Морозное пучение
Морозное пучение. Под морозным пучением понимается процесс увеличения объема тонкодисперсных пород при промерзании, которое связано с расширением содержащейся в них воды (почти на 9-11%) и выделением льда. Наиболее интенсивно пучение проявляется в глинистых пылеватых и сильно пылеватых породах четвертичного возраста, т.е. в породах малой и сравнительно малой степени литификации. Такие породы в инженерной практике часто называют “пучинистыми
В целом морозное пучение пород определяется их дисперсностью, гранулометрическим и минеральным составом, исходной влажностью и плотностью, составом обменных катионов, уровня грунтовых вод, внешней нагрузки, температуры, скорости и глубины промерзания
Действие сил морозного пучения на фундамент
Силы морозного пучения действуют не только на подошву фундамента, но и на его боковые стенки, так как увеличение грунта в объёме происходит вокруг всего фундамента, а не только под его подошвой.
Следовательно, вся сила морозного пучения грунта раскладывается на две составляющие:
Вертикальная и касательная силы морозного пучения грунта
нормальная (вертикальная) сила морозного пучения, действующая на горизонтальную подошву фундамента;
касательная сила морозного пучения, действующая на вертикальные стенки фундамента.
Грунт, находящийся вокруг фундамента, зимой примерзает к его подошве и стенкам. Двигаясь вверх, грунт тянет за собой и весь фундамент.
По мере заглубления фундамента нормальная (вертикальная) сила морозного пучения, действующая на горизонтальную подошву фундамента, уменьшается.
Но, одновременно с тем, увеличивается в размерах и боковая (вертикальная) стенка фундамента, а значит, действующая на неё касательная сила морозного пучения также возрастает.
Причем, сила эта может быть настолько велика (достигать 5-7 тонн на квадратный метр), что способна практически выдавить из грунта фундамент дома, выполненного из легких конструкций, вес которых слишком мал, чтобы противодействовать этим силам.
Следовательно, заглубление фундамента малоэтажного дома на глубину, ниже промерзания грунта, вовсе не гарантирует его устойчивость к силам морозного пучения: не будет вертикальной силы, действующей на подошву, зато многократно увеличится касательная сила, действующая на стенку
Основные методы защиты
Существующие варианты защиты можно условно разделить на три группы:
Предварительные;
Технически реализуемые;
Используемые в процессе эксплуатации объекта.
Методы защиты от морозного пучения, относящиеся к первой группе, включают обязательное предварительное проведение инженерно-геологических изысканий на требуемую глубину, благодаря которому проектировщики получают необходимую информацию:
Тип грунта в месте предстоящего строительства и его склонность к пучению;
Глубина промерзания;
Уровень залегания подпочвенных вод;
Среднемесячные температуры;
Толщина снежного покрова;
Оптимальная ориентация объекта по сторонам света.
Всё это позволяет ответить на вопрос о принципиальной возможности строительства проектируемого объекта на данном участке, выбрать нужный тип фундамента и оптимальные технологии защиты строения от негативного влияния сил, создаваемых морозным пучением.
Технические варианты защиты сваи от морозного пучения
Полная или частичная замена имеющегося грунта на непучинистый в месте выполнения строительных работ(позволяет равномерно распределить на грунт общую массу строения;, минимизировать отрицательное воздействие на его подошву вертикальных выталкивающих сил, возникающих в результате морозного пучения)
Изготовление монолитного фундамента, имеющего уширение в нижней части конструкции(использование полноценного арматурного каркаса по всей его глубине (высоте) и длине. Это обеспечивает жёсткость и монолитность конструкции на всех участках. Для предотвращения выдавливания силами пучения, действующими на основание фундамента, последнее выполняется в форме трапеции (с нижним уширением). То есть здесь формируется площадка – анкер, исключающая возникновение подобной ситуации.)
Заглубление подошвы фундамента ниже уровня промерзания(принимается при возведении свайных и свайно-винтовых фундаментов и позволяет полностью исключить влияние выталкивающих сил морозного пучения, но существенно увеличивает поверхность, на которую влияют ПКН.)
Выполнение дренажных работ(Удаление влаги будет способствовать снижению показателя пучинистости и, соответственно, величины сил, негативно влияющих на фундамент)
Обустройство плитного фундамента
Утяжеление возводимой постройки(увеличение массы постройки до значений, которые нагружают фундамент с силой, превышающей выдавливающую, которую создают пучинистые грунты при замерзании.)
