Оценка гидрогеологических условий площадки строительства

Федеральное агентство по образованию

Санкт-Петербургский государственный  архитектурно-строительный университет

 

Кафедра геотехники

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа по дисциплине:

• «Оценка гидрогеологических условий

•  площадки строительства»

 

 

 

 

 

 

 

Студентка группы 1-ПЗ-III

Бакшеева Е.Д.

Преподаватель:

Кислицин Л.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2011

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 территории 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 водонесуших 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 приводил к уменьшению прочностных и деформативных показателей.

Практически все перечисленные  изменения свойств грунтов, вызванные нарушением гидрогеологических условий, могут приводить к дополнительным осадкам грунтовой толщи и деформациям сооружений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Исходные данные

1.1Карта фактического  материала

Масштаб 1:1000

Скважины 15-16-17-18.

Условные обозначения:

 

1.2 Геолого-литологические  колонки опорных скважин

 

Скважина №15

Н=13,8 м.

Геологический индекс	Отметка Подошвы слоя	Глубина залегания слоя, м		Мощность Слоя, м.	Литологическая колонка	Описание пород	Уровни подземных вод
		от	до				Появл	Установ
Р IV	12,1	0	1.7	1.7		Торф	13.2	13.5
(m-l)IV	10.1	1.7	3.7	2.0		Супесь пылевая, с растительными  остатками
lgIII	7.0	3.7	6.8	3.1		Суглинок ленточный, текучий
gIII	4.8	6.8	8.8	2		Суглинок с галькой, гравием  тугопластичный

 

 

Скважина №16

Н=14.6м

Геологический индекс	Отметка подошвы слоя	Глубина залегания слоя, м		Мощность Слоя, м	Литологическая колонка	Описание пород	Уровни подземных вод  с датой замера
		от	до				Появл	Установ
(m-l)IV	12.4	0	2.2	2.2		Супесь пылевая, с растительными  остатками	12.8	12.9
g III	7.5	2.2	7.1	4.9		Суглинок ленточный, текучий.
gIII	6.1	7.1	6.1	1.0		Супесь с гравием, пластичная
gIII	4.6	6.1	7.6	1.5		Суглинок с галькой, гравием  тугопластичный

 

 

Скважина №17

Н=17,0м

Геологический индекс	Отметка подошвы слоя, м	Глубина залегания слоя, м		Мощ- ность слоя	Литологическая колонка	Описание пород	Уровни подземных вод  с датой замера
		от	до				Появл.	Установ.
(m-l)IV	13.2	0	3.8	3.8		Супесь песчаная с гравием.	15.2     10.2	16.0     15.5
Р IV	12,2	3.8	4.8	1.0		Торф
lg III	10.3	4.8	6.7	1.9		Суглинок ленточный, текучий.
gIII	8.1	6.7	8.9	2.2		Супесь пылеватая с  гнездами песка, гравием, пластичная.
gIII	5.0	8.9	12.0	3.1		Суглинок с галькой, гравием  тугопластичный

 

 

 

 

Скважина №18

Н=16.9м

Геологический индекс	Отметка подошвы слоя, м	Глубина залегания слоя, м		Мощность Слоя, м	Литологичиская колонка	Описание пород	Уровни подземных вод  с датой замера
		от	до				Появл.	Установ
(m-l)IV	12.2	0	4.7	4.7		Песок пылеват., рыхлый ,с глубины 1,4 м. – в-нас.	15.5	15.7
lgIII	10.8	4.7	6.1	1.4		Суглинок ленточный, мягко пластичный
g III	9.5	6.1	7.4	1.3		Супесь пылеватая, с гравием, пластичная.
gIII	6.9	7.4	10.0	2,6		Суглинок с гравием, полутвердый

 

 

1.3 Результаты гранулометрического  анализа

Номер участка	Номер скважины	Галька >100	Гравий 10-2	Песчаные				Пылеватые		Глинистые
				2-0,5	0,5-0,25	0,25-0,1	0,1-0,05	0,05-0,01	0,01-0,005
3	17	-	1	2	16	57	11	3	2	6

 

Сведения о гранулометрическом составе грунтов

По данным гранулометрического  анализа для 17скважины это супесь песчанистая с гравием до 1%, для 20 скважины песок разнозернистый, сильно пылеватый.

Номер скважины	Диаметр частиц, мм	<10	<2	<0,5	<0,25	<0,1	<0,05	<0,01	<0,005
17	Содержание фракций, %	100	99	97	81	24	13	8	6

Суммарная кривая гранулометрического  состава 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение действующего (d10) и контролирующего (d60) диаметров

Скважина № 17 d10=0,018 м d60=0,17 м

Определение степени неоднородности грунта.

