Подземные (грунтовые) воды

Наука, изучающая подземные воды, их движение, свойства и состав, называется гидрогеологией.

Наличие подземных вод при проходке тоннеля всегда осложняет производство проходческих работ. В зависимости от гидрогеологических условий приток воды в выработку может изменяться в больших пределах: от нескольких кубических метров в час до 2000-2500 м³/ч. Большие водопритоки требуют специальных мер по отводу воды и высокопроизводительного оборудования для ее откачки на поверхность.

В ряде случаев подземные воды изменяют свойства горных пород, Некоторые глины при увлажнении набухают и тяжело разрабатываются. Глинистые сланцы при попадании воды теряют устойчивость. Насыщенные водой пески легко отдают воду при проходке выработки, это требует их предварительного осушения. Тонкозернистые пески с примесью илистых частиц способны удерживать воду и превращаться в плывуны. Проходка в таких условиях очень сложна и требует применения специальных способов.

Подземные воды являются важным фактором, который надо учитывать при проектировании метрополитена — выборе трассы, применении тех или иных конструкций, способах гидроизоляции, составлении проекта организации строительства. При проведении инженерно-геологических изысканий определяют наличие подземных вод, их характер, химический состав, ожидаемые водопритоки лри проходке. Наличие подземных вод в слое породы определяется бурением разведочных скважин. Основными типами подземных вод являются верховодка, грунтовые безнапорные воды и напорные (артезианские) воды.

Верховодкойназывают воду, находящуюся на глубине 2-3 м от поверхности земли над водоупорным слоем. В местах, где водо-упор кончается, верховодка также исчезает, стекая в нижележащие пласты водопроницаемых пород (песков, трещиноватых известняков и др.). В засушливую погоду, а также зимой верховодка обычно исчезает.

Грунтовые воды— это подземные воды, находящиеся выше первого водонепроницаемого слоя пород. Основным источником их образования являются атмосферные осадки. В скважине или в выработке уровень грунтовых вод сохраняется на той глубине, на которой они появились, так как напор в грунтовых водах отсутствует. Верхняя свободная их поверхность называется зеркалом грунтовых вод.

Более глубокие, перекрытые водоупорными пластами водоносные слои (их называют еще водоносными горизонтами) несут межпластовые (напорные) воды. При вскрытии межпластового водоносного горизонта скважиной напорные воды поднимаются в скважине и устанавливаются выше водоупорной кровли водоносного пласта.

Подземные воды, содержащие вредные примеси, которые оказывают разрушающее действие на обделку тоннеля, называют агрессивными.

Основные физико-механические свойства грунтов

Грунт— это обобщенное наименование горных пород, залегающих преимущественно в пределах зоны выветривания Земли и являющихся объектом инженерно-строительной деятельности человека.

По классификации, принятой в Строительных нормах и правилах, грунты разделяются на скальные и нескальные. К скальным грунтам относятся изверженные, метаморфические и осадочные породы с жесткими связями между зернами, залегающие в виде монолитного или трещиноватого массива. К нескальным (рыхлым) относятся грунты: крупнообломочные несцементированные (валунные, галечниковые, гравийные, щебенистые, дресвяные), песчаные (пески разной крупности), глинистые (глины, суглинки), супеси.

По физико-механическим свойствам породы делятся на монолитные, пластичные, сыпучие и плывунные (насыщенные водой сыпучие породы — плывуны).

Физико-механические свойства грунтов (пород) характеризуются рядом показателей; наиболее важные из применяемых в горном деле указаны ниже.

Плотностью породы называют отношение массы твердых частиц к их объему.

Объемная масса породы — это масса единицы объема породы при естественной влажности и пористости. Объемная масса влажной породы зависит от количества содержащейся в ней воды и пористости. Объемная масса влажной породы учитывается в горном деле при расчетах горного давления, давления грунтов на свайное крепление котлованов и др.

Пористость — это суммарный объем всех пор, приходящийся на единицу объема породы. Показатели, характеризующие пористость пород, используют при определении водопроницаемости и сжимаемости пород.

Влажностью называют отношение массы воды, содержащейся в породе, к массе абсолютно сухой породы в процентах.

Сжимаемостью называют способность породы к уменьшению объема под воздействием нагрузки.

Коэффициент фильтрации, являющийся основной характеристикой водопроницаемости пород, равен скорости движения воды через массив. Для различных грунтов коэффициент фильтрации K_фимеет следующие значения, м/сут:

Суглинки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,01-0,1 Супесь. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,10-1 Песок:

пылеватый. . . . . . . . . . . . 0,01-1

мелкозернистый. . . . . . . 1-5

среднезернистый. . . . . . .5-20

крупнозернистый. . . . . . 2.0-50 Гравий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50-150 Галечник. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100-500

Коэффициент фильтрации используют при различных гидрогеологических расчетах (определении притока воды в горные выработки, дебита скважин).

Кроме указанных свойств пород, при решении отдельных строительных вопросов учитывают прочность, твердость, упругость, пластичность, хрупкость, вязкость, разрыхляемость горных пород.

Прочность — это свойство горных пород сопротивляться разрушению под действием внешней нагрузки. Различают прочность при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании и ударе.

Твердостью называют способность горной породы сопротивляться проникновению в нее другого более твердого тела (например, острия пики отбойного молотка). Твердость пород определяют по специальной шкале.

Уцругость — свойство горных пород изменять свою форму или объем под действием внешней нагрузки и возвращаться к первоначальной форме или объему после снятия этой нагрузки.

Пластичность — это свойство горных пород деформироваться без разрушения под действием внешней нагрузки и оставаться в деформированном состоянии после ее снятия.

Хрупкость — свойство горных пород разрушаться под действием ударных нагрузок без заметной остаточной деформации.

Вязкостью называют способность горной породы сопротивляться силам, стремящимся разъединить ее частицы. При горных работах вязкость пород оценивают по сопротивлению, оказываемому породой при отделении части ее от массива.

Разрыхляемость — это увеличение объема горной породы при ее выемке из массива. Разрыхляемость характеризуется коэффициентом разрыхления, представляющим собой отношение объема вынутой породы к первоначальному объему породы в массиве.

Коэффициенты разрыхляемости некоторых горных пород имеют следующие значения.

Песок, супесь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,1-1,2 Растительный грунт, глина, суглинок, гравий 1,2-1,3 Полускальные породы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,3-1,4 Скальные породы:

средней прочности . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,4-1,6

прочные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,6-1,8

очень прочные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,8-2,0

Крепость горных породхарактеризуется их сопротивляемостью различным механическим воздействиям: бурению, отбойке, взрыванию, разработке другими механическими средствами. Крепость пород зависит от многих физико-механических свойств: твердости, вязкости, трещиноватости, хрупкости, упругости. В горном деле принята шкала крепости горных пород, предложенная проф. М. М. Прото дьяконовым. По этой шкале все горные породы в зависимости от коэффициента крепости f_крразделены на десять категорий, причем наиболее крепкие породы (кварциты, базальты и др.), имеющие коэффициент крепости f_кр=20, отнесены к I категории, а наименее крепкие (плывуны, разжиженные грунты), имеющие f_кр=0,3,— к X категории.

В Строительных нормах и правилах, являющихся сводом основных общеобязательных нормативных документов, применяемых в строительстве в нашей стране, принята шкала классификации горных пород, в которой наиболее крепкие породы (с f_кр=20) отнесены к высшей, XI, группе по сложности разработки, а наименее крепкие — к I группе.