Процесс выветривания

1. Процесс выветривания.

Под процессом выветривания понимают разрушение и изменение состава горных пород, происходящие под воздействием различных агентов, действующих на поверхности земли, среди которых основную роль играют колебания температур, замерзание вод, кислот, щелочей, углекислоты, действие ветра, организмов.

Особенностью процесса выветривания является постепенное и постоянное разрушение верхних слоёв литосферы. В результате этого горные породы и материалы дробятся, изменяют свой химико-минеральный состав.

Воздействие на земную поверхность, на толщи скальных горных пород, процесса выветривания приводит к образованию коры выветривания, которая состоит из видоизменённых выветриванием горных пород и продуктов их разрушения.

По интенсивности воздействия тех или иных агентов выветривания и характеру изменения горных пород принято выделять три вида выветривания: физическое, химическое, биологическое.

Физическое выветривание выражено в механическом дроблении пород без существенного изменения их минерального состава. Породы дробятся в результате колебания температур, замерзания воды, механической силы ветра и ударов давления песчинок, переносимых ветром, кристаллизации солей в капиллярах, давления, которые возникают в процессе роста корней растений и т. д.

Химическое выветривание выражается в разрушении горных пород путём растворения и изменения их состава. Наиболее активными химическими реагентами в этом процессе является вода, кислород, углекислота и органические кислоты.

В породах кроме растворения протекают реакции обмена, замещении, окисления, гидратации и дегидратации. Простейшим видом химического выветривания является растворение в воде.

Биологическое выветривание проявляется в разрушении горных пород в процессе жизнедеятельности живых организмов и растений. Механические разрушения производят растения своей корневой системой, живые организмы, особенно из числа землероев. Растения, животные, микроорганизмы и низшие растения выделяют различные кислоты и соли, которые весьма активно взаимодействуют с горными породами, разрушая их.

Геологическая деятельность ветра. Выражается в разрушении земной поверхности (выдувание, или дефляция, обтачивание, или корразия), перенос продуктов разрушения и отложение (аккумуляция) этих продуктов виде скоплений различной формы.

Выдувание (дефляция) возникает в результате воздействия механической силы ветра. Наиболее ярко этот процесс проявляется в районах, сложенных рыхлыми или мягкими породами. От этих пород отрываются и уносятся частицы.

Корразия Движение ветра часто сопровождается переносом пыли, песка и даже гравия. Ударяясь о твердые породы, они перетирают, сверлят и обтачивают их поверхность. Появляются борозды, желоба, углубления.

Эоловые отложения перенос ветром частиц совершается во взвешенном состоянии (глинистые, пылеватые частицы) или путем перекатывания (песчаные частицы), в зависимости от скорости ветра и размера частиц. При меньшей скорости ветра и других благоприятных условиях происходит отложение переносимого материала (аккумуляция). Так образуется ветровые (эоловые) отложения

Геологическая деятельность атмосферных осадков.

а) Образование наносов. Продукты выветривания пород смываются потоками с возвышенностей на склоны и к их подножию. Со временем в этих местах накапливаются отложения наносов: на склонах и у их подошвы – делювий, в понижениях, примыкающих к склонам, пролювий

б) Образование оврагов. При таянии снегов и дождя на склонах рельефа отдельные струйки образуют временные ручьи. Возникает струйчатая эрозия, что приводит к образованию вытянутых понижений рельефа – оврагов

в) Селевые потоки. Сель представляет собой временные, но бурные грязекаменные потоки, возникающие в горных районах. Сели вызываются дождевыми ливнями или быстрым таянием снегов и ледников в горах. Огромная масса воды устремляется вниз по ущельям, смывая и захватывая по дороге элювий и делювий. В результате водный поток превращается в грязекаменный.