Формула для определения  степени неоднородности гранулометрического  состава:

Cu= d60/ d10₁₇=0.17/0,018=9,4

В скважине № 17 грунт неоднородный , так как Cu₁₇>3;

Средние значения высоты капиллярного поднятия, коэффициента фильтрации и  радиуса влияния возьмем из таблицы  средних значений, поскольку условия  для использования эмпирических формул не выполнены.

Для скважины № 17

Коэффициент фильтрации k=0,1-0,7 м/сут.

Радиус влияния R=10-20 м.

Высота капиллярного поднятия h_k=0,8-1.5 м.

м1.4 Результаты химического анализа грунтовых вод

Номер скважины	Ca	Mg	K+Na	SO4	Cl	HCO3-	CO2cв	pH
	Мг/л
17	44	27	7	110	36	144	110	5,7

 

 

1.5 Сведения о физико-механических  свойствах грунтов

Значения некоторых показателей  Физико-механических свойств грунтов.

Грунт	Индекс слоя	Плотность, т/м3		Число пластичности lp , д. ед.	Показатели пористости, д. ед.		Модуль деформации Е0 , МПа	Содержание ОВ, %	Степень разложения торфа  D,%
		ρs	ρ		n	e
Песок пылеватый	(m-l)IV	2,65	1,80	-	0,35	0,53	9-12	-
Супесь пылевая с растительными  остатками	(m-l)IV	2,62	1,85	0,06	0,60	1,50	7-15	-
Супесь пылевая	(m-l)IV	2,15	1,72	0,07	0,77	3,44	4-10	-
Суглинок ленточный	lgIII	2,72	1,92	0,16	0,55	0,90	6-12	-
Суглинок с гравием, галькой	gIII	2,70	2,15	0,14	0,31	0,45	20-30	-
Торф верховой, слабо разложившийся	В IV	1.50	0.90	-	0.91	18	0.8	90	15
Песок средней крупности	(m-l)IV	2,65	1,65		0,4	0,66	25-35

ОВ - органическое вещество[%];

ρ - плотность [т/м³];

ρ_s - плотность минеральной части[т/м³];

I_p - число пластичности[д.ед.];разность влажностей, соответствующая двум состояниям грунта: на границе текучести W_L и на границе раскатывания Wp. W_L и Wр определяют по ГОСТ 5180;

n -пористость[д.ед.], это объем пор в единице объема грунта;

e - коэффициент пористости грунта[д.ед];

E - модуль общей деформации[МПа];

D - степень разложения торфа[%], 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

_p=. W_L-Wp

I_u=(W- Wp)/( W_L-Wp)

 

2 Рельеф площадки

Территория рассматриваемого участка представляет собой фрагмент пологой возвышенности в пределах абсолютных отметок от 13,8 до 18,4 м. Максимальный уклон составляет 0,036; минимальный  равен 0,002.

3 Геологическое строение  площадки

В геологическом строении площадки принимают участие следующие  стратиграфо-генетические комплексы:

(m-l)IV - современные морские и озерные нерасчлененные отложения.

Состав: песок пылеватый, рыхлый; супесь пылевая с растительными  остатками, песок среднезернистый  с включениями гравия.

Абсолютные отметки кровли лежат в пределах от 12,1 м (скв. № 15) до 18,4 м (скв. № 21); мощность слоя колеблется от 2 м (скв. № 15) до 4,7 м (скв. № 18).

В пределах слоя вскрыт безнапорный  водоносный горизонт грунтовых вод.

lgIII - верхнечетвертичные озерно-ледниковые отложения.

Состав: суглинок ленточный, супесь пылеватая, суглинок с гравием.

Глубина залегания кровли слоя от 3,7 м (скв. № 15) до 4,8 м (скв. № 17); мощность слоя колеблется от 1,4 м (скв. № 18) до 4,9 м (скв. № 16).

g III - Верхнечетвертичные ледниковые отложения (моренные).

Состав: супесь пылеватая  с гравием, суглинок с гравием  полутвердый, суглинок с галькой  тугопластичный.

Глубина залегания кровли слоя от 6,1 м (скв. № 16) до 8,9 м (скв. № 17); мощность слоя колеблется от 1,0 м (скв. № 16) до 3,1 м (скв. № 17).

В пределах слоя вскрыт (в  скважине № 17) напорный (артезианский) горизонт подземных вод. Величина напора над кровлей 5,8 м.

P IV - торф.

Состав: торф.

Глубина залегания кровли слоя от 3,8м (скв.№17) до 0м. (скв.№15)

Мощность слоя колеблется от 1,0м. (скв.№17) до 1,7м. (скв.№15).

В пределах слоя вскрыт безнапорный  водоносный горизонт грунтовых вод.

