6.4.2 Изменения показателей механических свойств грунтов

при подтоплении

Повышение уровня грунтовых вод вызывает увеличение влажности, ослабление межагрегатных связей, что, в свою очередь, ведет к изменению консистенции грунтов до текучей, снижению угла внутреннего трения и удельного сцепления, изменению сжимаемости грунтов. В результате развития этих процессов могут происходить неравномерные деформации зданий и сооружений [86, 106 и др.].

Изучая процесс подтопления, важно установить форму, направление и скорость подъема уровня грунтовых вод [86]. Равномерный характер подъема, как правило, вызывает равномерную осадку сооружения, которая в допустимых пределах не представляет опасности для эксплуатации. Опасность проявления неравномерных осадок возникает в случаях образования водных куполов, а также при фронтальном движении грунтовых вод, горизонт которых занимает более высокое положение по отношению к отметке подошвы фундамента. В случае купольной формы подъема грунтовых вод часть здания может оказаться расположенной над незамоченной толщей грунтов. При этом может возникнуть неравномерность осадок различных частей зданий. Аналогичное явление встречается в случае фронтального характера подъема уровня грунтовых вод.

Нормативными документами [120] при проектировании оснований, сложенных не полностью водонасыщенными (S_r<0,8) глинистыми грунтами, рекомендуется учитывать возможность снижения их прочностных и деформационных характеристик вследствие повышения влажности грунтов в процессе строительства и эксплуатации.

По характеристикам механических свойств грунтов (углу внутреннего трения – φ, удельному сцеплению – С, модулю деформации Е) и значению расчетного сопротивления R₀ можно судить о несущей способности, деформируемости грунта и возможности использования его в качестве основания фундамента. Явными показателями для этой цели служат модуль деформации Е и расчетное сопротивление R₀. Грунты принято считать малосжимаемыми (а, следовательно, надежными в качестве оснований сооружений), если модуль деформации Е≥20 МПа; среднесжимаемыми – при 20>Е≥5 МПа; сильносжимаемыми, если Е < 5 МПа [12]. Опирать фундаменты на сильносжимаемые грунты (к которым относятся, в том числе, пылевато-глинистые грунты с показателем текучести, превышающем 0,75) небезопасно, и использовать эти грунты в качестве оснований капитальных зданий нормативными документами не допускается [12].

При подтоплении застроенных территорий происходит изменение влажности пород от первых процентов вплоть до полного водонасыщения. Таким образом, их несущая способность может значительно меняться и переходить через критическую отметку.

Анализ нормативных значений модуля деформации и расчетных сопротивлений пылевато-глинистых непросадочных грунтов (таблицы 6.1, 6.2) показывает, что увеличение влажности, а, следовательно, показателя текучести, например, для флювиогляциальных суглинков, от 0 до 75 приводит к уменьшению модуля деформации от 27 до 17, т.е. в 1,7 раза (на 38%). Таким образом, грунт из категории малосжимаемых переходит в категорию среднесжимаемых. С другой стороны, по данным Дзекцера Е.С. [35], после подтопления происходит снижение величины модуля деформации для непросадочных суглинков в 1,5-2,0, по другим данным [24, 86] от 2,0-3,5 до 4-5 раз соответственно. Кроме того, сцепление в этом случае может уменьшиться в 2-2,5 раза, угол внутреннего трения на 10-15 % [24].

Расчетное сопротивление, например, суглинков при коэффициенте пористости 0,7 при изменении показателя текучести от 0 до 1 уменьшается от 250 до 180 кПа, т.е. в 1,4 раза (28%) (таблица 6.2). Для песчаных грунтов, например, песков плотных пылеватых, при изменении их состояния от маловлажного до насыщенного водой, расчетное сопротивление уменьшается в два раза (таблица 6.3).