г) Снежные лавины. Это обрушение больших масс снега с крутых гор. На высоких горных хребтах постоянно накапливается снег. Под действием собственной тяжести масса снега, от перегрузки, порыва ветра и даже от звукового колебания воздуха, приходит в движение и обрушивается вниз. Склон протяженностью от 100 до 500 метров и уклоне 30-40о является оптимальным, для формирования лавины

Геологическая деятельность рек. Полноводные реки совершают большую геологическую работу – разрушение горных пород (эрозия), перенос и отложение (аккумуляция) продуктов разрушения. Эрозия осуществляется динамическим воздействием воды на горные породы. Речной поток истирает породы обломками, которые несет вода, да и сами обломки разрушаются и разрушают ложе потока трением при перекатывании. Одновременно вода оказывает на породы растворяющее действие.

Перенос продуктов эрозии осуществляется различными способами: в растворенном виде, во взвешенном состоянии, перекатыванием обломков по дну, сальтацией (подпрыгиванием). До 25-30% всего материала река переносит в растворенном состоянии. Во взвешенном состоянии передвигаются пылевато-глинистые и тонкопесчаные частицы.

При определенных условиях река откладывает обломочный материал. Речные отложения называют аллювиальными. На первой стадии развития река обладает большой скоростью течения из-за того, что дно имеет значительный уклон. Обломочный материал почти весь поступает в морской бассейн. Действует донная эрозия. На второй стадии река вырабатывает равновесный профиль. Река размывает свои берега. Обломочный материал в большей своей части оседает в русле.

Геологическая деятельность моря. Вследствие вертикальных колебаний земной коры моря перемещаются, как бы переливаются с одного места на другое. В одних местах берег отступает, и населенные пункты заметно удаляются от моря. В других море наступает, берег погружается под воду. Геологическая деятельность моря в виде разрушения горных пород, берегов и дна называют абразией. Основную разрушительную работу совершают: морской прибой и в меньшей степени морские течения (прибрежные, донные, приливы и отливы). Волны воздействуют на берег постоянно. Под силой удара морские берега разрушаются, образуются обломки пород, которые подхватываются волнами и «бомбардируют» берега.

Кроме механического разрушения, морская вода оказывает химическое воздействие. Значительное разрушительное воздействие оказывают многие морские растения и организмы. Например, планктон, создавая слой обрастания, может разрушать бетон и камень.

Разрушительная работа течений невелика. Наибольшее значение течения имеют в переносе продуктов разрушения. Во взвешенном состоянии ими транспортируются растворенные вещества и песочно-глинистые частицы. Более крупные частицы и обломки пород особенно при приливно-отливных течениях переносятся в основном волочением по дну.

Геологическая деятельность в озерах, водохранилищах, болотах.

Озера – замкнутые углубления на поверхности земли, заполненные в большинстве своем пресной водой и не имеющие непосредственной связи с морем.

Разрушительная работа озер проявляется в абразивной деятельности волн, нагоняемых ветром. Постоянно дующие в определённых направлениях ветры вызывают волны, которые прибоем подмывают берега. Каждое поднятие или опускание уровня воды в озерах вызывает абразивные процессы. Большое влияние на положение уровня воды оказывает тектоническая деятельность земной коры, а также деятельность человека.

Созидательная работа озер заключается в образовании отложений.

В искусственных водохранилищах так же, как и в морях и озерах, наблюдается абразивная работа вод, здесь она происходит неизмеримо более интенсивно. Это объясняется тем, что речные долины, в которых создают водохранилища, образовались под действием эрозии рек и их профиль не соответствует новым условиям, которые возникают при заполнении водой почти всей долины. Водохранилища стремятся выработать новый профиль берегов, и размыв береговой линии происходит особенно интенсивно.

Избыточно увлажненные участки земной поверхности с развитой на них специфической растительностью называют болотами. Заболоченные земли формируются там, где наблюдается уменьшение водопроводности грунтов или ухудшение условий испарения воды, поверхностного ее стока и подземного дренирования.

Геологическая деятельность ледников. При своём движении лед истирает и вспахивает поверхность земли, создавая котловины, рытвины, борозды. Эта разрушительная работа совершается под действием тяжести льда. В лед вмерзают обломки пород. Наличие трещин благоприятствует проникновению обломков внутрь и в нижнюю часть ледников. Таким способом обломочный материал передвигается вместе с ледником. При движении ледника эти обломки, в свою очередь, оказывают разрушающее действие на поверхность земли.

