солей и кислот. Эти вещества попадают в воду из подземных естественных залежей или из отбросов некоторых производств. Поэтому агрессивные воды встречаются повсеместно. Вода даже с малым количеством вредных веществ может оказаться опасной для бетона, так как вследствие непрерывного движения воды на бетон действуют все новые и новые частицы вредных примесей. Поэтому всегда следует производить химический анализ воды.

Вы смотрели: Грунтовые воды. Уровень грунтовых вод

Поделиться ссылкой в социальных сетях