Утепление свайного фундамента снаружи на пучинистых грунтах( По всему периметру строящегося здания проводится выемка грунта на расстоянии, равном глубине промерзания в месте ведения строительства. Глубина выбирается с таким расчётом, чтобы уложенный утеплитель можно было засыпать сверху слоем непучинистого грунта толщиной ≥ 200 мм. И выполнить под него песчаную подушку не менее 100 мм.)
Методы, реализуемые в процессе эксплуатации
Круглогодичное отопление объекта
Средние температуры грунта под отапливаемым зданием ~ на 20% выше фиксируемых под неотапливаемым объектом, что способствует значительному снижению показателя пучинистости.
В качестве дополнительного способа может применяться рыхление грунта на глубину свыше 350 мм, с его последующим боронованием на 150 мм. Теплоизоляционные свойства такого грунта повышаются. В качестве дополнительного слоя утепления можно учитывать снеговой покров.
Сохранение основания в постоянно промёрзшем состоянии
При строительстве в зоне вечной мерзлоты принимаются меры для сохранения грунта в замороженном состоянии на протяжении всего периода эксплуатации. Для этого строительство ведётся на свайных фунда
По степени сложности геолого-гидрогеологических условий МПВ
подразделяются на четыре группы
Группа I - месторождения с простыми гидрогеологическими и геохимическими условиями, со спокойным залеганием водоносных горизонто в, выдержанных по мощности, строению и фильтрационным свойствам водоносных бассейнов, конусов выноса предгорных шлейфов и межгорных впадин, частично надморенных и межморенныхводно ледниковых отложений, а также расположенные в речных долинах, при условии обеспеченного восполнения ЭЗ за счет поверхностных вод.
Группа II - месторождения со сложными гидрогеологическими условиями вследствие невыдержанности мощности, строения или фильмтрационных свойств водовмещающих пород при простых гидрогеохимияческих условиях (в артезианских бассейнах, связанных с водоносными горизонтами трещиноватых пород, в надморенных и межморенныхводноледниковых отложениях невыдержанной мощности и неоднородных по фильтрационным свойствам водовмещающих пород и др.);
- месторождения со сложными гидрогеохимическими условиями, характерными для многих месторождений в песчаных массивах пустынь, полупустынь и артезианских бассейнах.
К этой же группе относятся месторождения, ЭЗ ПВ в которых периодически восполняются за счет поверхностных вод, в ограниченных по площади структурах или массивных трещинных и трещинно-карстовых пород.
Группа III - месторождения с очень сложнымигидрогеологически-
ми условиями вследствие высокой изменчивости мощности и строения водоносных горизонтов и фильтрационных свойств водовмещающих пород месторождения в краевых частях артезианских бассейнов платформенного типа с неявно выраженными источниками формирования ЭЗ ПВ;
- с ограниченным распространением водоносных горизонтов - месторождения трещинно-карстовых и трещинно-жильных вод, не связанные с поверхностными водами, сквозных таликов в областях развития ММП;
- с весьма сложными гидрогеохимическими условиями. К этой же группе относятся месторождения питьевых и технических вод, эффективная разработка которых возможна только при искусственномподпитывании водозаборов (горизонтальных и лучевых), когда при их разведке необходимо строительства разведочно-экспериментального водозабора.
Группа IV - месторождения или участки недр с исключительно сложными геологическим строением, гидрогеологическими, газогидрохимическими и горно-геологическими условиями. Характеризуются резкойизменчивостью распространения в плане и разрезе коллекторов трещиноватых зон в породах различного генезиса. Источники формирования запасов не могут быть определены достоверно. Количественные прогнозы расходов, уровней, качества, температуры могут быть выполнены по даннымдлительных выпусков (откачек) или опытно-промышленной эксплуатации.4-я группа выделяется для месторождений или участков недр минеральных подземных вод, приуроченных к зонам обводненных разломов.
При этом необходимо учесть, что отнесение месторождения или участка к той или иной группе требуют обоснования в каждом конкретномслучае.
2. Факторы, процессы и обстановки формирования состава подземных вод. Химические анализы природных вод. Макро - и микрокомпоненты, газы, органические вещества и микрофлора в подземных водах. Современные методы изучения состава воды: ВЭЖХ; ИСП-МС.