Таблица 6.1 – Нормативные значения модуля деформации пылевато-глинистых нелессовых грунтов (из СНиП 2.02.01-83 с сокращениями)

Таблица 6.2 – Расчетные сопротивления R₀ пылевато-глинистых (непросадочных) грунтов (из СНиП 2.02.01-83 с сокращениями)

Таблица 6.3 – Расчетные сопротивления R₀ песчаных грунтов (из СНиП 2.02.01-83 с сокращениями)

Маковецкий О.А. приводит следующие данные, полученные при изучении четвертичных пылевато-глинистые грунтов тугопластичной и полутвердой консистенции мощностью 6-12 м (г. Пермь) [76]. В ходе эксплуатации зданий происходили интенсивные протечки на вводах водонесущих коммуникаций, а, следовательно, затопление подвалов и технических подполий. Грунты, залегающие в основании зданий, приобрели мягко- и текучепластичную консистенцию. Это привело к значительному, а главное неравномерному снижению прочности и деформационных характеристик: модуля деформации грунта на 35-40 %, удельного сцепления на 40-60 % (таблица 6.4).

Таблица 6.4 – Изменение характеристик грунтов в ходе подтопления [76]

Изменения физико-механических свойств грунтов при подтоплении исследовались на территориях различных городов России. Данные, приведенные в таблице 6.5, однозначно свидетельствуют об уменьшении несущей способности грунтов и увеличении их деформируемости.

С ростом влажности основания также происходит снижение величины расчетного сопротивления сжатию грунтов в пределах 15-20 %, и в результате в ряде точек под зданием оно становится меньше, чем давление на основание от сооружения. Это приводит как к интенсивному развитию абсолютных осадок, так и к очередному увеличению их неравномерности по пятну здания. Существенная неравномерность осадок основания приводит к развитию повреждений в несущих конструкциях зданий.

Таблица 6.5 – Изменения физико-механических свойств грунтов при подтоплении территорий городов России [34]

И.А. Бусел [9] исследовал зависимость изменения основных показателей физико-механических свойств от влажности в том числе моренных супесей и суглинков приповерхностных горизонтов днепровской морены в г. Гомеле. Характерными свойствами этих грунтов являются низкая степень влажности и повышенная пористость. При этом наиболее значительное уменьшение прочностных характеристик происходит в диапазонах изменения степени влажности 0,4-0,5 и 0,6-0,7, причем больше реагирует на изменение влажности удельное сцепление. При полном водонасыщении (S_r=1) при испытаниях под водой существенного уменьшения прочностных и деформационных характеристик не установлено.

Бусел И.А. [9] рекомендует для практического использования ориентировочные значения коэффициента снижения модуля деформации К^Е_ω, представляющего собой отношение Е при природной влажности к Е при прогнозной (в условиях полного водонасыщения):

при S_r = 0,4-0,5 К^Е _ω = 1,7-2,7,

при S_r = 0,6-0,7 К^Е _ω = 1,4-1,6,

при S_r = 0,8-0,9 К^Е _ω = 1,2-1,3.

К^Е _ω увеличивается при повышении влажности и удельных нагрузок на грунт.

6.4.3 Суффозия, поверхностная эрозия и плывуны

Механическая суффозия представляет собой процесс выноса подземными водами мелких частиц из толщи песков [106]. В результате этого происходит разрыхление грунта и его оседание, как от собственного веса, так и от веса зданий и сооружений.

Образование суффозионных деформаций возможно при одновременной реализации следующих трех необходимых условий: присутствия в геологическом разрезе разнозернистых песчаных водонасыщенных пород; гидродинамического воздействия подземных природных или техногенных вод, движущихся со скоростью, достаточной для размыва и выноса этих пород; наличия свободного пространства, в которое может выноситься разрушенный материал [73, 114].

Естественные суффозионные процессы на изучаемой территории развиты незначительно и проявляются, в основном, на участках распространения покровных отложений, приуроченных к моренной равнине. Техногенная суффозия по своей интенсивности превосходит естественную. Она связана, в основном, с двумя видами воздействия на геологическую среду: искусственным обводнением грунтов или их извлечением из массива.

Суффозию вызывают повышенные градиенты напора в фильтрационном потоке, обусловленные изменением гидродинамического режима водоносных горизонтов при утечках из водонесущих коммуникаций, вскрытии водоносных горизонтов выработками, работе дренажных систем. Суффозионный провал может последовать почти сразу же после любого из этих проявлений хозяйственной деятельности, но иногда реакция геологической среды запаздывает на годы и десятилетия [89].

