Оценка гидрогеологических условий на площадке строительства и прогноз развития при водопонижении Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет Кафедра геотехники Оценка гидрогеологических условий на площадке строительства и прогноз развития неблагоприятных процессов при водопонижении Работу выполнила студентка группы 7-П-III Лавреева Е.В. Работу принял преподаватель Челнокова В.А. Санкт-Петербург 2009 Оглавление Введение ............................................................................................................................................3 Исходные данные .............................................................................................................4 1.1. Карта фактического материала.................................................................................................4 1.2. Геолого-литологические колонки опорных скважин.............................................................5 1.3. Результаты гранулометрического анализа..............................................................................8 1.4. Результаты химического анализа грунтовых вод...................................................................8 1.5. Сведения о физико-механических свойствах грунтов...........................................................8 2. Аналитический блок .......................................................................................................9 2.1. Характеристика рельефа площадки.........................................................................................9 2.2. Определение и классификация пропущенных слоев.............................................................9 2.3. Геологическое строение площадки и выделение инженерно-геологических элементов (ИГЭ)........................................................................10 (Приложение 1 – инженерно-геологический разрез) 2.4. Гидрогеологическое строение площадки..............................................................................11 (Приложение 2 – карта гидроизогипс) 2.5. Химический состав подземных вод и оценка агрессивности воды по отношению к бетону............................................................................................................12 3. Гидрогеологические расчёты притоков воды при водопонижении ................... 3.1. Расчет притока воды к совершенным выработкам (котлован или траншея)..................................................................................... 3.2. Расчёт притока воды к несовершенным выработкам (котлован или траншея)................................................................................... 4. Прогноз последствий водопонижения .................................................................... 4.1. Прогноз суффозионного выноса......................................................................................... 4.2. Прогноз оседания земной поверхности при снижении уровня грунтовых вод......................................................................................................................... 4.3. Прогноз воздействия напорных вод на дно котлована (траншеи)..................................... Заключение .................................................................................................................................... Список использованной литературы ...................................................................................... 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 деформации сооружений. 