Факторы:
1. физико-географические (рельеф, гидрология, климат, седиментация, выветривание),
2. геотермические (термальные воды содержат кремнекислоту выпадающую при остывании раствора, температура определяет фазовое состояние воды, вязкость и плотность),
3. геологические (геол. строение, тектоника, состав горных пород, магматизм, газы),
4, гидрогеологические,
5. физические факторы давление, время пространство (от давления зависит темп водообмена и миграция газа, пространство – площадь и глубина рассеяния гидрогеологической структуры.
6. микробиологические
7. искусственные факторы – созданные человеком (плотины каналы) и др..
Процессы, переводящие вещество в раствор:
гидролиз — это реакция взаимодействия минералов с продуктами диссоциации воды.
Выщелачивание и растворение. Выщелачивание - процесс перехода в раствор какого-либо элемента из минерала без нарушения его кристаллической решетки, а растворение — переход всех элементов, входящих в состав минерала, с разрушением кристаллической решетки. Выщелачивание горных пород, сопровождается другими процессами, из которых необходимо отметить смешение вод, выпадение солей, концентрирование, диффузию (перераспределение вещества в неподвижной среде, приводящее к выравниванию концентрации раствора), микробиологические процессы.
Смешение вод с различной общей минерализацией и неодинаковым хим. составом имеет широкое распространение. Преобладающее количество типов природных вод по существу являются сложными смесями вод различного генезиса и состава.
Обстановки формирования состава п.в.
1) Грунтовые воды. Формирование состава зависит от физики-географических факторов, протекают процессы: а) в условиях гумидного климата преобладает выщелачивание (растворение); б) в аридных условиях – протекают процессы континентального засоления происходит фильтрационный массоперенос, гидролиз(вещество в раствор — это реакция взаимодействия минералов с продуктами диссоциации воды). В аридном климате континентальное засоление происходит стадийно:1) повышениеминерализации, 2) происходит выщелачивание почв и горных пород 3) обменно-сорбционные (реакция подземных вод с почвами). Выщелачивание (процесс перехода в раствор какого-либо элемента из минерала без нарушения его кристаллической решетки, а растворение — переход всех элементов, входящих в состав минерала, с разрушением кристаллической решетки.).
2) Напорные воды. А) пластовые воды. Происходит диффузия (перераспределение вещества в неподвижной среде, приводящее к выравниванию концентрации раствора). Термодинамические обстановки связанны с давлением (с растворимостью газа), а температура на развитие микроорганизмов. В условиях затрудненного водообмена. Б) трещинно-жильные воды в разломах. По составу эти воды очень разнообразны от ультраосновных до рассолов. Также меняется рН от 2,5 до 11 и по температуре обычные и термальные
3) Подземные воды под морями и океанами. Рассматривают континентально-субаквальные бассейны, когда пресные воды поступают с континента и разгружаются в акватории морей. 1) Воды гидрокарбонатного состава. 2) Иловые воды. 3) В зоне раздвижения выходят ювенильные воды (подземные воды эндогенного происхождения, поступающие из глубин в подземную гидросферу) сt=300-350°, там же образуются черные курильщики, которые выбрасывают большое количество химическихэлементов.
4) Подземные воды в областях многолетней мерзлоты. В системе вода – мерзлые породы происходит:
1) Вымораживание подземных вод в деятельном слое,
2) Между льдом и растворимом происходит перераспределение солей, т.е. там выпадает в осадок (NaCl, MgCl, CaCl) при оттаивание наледи сульфаты и гидрокарбонаты труднее переходят в раствор в результате образуются корки трудно растворимых солей, минерализация воды становится ниже исходной при многократном оттаивание и промерзании меняется последовательность ряда выщелачивания.
Химические анализы подземных вод:
Анализ нестойких компонентов (компоненты, изменяющие свой состав во времени). Производство анализа осуществляется у водопункта. Нестойкие газы: кислород, СО2, Н2, СН4. растворенное в воде – Fe++ соприкасается с кислородом – Fe+++,Eh, рН.
ОГП: 1,5 л. Определяются общие геохимические показатели воды.
МК: 1,5 л. Определяются микрокомпоненты.
Специальный анализ: изучение содержания радиоактивных элементов. Необоримоеколичествоводы на уран – 0,5 л, на радий – 1,0 л, радон – 0,10 л (определяется в полевых лабораториях с помощью прибора эманометра). Бак. анализ: 0,7 л. санитарно-эпидемиологической службой. не должно пройти 1-4 часа.