При таянии льда весь обломочный материал отлагается. Образуются значительные по мощности ледниковые отложения (морены). При таянии ледника образуются постоянные потоки талых вод, которые размывают донную и конечную морены. Вода подхватывает материал размываемых морен, выносит за пределы ледника и откладывает в определенной последовательности. Вблизи границ ледника остаются крупные обломки, дальше осаждаются пески и еще дальше – глинистый материал. При наступлении и отступлении ледника последовательно смещаются зоны накопления материала по его крупности. Если на глины накладываются пески и более крупные обломки, то ледник наступал, продвигался вперед, область оледенения расширялась. Наложение на крупные обломки и пески глинистых осадков говорит о периоде отступления ледника.

Движение горных пород на склонах рельефа местности.

При определенных условиях и под влиянием гравитации, горные породы, слагающие склон, могут прийти в движение. Начинается смещение их вниз по склонам. В результате этого образуются осыпи, курумы, обвалы и оползни

Осыпи. На крутых склонах, особенно в горных районах, активно действует процесс физического выветривания. Породы растрескиваются, и обломки скатываются вниз по склонам до места, где склон выполаживается. Так у подножья склонов образуются валы из накопленных продуктов осыпания – глыб, щебня, более мелкие обломки. Характерной особенностью осыпей является их подвижность. Масса обломков нарастает и находится в рыхлом, весьма неустойчивом положении и приходят в движение за счет увеличения общего веса, сильного увлажнения, подрезки нижней части осыпи дорогами, от землетрясений и даже от более мелких сотрясений, возникающих при работе механизмов или движении транспорта.

Курумы. В результате разрушения скальных пород у подошвы склонов скапливаются крупные обломки и глыбы. По своему местоположению обломки чаще всего тяготеют к пологим склонам, что свойственно ложбинам и днищам долин. Каменные россыпи, или курумы, образуют единую массу глыб от вершины до подошвы склона. Особенность курумов – это их передвижение. Масса обломков, огромных глыб постоянно ползет вниз по склону, так как глыбы лежат на глинисто-суглинистом слое.

Обвалы - это обрушение более или менее крупных масс горных пород с опрокидыванием и дроблением. Обвалы возникают на крутых склонах (более 45-50о) и обрывах естественных форм и рельефа (склоны речных долин, ущелья, побережья морей), а так же в строительных котлованах, траншеях, карьерах. Связаны с трещиноватостью пород, подмывом или подрезкой склонов, избыточным увлажнением пород, перегрузкой обрывов, землетрясениях. В большинстве случаев, обвалы проявляются в периоды дождей, таяния снега, весенних оттепелей.

Оползни – это скользящее смещение горных пород на склонах под действием гравитации при участии поверхностных или подземных вод. Оползни свойственны склонам долин, оврагов, балок, берегам морей, искусственным выемкам. Они разрушают здания и сооружения на самих склонах и ниже их. Для возникновения оползня необходимы определенные условия: высота, крутизна и форма, геологическое строение, свойства пород, гидрогеологические условия.

Крутые склоны (свыше 15о) более подвержены оползням. Оползни свойственны склонам выпуклой и нависающей конфигурации. Типичными оползневыми породами считаются глинистые образования. Подавляющее количество оползней приурочено к выходам подземных вод.

Суффозионные процессы. При фильтрации подземная вода вымывает из пород составляющие их мелкие частицы. Это сопровождается оседанием поверхности земли, образованием провалов, воронок. Этот процесс выноса частиц называется суффозией. Различают два вида суффозии – механическую и химическую. Основной причиной суффозионных явлений следует считать возникновение в подземных водах значительных сил гидродинамического давления. Суффозионные процессы разделяют на два вида – механическую и физическую. При механической фильтрующая вода отрывает от породы и выносит во взвешенном состоянии целые частицы (глинистые пылеватые, песчаные). При химической вода растворяет частицы породы (гипс, соли, карбонаты).