Суффозионные процессы могут активизироваться весной и осенью после выпадения значительного количества атмосферных осадков, что с одной стороны повышает уровни залегания грунтовых вод, а с другой – увеличивает расход воды в ливневой канализации и соответственно объем утечек из нее.

Очень быстро образуются суффозионные провалы при крупных авариях водопроводных систем, когда вода вырывается из труб под большим давлением. Струйный размыв грунта приобретает тогда катастрофический характер, распространяется по всех подземным каналам и сопровождается интенсивным выносом дисперсного материала. Возникающие при этом полости мгновенно обрушаются. Тем не менее, это – не самый опасный вид суффозионного провалообразования, поскольку коммунальные службы быстро реагируют на подобные аварии, устраняя их первопричину.

Гораздо хуже обстоит дело, когда утечка мала, но постоянна. Картина развития суффозионного процесса в этом случае мало отличается от природной, только протекает интенсивнее. Например, суффозионные провалы подобного типа уже несколько лет возобновляются после засыпок на одном и том же месте в начале улицы Садовой, по улицам Трудовой (во дворе домов №№ 3-5) (рисунок 3.11), Речицкое Шоссе (в районе Давыдовского рынка), ул. Советская (во дворе дома № 102) и т.д.

Необходимо отметить, что в ходе строительных работ часто создаются условия благоприятные для протекания суффозии, причем в тех местах, где ее никогда не было. К подобному результату приводит отсыпка песчаных и крупнообломочных грунтов на слабопроницаемые основания, перекапывание глинистых грунтов, создание поверхностей контакта грунта с различными искусственными материалами и многое другое [89].

Главной же причиной развития суффозионных провалов в Гомеле были и остаются утечки из водонесущих коммуникаций (особенно теплопроводных и (или) имеющих большой износ). Высачивание под большим давлением и аварийные прорывы воды из этих коммуникаций постоянно приводят к размыву, разрушению и выносу вмещающих и перекрывающих их дисперсных грунтов (в т.ч. грунтов засыпки) и деформациям расположенных над ними объектов городского хозяйства. Суффозия начинается при весьма низких градиентах фильтрации, всего 0,15-0,01 [34, 89]. Такие градиенты возможны при образовании даже небольших техногенных куполов грунтовых вод, и, следовательно, этот процесс может иметь при подтоплении достаточно широкое распространение в пылеватых, мелкопесчаных породах, супесях пылеватых.

Процесс суффозии может также начаться и в засыпанных больших оврагах, поскольку они продолжают служить, правда, в меньшей мере, естественными дренами.

Суффозия, происходящая в грунтах отсыпки, зачастую приводит к деформациям тротуаров, лестниц, отмосток. Такие явления нами наблюдались по ул. Гайдара, 10; П. Бровки, 17; Советская, 97 (рисунок 6.3) и т.д.

Процесс суффозии изменяет физико-механические свойства грунтов, ведет к их существенному ослаблению. Суффозия представляет собой подземный размыв грунта. Временные же водотоки способствуют размыву грунта на поверхности земли и формированию на склонах мелких и глубоких промоин, перерастающих в овраги. Чем больше уклоны, относительная высота и протяженность склонов, количество стекающей со склонов воды, зависящее от количества, вида, интенсивности и распределения в течение года осадков, тем более интенсивно будут происходить плоскостной смыв и оврагообразование [133]. Утечки воды из водонесущих коммуникаций, проложенных по поверхности, в таких случаях приводят к резкой активизации поверхностной эрозии. Подобное явление имеет место на эрозионном правом берегу реки Сож в районе улиц имени Пушкина и Садовая (Рисунок 3.10), на бортах Лебяжьей канавки (ЦПКиО им. А.В. Луначарского).

Рисунок 6.3 – Деформация ступеней около дома № 97 по улице Советская.

Как упомянуто выше, процесс суффозии начинается при низких гидравлических градиентах. Процессы техногенного подтопления приводят к увеличению гидравлических градиентов в водовмещающих породах, представленных слоями или линзами песков в ледниковых или водноледниковых отложениях. При высоких гидравлических градиентах песчаные грунты могут переходить в плывунное состояние при условии их вскрытия котлованами или горными выработками.

Появление плывунов нами наблюдалось при проходке шурфов во 2-м переулке Крупской; по ул. Балтийской, 32; по Речицкому Шоссе в районе Кургана Славы.