1. Исходные данные 1.1. Карта фактического материала Масштаб 1:2000 Условные обозначения буровая скважина, абсолютная отметка устья изогипса с абсолютной отметкой 1.2. Геолого-литологические колонки опорных скважин Скважина № 52 Н = 18,9 м Геологический индекс Отметка подошвы слоя Глубина залегания слоя, м Мощность слоя Разрез Описание пород Уровни подземных вод с датой замера от до Появл. Устан. (m-l)IV 15,5 0 3,4 3,4 Супесь пылеватая, пластичная 17,0 17,2 gIII 14,0 З,4 4,9 1,5 Суглинок с гравием, галькой, тугопластичный D1 12,5 4,9 6,4 1,5 Глина красная, полутвердая O1 10,9 6,4 8,0 1,6 Известняк трещиноватый Скважина № 53 Н = 19,7 м Геологический индекс Отметка подошвы слоя Глубина залегания слоя, м Мощность слоя Разрез Описание пород Уровни подземных вод с датой замера от до Появл. Устан. (m-l)IV 16,5 0 3,2 3,2 Неизвестный слой gIII 15,2 З,2 4,5 1,3 Суглинок с гравием, галькой, мягкопластичный O1 11,7 4,5 8,0 3,5 Известняк трещиноватый Скважина № 54 Н = 20,0 м Геологический индекс Отметка подошвы слоя Глубина залегания слоя, м Мощность слоя Разрез Описание пород Уровни подземных вод с датой замера от до Появл. Устан. (m-l)IV 16,0 0 4,0 4,0 Песок средней крупности, средней плотности, с глубины 0,8 м, водонасыщенный 19,0 19,2 gIII 14,0 4,0 6,0 2,0 Суглинок с гравием, галькой, мягкопластичный O1 12,5 6,0 7,5 1,5 Известняк трещиноватый 1.2. Результаты гранулометрического анализа грунтов первого водоносного слоя Номер участка Номер скважины Галька >100 Гравий 10-2 Песчаные Пылеватые Глинис-тые 2-0,5 0,5-0,25 0,25-0,1 0,1-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 7 53 - 1 33 39 17 7 3 - - 1.4. Результаты химического анализа грунтовых вод Номер скважины Ca Mg K+Na SO4 Cl HCO3 CO2CB pH мг/л 53 50 21 41 195 54 55 69 6,0 1.5. Сведения о физико-механических свойствах грунтов Грунт Индекс слоя Плотность, т/м3 Число пла-стичности IP , д. ед. Показатели пористости, д. ед. Модуль де- формации Е , МПа Содержа-ние ОВ*, % Степень разложения торфа D , % ρ s ρ n e Песок средней крупности (m-l)IV 2,65 1,65 - 0,40 0,66 23-35 - - Супесь пылеватая с растительными остатками (m-l)IV 2,62 1,85 0,06 0,60 1,50 7-15 7,5 - Суглинок с гравием, галькой gIII 2,70 2,15 0,14 0,31 0,45 20-30 - - ОВ* - органическое вещество Плотность грунта ρ , т/м3 - отношение массы грунта, включая массу воды в его порах, к занимаемому объему вместе с порами. Плотность минеральной части грунта ρ s , т/м3 - отношение массы сухого грунта к объему только твердой его части, исключая объем пор. Число пластичности Ip , д. ед. - разность влажностей, соответствующая двум состояниям грунта: на границе текучести WL и на границе раскатывания W p . W L и W p определяют по ГОСТ 5180. Показатель пористости n , д. ед. - отношение объема пор к полному объему образца грунта. Показатель пористости е , д. ед. - отношение объема пор в образце грунта к объему, занимаемому его твердыми частицами - скелетом. Модуль общей деформации Е , МПа – характеристика деформируемости грунта. Степень разложения торфа D , % - характеристика, выражающаяся отношением массы бесструктурной (полностью разложившейся) части, включающей гуминовые кислоты и мелкие частицы негумицированных остатков растений, к общей массе торфа. Определяется по ГОСТ 10650. 2. Аналитический блок 2.1. Характеристика рельефа площадки Территория рассматриваемого участка представляет собой фрагмент полого-волнистой равнины в пределах абсолютных отметок от 18,1 до 20,0 м. 2.2. Определение и классификация пропущенных слоев На основе результатов гранулометрического анализа (таблица в п. 1.2.) получили, что грунт первого слоя (по ГОСТ 25100-95) – это песок средней крупности. Для определения точного названия этого слоя и некоторых его характеристик построим суммарную кривую гранулометрического состава. Для этого составим вспомогательную таблицу «полных остатков»: Вспомогательная таблица полных остатков Диаметры частиц, мм <10 <2 0,5 <0,25 <0,1 0,05 <0,01 <0,005 Сумма фракций, % 100 99 66 27 10 3 0 0 Суммарная кривая гранулометрического состава Определение действующего (d10 ) и контролирующего (d60 ) диаметров: d10 = 0,1 мм d60 = 0,45 мм Результаты гранулометрического анализа позволяют определить степень неоднородности грунта и некоторые его водные свойства – суффозионную устойчивость, коэффициент фильтрации, высоту капиллярного поднятия. Степень неоднородности грунта: Так как , то грунт неизвестного слоя - это песок средней крупности неоднородный, суффозионно устойчивый . Средние значения высоты капиллярного поднятия, коэффициента фильтрации и радиуса влияния возьмем из таблицы средних значений, поскольку условия для использования эмпирических формул ( Си < 5; d10 >0,1 ) не выполнены. Коэффициент фильтрации k = 20 м/сут Радиус влияния R = 75 м Высота капиллярного поднятия hk = 0,25 м Определим ориентировочное значение высоты капиллярного поднятия hk (см): е = 0,66 д.