Карстовые процессы. Это процессы выщелачивания водорастворимых горных пород (известняков, доломитов, гипсов) подземными и атмосферными видами осадков и образования в них различных пустот. Для карстового процесса, в отличие от обычной суффозии, главным является растворение пород и вынос из них веществ в растворенном виде.

Возникновение и развитие карста обусловлено способностью пород к полному растворению, наличием проточной воды и степенью ее минерализации, геологическим строением участка, рельефом местности, трещиноватостью пород, характером растительности, климатом.

Плывунами называют рыхлые водонасыщенные породы, обычно пески, которые при вскрытии различными горными выработками разжижаются, приходят в движение и ведут себя подобно тяжелой вязкой жидкости. Основной причиной проявления у пород плывунных свойств является гидродинамическое давление поровой воды, которое создается в результате перепада (градиента) давления грунтовых вод при вскрытии котлована (траншеи и т. д.)

Просадочные явления в горных породах. Лессовые породы представлены суглинками, реже – супесями. По гранулометрическому составу лессовые грунты подразделяют на супеси, суглинки, глины. Просадочность – явление, характерное для многих лессовых пород. Просадка связана с воздействием воды на структуру пород с последующим ее разрушением и уплотнением под весом самой породы или при суммарном давлении собственного веса и веса объекта. Уплотнение пород приводит к опусканию поверхности земли в местах замачивания водой.

Эрозия

Разрушение горных пород реками называют эрозией. Эрозия осуществляется динамическим воздействием воды на горные породы. К тому же речной поток истирает породы обломками, которые несет вода, да и сами обломки разрушаются и разрушают ложе потока трением при перекатывании. Одновременно вода оказывает на горные породы растворяющее действие.

На первой стадии эрозии река углубляет свою долину, вырабатывает определенный продольный профиль, стремясь достигнуть максимальной глубины. Обломочный материал почти весь попадает в морской бассейн. Положение профиля зависит от базиса эрозии, под которым понимают уровень моря или каких-либо других бассейнов, куда впадает река (или прекращает свое движение). Дно реки имеет значительный уклон, поток обладает большой скоростью, интенсивно действует донная эрозия. Такая стадия развития типична для горных, т. е. молодых рек. На первой стадии река достигает своей максимальной глубины

На второй стадии река имеет небольшой уклон, скорость потока падает, глубинная эрозия заменяется боковой. Река размывает свои берега, русло долины блуждает. Долины широкие, пологие Обломочный материал в большей своей части оседает в русле. Такие реки находятся в состоянии старости.

Последовательность стадийного развития рек нарушает движение земной коры, которое меняет высотное положение базиса эрозии или верховьев рек. Опускание базиса или поднятие верховья переводит реку на первую стадию развития. Поднятие базиса или опускание верховья приводит к старению реки.

Борьба с эрозией рек

С боковой эрозией борются укреплением берегов с регулированием течения реки. В зависимости от геологического строения берега, характера и места размыва укрепление проводят устройством набережных, подпорными стенками, свободной наброской бутового камня или в фашинных тюфяках, укладкой железобетонных плит и т. д. Хорошо защищает берег струенаправляющие стенки, дамбы и буны. Подводную часть берега следует укреплять каменной наброской и фашинными тюфяками, загруженными камнями, надводную крепят бетонными армированными плитами, подпорными стенками, камнем в плетневых сетках.

Донная эрозия опасна для опор мостов, поэтому они должны иметь достаточное заглубление, следует учитывать движение льда, т. к. заторы могут вызвать резкий подъем воды. Заторы следует разрушать, а в местах их образования заранее производить обваловывание берегов. Сооружения и берега долины следует защищать от паводковых вод земляными дамбами, отсыпкой камня и другими способами.

Химическая суффозия

При фильтрации подземная вода вымывает из пород составляющие их мелкие частицы. Это сопровождается оседанием поверхности земли, образованием провалов, воронок.