Плывуны на территории города распространены локально. Мощность плывунных пород небольшая. Плывуны могут привести к некоторым осложнениям при отрывке котлованов, прокладывании траншей под линейные коммуникации, проходке горных выработок.

6.4.4 Наложенные процессы подтопления и повышения агрессивности

подземных вод

На урбанизированных территориях происходит совместный процесс – подтопление и приобретение подземными водами агрессивных свойств, т.е. способность разрушать бетон, и другие материалы заглубленных конструкций при химическом воздействии на них. Так, в Гурьеве загрязнение грунтовых вод требует ежегодной перекладки до 20-40 % всех коммуникаций, приходящих в негодность в результате коррозии [13, 39, 87].

Основными показателями агрессивности подземных вод являются: бикарбонатная щелочность, водородный показатель, содержание свободной углекислоты, содержание магнезиальных солей (в пересчете на ион Mg²⁺), содержание едких щелочей (в пересчете на ионы Na⁺, K⁺), содержание сульфатов (в пересчете на ионы SO₄^2-), а также содержание хлоридов, сульфатов, нитратов и др. солей и едких щелочей при наличии испаряющих поверхностей [124 и др.]. В зависимости от опасности условий, в которых происходит агрессия (толщина конструкции, коэффициент фильтрации, напор, сорт цемента) и общей минерализации вода будет обладать выщелачивающей агрессивностью при минимальном содержании НСО₃^- от 0,4 до 1,5 мг-экв/л, общекислотной агрессивностью если величина рН находится в пределах 6,8-5,0, углекислотной агрессивностью при содержании агрессивной СО₂ 3,0-8,3 мг/л, магнезиальной агрессией при содержании иона магния более 750 мг/л, сульфатной агрессией при содержании сульфатов более 250 мг/л [129].

Высокий уровень химической составляющей техногенной нагрузки, выражающийся в сочетании промышленного и коммунально-бытового загрязнения, применения удобрений на приусадебных участках, ливневых стоков и пр., определил сильное общее загрязнение грунтовых вод в пределах города. Характер загрязнения зависит от преобладания в каждом конкретном случае того или иного фактора.

Масштабы химического загрязнения подземных вод на территории г. Гомеля были исследованы сотрудниками Гомельского университета в 1998-99 г.г. Практически на всей территории г. Гомеля свободная гравитационная вода почвогрунтов зоны аэрации и грунтовая вода является в разной степени техногенно-загрязненной. Установлена большая вариация концентраций компонентов химического состава, на некоторых участках изменение естественного геохимического типа воды.

По полученным данным наиболее минерализованы грунтовые воды в микрорайоне Гомсельмаш, в колодцах по ул. 2-я Иногородняя, ул. Танковая и пер. Титинский. Минерализация воды достигает 1,63-3,21 г/л, в макрокомпонентном составе преобладают нитраты (983 мг/л), сульфаты (733 мг/л) и хлориды (482 мг/л).

В д. Мильча поверхностные и грунтовые воды испытывают влияние прилегающих промышленных предприятий. Этот фактор является определяющим в формировании химического состава грунтовой воды. Минерализация ее колеблется в интервале 0,71-1,68 г/л, концентрация сульфатов достигает 548 мг/л, хлоридов – 128 мг/л.

В микрорайоне жилой застройки по ул. Подгорная и ул. Юбилейная грунтовая вода слабощелочная (рН = 8,05-8,50) с минерализацией 0,99-1,94 г/л, загрязнена сульфатами и хлоридами. Компонентный состав родниковой воды по ул. Подгорная отличается низким содержанием хлоридов (35 мг/л) и значительным содержанием нитратов (32 мг/л) и сульфатов (104 мг/л). По данным БелГИИЗа, родники, изливающиеся в пойме р. Сож, имеют близкий компонентный состав и минерализацию воды 0,79-1,34 г/л. В пойме р. Сож в районе Новобелицы зафиксирована грунтовая вода с минерализацией 0,34-1,91 г/л, нейтральной или слабокислой реакции. Высокие содержания хлоридов (209-291 мг/л) и сульфатов (76-89 мг/л) в грунтовой воде отмечены у озера Шапор. В районе завода "Кристалл" содержание этих компонентов-загрязнителей в воде отдельных скважин достигает 450 и 208 мг/л соответственно.