 

2.4 Гидрогеологическое строение  площадки

В пределах площадки буровыми скважинами вскрыты два водоносных горизонта:

Первый от поверхности  горизонт грунтовых вод залегает на глубинах от 0,3 м (скв. № 15) до 1,7 м (скв. № 18,16) (от дневной поверхности) и приурочен к первому стратиграфо-генетическому комплексу: современные морские и озерные нерасчлененные отложения. Водовмещающими являются пески различной крупности (m-l)IV, супеси(m-l)IV и торф B IV, водоупорами служат суглинок слоистый и суглинок ленточный, мощность горизонта колеблется от 0,1 м (скв. № 16) до 0,3 м (скв. № 15,17). Водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации от 0.1-0.7 м/сут до 10-30 м/сут.

Второй горизонт напорных межпластовых (артезианских) вод вскрыт в скважине 17 и 20 . Водовмещающей  породой является пылеватая супесь с гнездами песка, верхний водоупор суглинки , нижний водоупор суглинки с наличием гальки величина избыточного напора над кровлей 5,8 - 6,1 м.

2.5 Химический состав грунтовых  вод и оценка агрессивности  воды

Химический состав грунтовых  вод изучен по пробам, отобранным в  скважинах № 17 и № 20.

Далее приводится характеристика химического состава воды, формула  Курлова, устанавливаются виды агрессивности  воды по отношению к бетонам.

 

Пробы скважины 17

Ионы		Содержание мг/л	Эквивалентное содержание		Эквивалентная масса
			мг - экв	% - экв
катионы	Ca2+	44	2,15	48,9	20,4
	Mg2+	27	2,22	50,5	12,16
	K++Na+	7	0,3	0,6	23,0
Сумма катионов		78	4,4	100
анионы	SO42-	110	2,3	42	48,03
	Cl-	36	1,02	18,5	35,46
	HCO3-	134	2,2	39,5	61,01
Сумма анионов		280	5,52	100
Общая сумма		358	9,92

 

рН=5,7 - среда кислотная

Химическая формула воды Курлова.

 

Вода сульфатно-бикарбонатно -хлоридно- магниево- кальциевая , пресная, агрессивная по водородному показателю.

 

Пробы скважины 20

Ионы		Содержание мг/л	Эквивалентное содержание		Эквивалентная масса
			мг - экв	% - экв
катионы	Ca2+	116	5,7	49,6	20,4
	Mg2+	35	2,9	25,4	12,16
	K++Na+	35	2,9	25,4	23,0
Сумма катионов		186	11,5	100
анионы	SO42-	273	5,7	55,6	48,03
	Cl-	38	1,1	10,4	35,46
	HCO3-	207	3,4	36	61,01
Сумма анионов		518	10,2	100
Общая сумма		704

 

рН=6,8 - среда слабо кислотная

Химическая формула воды Курлова.

Вода сульфатно- бикарбонатно -хлоридно-кальциево-магниево-натриевая, пресная, агрессивная по сульфатному показателю.

 

Оценка качества воды по отношению к бетону

Показатель агрессивности  среды (воды)	Для сильно- и среднефильтрующих грунтов k>0,1 м/сут	Для слабофильтрующих грунтов k<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 солей  в пересчете на ионы K+ и Na+ мг/л	<50 (для напорных сооружений)	<80
Содержание сульфатов  в пересчете на ионы SO42- мг/л	<250	<300

 

Грунтовые воды, как показал  химический анализ проб, являются неагрессивными по отношению к бетону по вышеперечисленным  параметрам, но отличаются по химическому  составу.

Гидравлический градиент

i=ΔH/l; i=0,2/10=0,02

Перепад между соседними  изогипсами

ΔH=0,1 м; кратчайшее расстояние между ними l=4 м

Кажущая скорость грунтового потока

V=k*i=10*0,02=0,2 м/сут;

k=10 м/сут - коэффициент фильтрации для крупного песка.

V _g=V/n=0,2/0,66=0,3 м/сут; n-пористость грунта

Карта гидроизогипс

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Гидрогеологические расчёты притоков воды при cтроительном водопонижении

3.1 Расчёт притока воды  к совершенным выработкам (котлован)

Так как коэффициент фильтрации 0,7,  k>0,1, то воду из котлована откачиваем насосом (принудительный дренаж).

Исходные данные:

Глубина котлована h_к=4,4 м.

Длина котлована l=100 м.

Ширина котлована b=2 м.

Характер потока из соотношения  сторон выемки является плоским( длинный, узкий котлован)

Эквивалентный радиус колодца  r_э= , r_э= =25 м.

Глубина залегания грунтовых  вод h_w=1,5 м.

Коэффициент фильтрации k=0,7 м/сут.