Суффозионные процессы разделяют на два вида – механическую и физическую. При химической вода растворяет частицы породы (гипс, соли, карбонаты).

Основной причиной суффозионных явлений следует считать возникновение в подземных водах значительных сил гидродинамического давления. И превышение некоторой критической скорости воды. Как механическая, так и химическая суффозия активно проявляется вблизи поверхности земли при естественном или искусственном изменении гидродинамических условий – формированием воронок депрессии, колебание уровня подземных и поверхностных вод, откачках, дренировании. Суффозионные процессы часто возникают на склонах речных долин и откосах котлованов и берегах водохранилищ при быстром спаде паводковых вод, на орошаемых территориях.

Химическая суффозия может проходить длительное время и выщелачивать не только карбонаты и другие сравнительно легко растворимые вещества, но и кремнезем. При значительном растворении пород химическая суффозия переходит в карстовый процесс.

Борьба с суффозией

При возведении объектов используются различные приемы строительства:

Прорезка фундаментами зданий слоя суффозионного грунта;

Водозащита оснований от проникновения в них атмосферных и технических вод;

Прекращение фильтрации подземной воды устройством дренажей и водонепроницаемых завес;

Отсыпка на основании грунтовых подушек из песка или суглинков;

Предпостроечное рассоление и уплотнение грунтового основания;

Искусственное закрепление массива грунтов методами технической мелиорации (кроме крупнообломочных грунтов, обладающих высокой фильтрационной способностью).

7. Приведите классификации подземных вод. Опишите разные фазовые состояния воды в породах, а также условия залегания и движения подземных вод (Гигроскопическая, трещинновая)

Воды, находящиеся в верхней части земной коры, носят название подземных вод.

Классификации подземных вод.

Классифицируют подземные воды: по характеру их использования и по условиям залегания в земной коре:

Хозяйственно-питьевые воды – подземные воды широко используют для хозяйственно-питьевых целей, т. к. признаны лучшим источником питьевого водоснабжения. Как правило, это воды интенсивного водообмена (глубина залегания обычно не более десятков метров). В последние годы для хозяйственно-питьевого водоснабжения начинают использовать также солоноватые и соленые подземные воды после их опреснения.

Технические воды – это воды, которые используют в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Требования к воде определяется производственным предприятием.

Промышленные воды содержат в растворе полезные элементы (бром, йод и др.) в количестве, имеющем промышленно сырьевое значение. Обычно залегают в зоне весьма замедленного водообмена. Обладают высокой минерализацией (от 20 до 600 г/л), состав хлористо-натриевый, температура нередко достигает 60-80 0С.

Минеральными называют подземные воды, которые имеют повышенное содержание биологически активных микрокомпонентов, газов, радиоактивных элементов. Они выходят на поверхность земли или вскрываются буровыми скважинами.

Термальные подземные воды имеют температуру более 370С. Залегают повсеместно на глубинах от нескольких десятков метров (в горно-складчатых областях) до нескольких километров (на платформах)

Подземные воды классифицируют по условиям их залегания в земной коре. На рисунке 1 показаны расположение основные подземные воды в земле.

По степени насыщения водой горных пород верхняя часть земной коры делится на верхнюю и нижнюю.

Верхняя, зона аэрации, расположена между поверхностью земли и уровнем грунтовых вод. В этой зоне наблюдается непосредственное просачивание атмосферных осадков из поверхностных вод вглубь, в сторону зоны насыщения.

Зона насыщения горных пород расположена ниже уровня грунтовых вод. В этой зоне все поры, трещины, каверны и другие пустоты заполнены гравитационной водой.

Подземные воды в зоне насыщения циркулируют в виде верховодок, грунтовых, артезианских, трещинных и вод вечной мерзлоты.