Наиболее часто грунтовая вода на территории г. Гомеля обладает общекислотной (участки Гомсельмаш, западный промузел, Новобелица), углекислотной (пойма р. Сож) и сульфатной (участки Гомсельмаш, Западный промузел, Западный микрорайон) агрессивностью. На этих участках величина рН грунтовой воды понизилась до 6,0. Избыток углекислоты – так называемая агрессивная углекислота – превышает максимально допустимое содержание и составляет 13,2-72,0 мг/л.

6.4.5 Коррозионная активность грунтов

Коррозией металлов называется разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с коррозионной (в данном случае – геологической) средой [28, 127]. Самыми уязвимыми элементами городского хозяйства являются водо-, газо- и нефтетрубопроводы, не оборудованные системами противокоррозионной электрической защиты, металлические оболочки кабелей, сваи, основания антенн и другие металлические конструкции. Корродируют в первую очередь деформированные участки их поверхностей. При взаимодействии металлических и неметаллических конструкций с грунтами возникает подземная коррозия. Причинами подземной коррозии являются [28]: 1) воздействие грунтовой влаги на металлические конструкции, в результате чего возникают коррозионные элементы; 2) явления электролиза, происходящие в грунтах вследствие воздействия блуждающих токов, исходящих от работающих на постоянном токе электроустановок, при наличии вокруг трубопроводов электролита; 3) действие находящихся в грунте микроорганизмов (вызывающих явления биокоррозии). Скорость коррозии в огромной степени определяется коррозионной активностью грунта, которую оценивают тем сроком, по истечении которого на новом трубопроводе возникает первый сквозной питтинг (каверна). Срок его появления в стальном трубопроводе диаметром 300 мм с толщиной стенки 8-9 мм при низкой коррозионной активности превышает 25 лет; при повышенной коррозионной активности он составляет 5-10 лет, а при весьма высокой – всего лишь 1-3 года.

Для характеристики коррозионной активности грунтов по отношению к стали, используют величину их удельного электрического сопротивления. Среднее по величине значение удельного электрического сопротивления, наиболее типичное для песчано-глинистых грунтов, составляет около 40 Ом*м. Между электрическим сопротивлением грунтов и их коррозионной активностью в определенных пределах существует обратная зависимость: чем меньше сопротивление, тем больше возможность коррозии (таблица 6.6).

Таблица 6.6 – Коррозионная активность грунтов по отношению к углеродистой стали в зависимости от их удельного электрического сопротивления [28]

Оценивая коррозионную активность грунтов по отношению к свинцу, необходимо учитывать рН грунта, содержание органических веществ, нитрат-иона (таблица 6.7).

Таблица 6.7– Коррозионная активность грунтов по отношению к свинцовой оболочке кабеля [28]

Коррозионная активность грунтов определяется многими факторами. Наиболее тесные корреляционные связи просматриваются между коррозионной активностью грунтов и их литологическим составом, а также наличием подтопления [86, 113]. Высокая степень коррозионной опасности, при прочих равных условиях, характерна для территорий, сложенных моренными и флювиогляциальными отложениями.

Огромное влияние на коррозионную активность грунтов оказывает их влажность. В сухих грунтах коррозия не наблюдается ввиду отсутствия электролита, необходимого для создания коррозионных элементов.

Единого мнения о влиянии влажности песчаных и глинистых грунтов на интенсивность коррозионных процессов в научной литературе нет. С одной стороны [45], уже при небольшой влажности, когда в грунтах существует только прочносвязанная вода, коррозионные процессы начинают проявляться, хотя скорость коррозии будет незначительной. Дальнейшее увеличение влажности грунта вызывает увеличение скорости коррозии вследствие увеличения интенсивности работы коррозионных элементов и уменьшения их сопротивления в цепи. При увеличении влажности коррозионная активность глинистых грунтов растет медленнее, чем активность песчаных из-за разного количества свободного кислорода в них. Поскольку максимальная скорость коррозии наблюдается при минимальном замедлении как анодного, так и катодного процессов, максимум коррозионной активности достигается в глинистых грунтах при меньших значениях влажности, чем в песчаных. Это происходит потому, что доступ свободного кислорода к корродируемой поверхности при одинаковой влажности легче в песчаных грунтах.