ед. – коэффициент пористости С = 0,1 – эмпирический коэффициент 2.3. Геологическое строение площадки и выделение инженерно-геологических элементов (ИГЭ) Выделение ИГЭ № Индекс Наименование грунта Показатель пористости е, д.ед. Число пластичности IP , д.ед. Показатель текучести IL 1. (m-l)IV Супесь пылеватая, пластичная 1,50 0,06 0-1 2. (m-l)IV Песок средней крупности, средней плотности 0,55-0,7 - - 3. gIII Суглинок с гравием, галькой, тугопластичный 0,45 0,07-0,17 0,25-0,50 4. gIII Суглинок с гравием, галькой, мягкопластичный 0,45 0,07-0,17 0,50-0,75 5. D1 Глина красная, полутведая - >0,17 0-0,25 6. O1 Известняк трещиноватый - - - Глубина залегания коренных пород: D1 – глина красная, полутвердая. Залегает в пределах абсолютных отметок 12,5 – 14,0 м скважины № 52. Уклон кровли i = 0,02. O1 – известняк трещиноватый. Залегает ниже абсолютной отметки 12,5 м скважины № 52, ниже отметки 15,2 м скважины № 53, ниже отметки 14,0 м скважины № 54. Уклоны кровли i = 0,05 и i = 0,019. По СП 11-105-97 инженерно-геологические условия средней сложности (II категория сложности). Имеется не более четырех различных по литологии слоев, залегающих наклонно и с вклиниванием (D1 ). Мощность изменяется закономерно. Свойства грунтов существенно изменяются в плане и по глубине. Скальные грунты (известняк трещиноватый) имеют неровную кровлю и перекрыты нескальными грунтами. 2.4. Гидрогеологическое строение площадки В пределах площадки буровыми скважинами вскрыты два водоносных горизонта. Первый от поверхности горизонт грунтовых вод залегает на глубинах от 1,0 м (скважина № 54) до 1,9 м (скважина № 52). Водовмещающими породами являются супесь пылеватая, пластичная и песок средней крупности, водоупором служит суглинок с гравием, галькой, мощность горизонта колеблется от 3,2 (скважина № 53) до 4,0 м (скважина № 54). Водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации от 10 до 30 м/сутки. Второй горизонт напорных межпластовых (артезианских) вод вскрыт в скважине № 53. Водоносный слой залегает на глубинах от 4,5 (скважина № 53) до 6,4 м (скажина № 52). Водовмещающей породой является известняк трещиноватый, верхний водоупор – суглинок с гравием, галькой и глина красная, полутвердая, величина избыточного напора 3,0 м. По карте гидроизогипс направление потока – с ю-в на с-з, в западной части участка поток плоский, при движении на восток характер потока меняется на радиальный (расходящийся). Величина гидравлического градиента: Скважины № 53-52 Скважины № 53-50 Скважины № 53-48 Скорость грунтового потока (кажущаяся): Примем коэффициент фильтрации k = 20 м/сут. Скорость грунтового потока (действительная): , где n = 0,4 д. ед. – пористость водовмещающих пород (песок средней крупности). 2.5. Химический состав подземных вод и оценка агрессивности воды по отношению к бетону Выражение результатов анализа в различных формах Ионы Содержание, мг/л Эквивалентное содержание Эквивалентная масса мг·экв (%-экв) Катионы Na+ Mg2+ Ca2+ 41 21 50 1,78 1,75 2,5 30 29 41 23,0 12,0 20,0 Сумма катионов 112 6,03 100% - Анионы Cl- SO4 2- HCO3 - 54 195 55 1,54 4,06 0,9 24 62 14 35,0 48,0 61,0 Сумма анионов 304 6,5 100% - Общая сумма 416 12,53 Химическая формула воды ˚ Вода пресная, сульфато-кальциево-натриево-магниевая, агрессивная по водородному показателю и бикарбонатной щелочности (по данным таблицы). Оценка качества воды по отношению к бетону Показатель агрессивности среды (воды) Для сильно- и средне фильтрующихся грунтов К ≥ 0,1 м/сут Для слабофильтрующихся грунтов К ≤ 0,1 м/сут Бикарбонатная щелочность HCO3 - , мг/л > 85,4 Не нормируется Водородный показатель рН > 6,5 > 5 Содержание магнезиальных солей в пересчете Mg2+- , мг/л ≤ 1000 ≤ 2000 Содержание едких щелочей в пересчете на ионы К+ и Na+ , мг/л ≤ 50 (для напорных сооружений) ≤ 80 Содержание сульфатов в пересчете на ионы SO4 2- , мг/л < 250 < 300 В качестве методов защиты сооружений от коррозии рекомендуется использовать пуццолановый цемент. По СП 11-105-97 по гидрогеологическим факторам участок имеет II категорию сложности.