Макрокомпоненты (главные компоненты) включают преобладающие элементы и комплексные соединения, составляющие основу п.в.
Главные анионы: Хлор - высокая миграционная способность, не образует труднорастворимых соединений (NaCl; MgCl2). С ростом минерализации растет содержание хлора.
Сульфаты (SO4): средняя миграционная способность.
Гидрокарбонаты (HCO3) преобладает при минерализации до 0,5 г/л. При повышении М количество HCO3снижается. HCO3 характерен для пресных вод.
Катионы:Натрий: с ростом минерализации содержание натрия увеличивается.
Кальций - биологически активен, легко сорбируется (глинами, торфом, илами и живыми организмами).
Магний: распространён во всех типах подземных вод. Ведущим является только в пресных водах.
Микрокомпоненты- В природных водах определяется до 80 химических элементов. Химических элементовсодержание которых менее 10 мг/л называются микрокомпонентами. микрокомпоненты (Fe, Cu, Zn, Pb, Al, Be, Mo, и др.) должны обязательно определяться в пресной питьевой воде. Многие типы минеральных вод оказывают на организм человека лечебное воздействие именно благодаря содержанию в этих водах биологически активных микрокомпонентов (Fe, Br, I).
Газы в подземных водах: являются кислород (О2), сероводород (H2S), водород (Н2), метан (СН4), тяжелые углеводороды, азот (N2) и благородные газы. Газы в п.в. находятся как в растворенном состоянии, так и в виде свободных газов. Газы делятся на: воздушного происхождения и мантийного. Кислород имеет атмосферное происхождение, фотосинтез.
Углекислота (СО2) возникает при биохимических и химических процессах, протекающих в толщах горных пород земной коры; выделяется при вулканических и метаморфических процессах.
Сероводород находится в виде растворенного газа, H2S может быть в воде в свободном виде. Он восстановитель.
Метан и тяжелые углеводороды образуется в результате разложении органического вещества в нефтегазоносных районах и угольных бассейнах, на болотах и торфяных озерах.
Азот и благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон) являются инертными газами.
Органические компоненты. В подземных водах содержатся все группы органических веществ – углеводы, белки, жиры и все классы химических содержаний – углеводороды, сперты, эфиры, органические кислоты, амины. В гидрогеологии содержание органических веществ оценивается обобщенным показателем – Cорг, т.е. наличие органического углерода. Cорг выражается в мг/л. Максимально органических веществ содержится в морских илах, почвах и подземных водах нефтегазовых месторождений и горных породах.
Микроорганизмы.Различают бактерии аэробные и анаэробные. Первые живут и развиваются только при наличии свободного кислорода, который используется ими для дыхания. Вторые живут при отсутствии или при ограниченном доступе свободного кислорода и необходимый для них кислород черпают из кислородосодержащих органических соединений (углеводов) или из минеральных солей – нитратов, сульфатов. Аэробные условия характерны для поверхности суши, для речных и озерных водоемов и неглубоких морей. Анаэробная бактериальная деятельность протекает в застойных водных бассейнах ‑ болотах, озерах, лиманах, на дне глубоких морей и в толще осадочных пород ниже зоны аэрации.
ВЭЖХ – один из эффективных методов разделения сложных смесей веществ, широко применяемый как в аналитической химии, так и в химической технологии. Основой хроматографического разделения является участие компонентов разделяемой смеси в сложной системе Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий (преимущественно межмолекулярных) на границе раздела фаз. Как способ анализа, ВЭЖХ входит в состав группы методов, которая, ввиду сложности исследуемых объектов, включает предварительное разделение исходной сложной смеси на относительно простые. Полученные простые смеси анализируются затем обычными физико-химическими методами или специальными методами, созданными для хроматографии.
Принцип жидкостной хроматографии состоит в разделении компонентов смеси, основанном на различии в равновесном распределении их между двумя несмешивающимися фазами, одна из которых неподвижна, а другая подвижна (элюент).
Отличительной особенностью ВЭЖХ является использование высокого давления (до 400 бар) и мелкозернистых сорбентов (обычно 3—5 мкм, сейчас до 1,8 мкм). Это позволяет разделять сложные смеси веществ быстро и полно (среднее время анализа от 3 до 30 мин).
Метод ВЭЖХ находит широкое применение в таких областях, как химия, нефтехимия, биология, биотехнология, медицина, пищевая промышленность, охрана окружающей среды, производство лекарственных препаратов и во многих других.