С другой стороны [28], существует мнение, что предельная влажность, обеспечивающая возрастание скорости коррозии до максимальной в связных грунтах составляет 10-12 %, в песках она несколько ниже (по данным В.А. Притулы, 1961).

В наших исследованиях важным является то, что при любой точке зрения при влажности, равной 10-12 %, коррозионная активность грунтов максимальна. При последующем увеличении влажности максимальная скорость коррозии остается практически постоянной до некоторого предела влажности, которым можно считать влажность 20-25 % [28, 127]. При полном насыщении пор водой образуется сплошной слой воды, затрудняющий проникновение воздуха к металлу, и скорость коррозии резко падает. Глина, суглинок, супесь и песок в сухом состоянии могут характеризоваться низкой коррозионной активностью. В других случаях, особенно при наличии блуждающих токов, коррозионная активность меняется от средней до весьма высокой.

Коррозионная активность существенно зависит от химического состава грунтов и, в частности, от наличия и состава водорастворимых соединений [28, 86, 124]. С повышением содержания ионов Cl^- и SO₄^2- (примерно свыше 1 г/л) коррозионная активность грунтов обычно увеличивается: высокому содержанию хлоридов в грунтах почти всегда соответствует интенсивная коррозия металла, в меньшей степени это относится к сульфатам. Большое внимание на коррозионные свойства грунтов оказывает наличие катионов Са²⁺ и Nа⁺. Оба эти катиона влияют на водо- и воздухопроницаемость грунтов и тем самым определяют соотношение жидкой и газообразной компонент в грунтах, под действием которых изменяются коррозионные свойства грунтов. При высоких значениях кислотности (рН 2-3) и щелочности (рН 11-14) грунтов коррозия протекает наиболее интенсивно.

По данным, полученным сотрудниками Гомельского университета в 1998-99 гг., в бассейне р. Рандовка водные вытяжки из почв и грунтов зоны аэрации имеют натриевый тип. Преобладание натрия приводит к диспергации грунтовых частиц и удерживанию жидкой компоненты. На участках химического завода, ТЭЦ-2, на обочинах объездной дороги в свободной воде почвогрунтов концентрация хлоридов и сульфатов более 1 г/л. Эти грунты обладают высокой коррозионной активностью. Следует отметить весьма высокие значения минерализации (14,95 г/л) и концентрации хлоридов (8,86 г/л) и натрия (5,57 г/л) в пробах свободной воды почвогрунтов вблизи ТЭЦ-2. Эквивалентные концентрации ионов хлора и натрия позволяет предположить, что причиной являются хлоридные соли, используемые в зимних условиях при борьбе с обмерзанием дорог.

6.4.6 Морозное пучение грунтов

Опасность от процесса морозного пучения грунтов, приводящего к подъему земной поверхности и деформациям легких зданий и сооружений, проявляются на локальных участках г. Гомеля, сложенных в основном верхнечетвертичными-современными грунтами озерно-болотного происхождения, подстилаемыми супесями и суглинками днепровской морены. В процессе подтопления их влажность может увеличиваться до полной влагоемкости, что приводит к морозному пучению грунтов деятельного слоя [9, 34, 158]. Неглубокое залегание уровня грунтовых вод способствует подтоку влаги к фронту промерзания, что активизирует процесс пучения [133]. Оттаивание таких грунтов сопровождается усадочными деформациями, которые иногда не полностью компенсируют деформации сезонного (зимнего) пучения.

Подобные явления на территории города наблюдаются, например, по второму переулку Крупской, дом 8-А (застройка усадебного типа). Здесь зимой имеет место пучение грунта, в результате чего оголовок колодца приподнимется примерно на 5 см. Дом 74 по ул. Ярославской – в результате промерзания-оттаивания грунтов испытывает сезонные переменные нагрузки, в результате чего происходит разрушение его фундамента. Аналогичная ситуация наблюдается на пересечении улиц Ватутина и Западной и т.д.

Особую опасность этот процесс представляет для фундаментов сооружений и инженерных коммуникаций, заложенных выше подошвы деятельного слоя.