Табличный и начальный  радиусы влияния:

R_табл. =10

S=H=3.1

 R= м.

Расчет притока воды в  котлован:

м³/сут

Q=70.6 м³/сут

 

 

 

 

 

3.2 Расчёт притока воды  к несовершенным выработкам (траншея)

 

Так как коэффициент фильтрации 1,   k>0,1, то воду из траншеи откачиваем насосом (принудительный дренаж).

Исходные данные

Глубина траншеи h_тр=2 м.

Длина траншеи l=100 м.

Глубина залегания грунтовых  вод h_w=0.3 м.

Коэффициент фильтрации k=1 м/сут.

Табличный и начальный  радиусы влияния:

R= м,

 

Заглубление траншеи в  водоносный горизонт t=0,1 м.

Мощность водоносного  горизонта Н=0,2 м.

=H-t=0,1 м.

 

Расчет притока воды в  траншею:

Начало откачки:

 

4. Прогноз последствий  водопонижения

 

4.1 Оценка возможности  развития суффозионного процесса

 

В условиях развития воронки  депрессии вокруг горной выработки  резко возрастает уклон поверхности  потока, особенно в начальный период неустановившегося движения. В результате возрастает опасность развития суффозии.

Суффозионный процесс (вынос) связан с нисходящим потоком подземных  вод в толще неоднородного  грунта или на контакте различных  по водопроницаемости грунтов.

Наиболее полно возможность  суффозионного выноса устанавливается  по графику В. С. Истоминой.

Координаты точки, наносимой  на график, определяют:

С_u - по данным кривой гранулометрического состава;

i - по формуле i = S/0,33R, где S = h₁ - h₂ -разность мощностей водоносного слоя до и после водопонижения, м.

R = l - путь фильтрации, равный радиусу влияния, м; 0,33 - коэффициент, ограничивающий значимый путь фильтрации областью, прилегающей к стенке котлована (траншеи).

В зависимости от того, в  какую область графика (разрушающих  или неразрушающих градиентов) попадает точка, делают вывод о возможности  суффозионного выноса. Последствиями  суффозионного выноса могут быть обрушение стенок котлована (траншеи), проседание поверхности земли над  трубопроводом и вблизи колодцев - за счет выноса тонких фракций грунта и его разуплотнения; изменение  свойств песков, используемых для  обратной засыпки траншей, пазух  колодцев и дренажной сети - за счет вмывания тонких фракций (заиления), что  может привести к изменению степени  пучинистости грунта, выходу из строя дренажной системы и др.

1. При R_табл

i₁₇=S₁₇/0,33R₁₇=3.1/0,33*10=0,94

При R=

i₁₇=S₁₇/0,33R₁₇=3.1/0,33*9.13=0,03

 

4.2 Прогноз оседания поверхности  земли при снижении уровня  грунтовых вод

 

Откачки воды со значительными  понижениями могут вызвать оседание поверхности вокруг котлованов за счёт изменения веса грунта в осушенной  зоне!

Понижение уровня грунтовых  вод вызывает увеличение давления грунта от собственного веса. Величина связанной  с этим осадки зависит от глубины  водопонижения и сжимаемости  грунта.

Предварительный расчет осадки территории можно произвести по формуле:

гр = (∆g ´ S_w² ) / 2E₀

∆g=g-g_sb;

 

g - удельный вес грунта, кН/м³

 

g_sb=(g_s-g_w)(1-n)

g_sb - удельный вес грунта в условиях взвешивания, кН/м³

g_w - удельный вес воды, кН/м³

n - пористость, д. ед.

S_w - величина водопонижения, м

Е - модуль общей деформации, к Па

S_w=7.75 м

g=18,5 кН/м³

g_s =26,2 кН/м³

 

g_sb=(26,2 - 10)(1 - 0,6) = 6,48 кН/м³

∆g = 18,5 - 6,48 = 12,02 кН/м³

Sгр = (12,02 ´ 7.75² ) / (2´15000) = 0,024 м = 24 мм

 

Осадка поверхности минимальна.

 

 

 

4.3 Прогноз воздействия  напорных вод на дно котлована

 

 

В случае, если на площадке строительства выявлен напорный горизонт, необходимо проверить устойчивость грунтов в основании котлована. Возможны три варианта:

р_изб<р_гр - дно выработки устойчиво;

р_изб=р_гр - подъем дна котлована за счет разуплотнения грунта в его основании;

р_изб>р_гр - прорыв напорных вод в котлован, где р_изб=g_wН_w, p_гр=gh_гр

g_w=10 кН/м³ - удельный вес воды;

Скважина 17.

Н_w= 5,8 м - избыточный напор над кровлей;

g=16,5 кН/м³ - удельный вес грунта (суглинок ленточный);

h_гр = 1,9 м