Верховодки - это временные скопления подземных вод в зоне аэрации. Верховодки образуются над локальными водоупорами, например, линзы глин и суглинков в песке, прослойки более плотных пород. В периоды снеготаяния или дождей вода временно задерживается и образует сводообразные водоносные горизонты. Верховодки могут возникать и при отсутствии водоупоров, например, при низкой водопроницаемости породы, в результате чего, в верхней части толщи происходит задержка воды. В сухое время года воды в верхней части слоя, как правило, не бывает.

Грунтовые воды. Грунтовыми называют постоянные во времени и значительные по площади распространения горизонты подземных вод, залегающие на первом от поверхности водоупоре. Грунтовые воды в силу наличия свободной поверхности безнапорные. Иногда они могут проявить так называемый местный напор, связанный с залеганием линзы глины в уровне зеркала.

Межпластовые подземные воды. Эти воды располагаются в водоносных горизонтах между водоупорами. Они бывают напорные (артезианские) и ненапорные.

Межпластовые ненапорные воды встречаются сравнительно редко. Они связаны с горизонтально залегающими водоносными слоями, заполненные водой полностью или частично.

Напорные (артезианские) воды связаны с залеганием водоносных слоев на различных высотных отметках, что и создает напор подземных вод.

Подземные воды в трещиноватых и закарстованных породах.

Трещинные воды – это подземные воды, циркулирующие в трещиноватых горных породах. Перемещаются они по системе взаимосвязанных трещин разного происхождения: тектоническим разломам, трещинам отдельных магматических массивов, трещинам выветривания и образуют единую гидравлическую систему, напоминающую систему сообщающихся сосудов образуют единую гидравлическую систему.

Классификация по условиям залегания: грунтовые, межпластовые, жильные.

Трещинно-грунтовые воды развиты в верхней трещиноватой зоне кристаллических массивов (до глубины 80-100 м) питание за счет инфильтрации атмосферных осадков. Площади их питания совпадают с площадью распространении. Водоупором трещинно-грунтовых вод служат монолитные нетрещиноватые скальные породы. Водообильность трещинно-грунтовых вод определяется условиями их питания и степенью трещиноватости горных пород.

Межпластовые воды циркулируют в артезианских бассейнах, если водоносные слои их представлены трещиноватыми горными породами.

Трещинно-жильные воды развиты локально, исключительно в зонах тектонических нарушений с крупными трещинами. Это линейно вытянутые узкие водные потоки (жилы), уходящие в глубину на несколько сот метров, поэтому они часто имеют повышенную температуру. Характерен напорный режим. Трещинно-жильные воды, как правило, водообильны, часто разгружаются на поверхности земли, образую мощные родники. Трещинно-жильные воды получают питание за счет трещинно-грунтовых вод, разгрузки глубокозалегающих напорных водоносных горизонтов и других источников.

Химический состав как трещинно-жильных, так и карстовых вод определяется составом вмещающих их горных пород. В зоне интенсивного водообмена трещинно-жильные обычно пресные, гидрокарбонатные в (известняках) или жесткие сульфатные (в гипсах)

Закарстованные воды. Подземные воды, которые циркулируют по трещинам и пустотам карстового происхождения.

Степень и характер закарстованности горных пород определяют глубину развития, интенсивность движения, гидравлическое состояние, водообильность карстовых вод.

Подземные воды вечной мерзлоты Подземные воды в районах многолетней мерзлоты контактируют или непосредственно содержатся в толще многомерзлых пород. Подразделяются надмерзлотными, межмерзлотными и подмерзлотными водами.

Надмерзлотные воды - воды, подстилающим Водоупором для них служит многолетнемёрзлая толща, пустоты, трещины, поры которой постоянно заполнены льдом. Образуют безнапорные горизонты типа верховодки и грунтовых вод.

Межмерзлотные воды – содержатся внутри толщи многолетней мерзлоты как в твердой (лед), так и в жидкой фазе (зона прерывистых и сквозных таликов). В жидкой фазе обычно напорные. Имеют связь с надмерзлотными и подмерзлотными водами.

Подмерзлотные воды циркулируют ниже многолетнемерзлотной толщи, поэтому встречаются только в жидкой фазе. Воды напорны, величина напора может достигать до сотен метров. Используются в водоснабжении.

В зависимости от того, в каком состоянии в грунтах находится вода, она классифицируется следующим образом: парообразная; связанная - прочносвязанная (гигроскопическая), рыхлосвязанная; свободная – капиллярная, гравитационная; в твердом состоянии (лед); кристаллизационная и химически связанная.

Парообразная вода.

Количество водяного пара в грунтах не превышает тысячных долей процента от общего веса грунта. Однако водяной пар играет большую роль в процессах, протекающих в грунтах, в силу того, что может свободно передвигаться в грунте при незначительной его влажности, а также потому, что при конденсации пара на поверхности грунтовых частиц образуются другие виды воды.

Связанная вода

Минеральные частицы окружены рядом концентрических слоев воды. Слои воды удерживаются частицами с различной силой, в зависимости от того, насколько данный слой воды близок к минеральной частице: чем ближе, тем прочнее он с ней связан. Установлено, что связь между пленками воды и минеральными частицами обусловлена молекулярными силами. Присутствие различных категорий связанной воды значительно меняет состояние и свойства грунтов

Прочносвязанная (гигроскопическая) вода. Максимальное количество прочносвязанной воды в грунтах максимальной гигроскопичности, т. е. той влажности грунта, которая образуется при абсорбации грунтовыми частицами парообразной влаги при относительной ее упругости, равной 100%.

Сама прочносвязанная вода имеет несколько разновидностей. Вода базальных поверхностей глинистых минералов (поверхности, перпендикулярные ребрам и сколам их кристаллической решетки) образует вокруг глинистых частиц сплошные плёнки воды, из-за чего величина связи между отдельными частицами уменьшается, что ведет к снижению прочности глинистых грунтов. При полном содержании всех видов прочносвязанной воды, т. е. при влажности, близкой к максимальной гигроскопичности, эта потеря прочности весьма значительна.

Содержание прочносвязанной воды в дисперсных грунтах определяется их минералогическим составом, дисперсностью, степенью однородности, формой и характером поверхности минеральных частиц. В зависимости от комплекса факторов содержание прочносвязанной воды лежит в пределах 0,2-30%

Рыхлосвязанная вода подразделяется на плёночную и осмотическую. Пленочная влага как бы облекает собой прочносвязанную и удерживается молекулярными силами в меньшей степени, хотя природа ее взаимодействия с частицами весь близка к поведению прочносвязанной влаги. Осмотическая вода образуется в результате проникновения молекул воды из грунтовых растворов. Этот вид воды весьма слабо связан с поверхностью грунтовых частиц, подвижность ее весьма близка к подвижности свободной воды.

Свободная вода

Капиллярная вода делится на три вида: 1) вода углов пор; 2) подвешенная вода; 3) собственно капиллярная вода. Вода углов образуется в местах соприкосновения на контактах частиц – в виде отдельных капель, занимающих суженные части пор и ограниченных менисками воды. Собственно капиллярная вода формируется за счет поднятия воды верх от уровня грунтовых вод, образуя под грунтовыми водами в массиве грунта капиллярную кайму. При промачивании грунтов сверху, например, при атмосферных осадках, при возведении грунтовых плотин гидромеханизацией или отсыпкой, при увлажнении и укатке грунта, в грунтах образуется подвешенная вода

Гравитационная вода. Делится на воду просачивания и воду грунтового потока. Первый тип воды преимущественно располагается в зоне аэрации и перемещается сверху вниз пока не достигнет водоупорный слой. После этого дальнейшее продвижение воды происходит под влиянием напора в виде грунтового потока.

Вода в твердом состоянии. При температурах ниже нуля гравитационная вода замерзает и содержится в грунте в виде льда. Лед может формировать в грунте, как прослои различной толщины, так и рассеянные в его толще отдельные кристаллы. Кристаллический лед играет роль природного цемента. Присутствие льда резко изменяет свойства грунта.

Кристаллизационная и химически связанная вода. Кристаллизационная и химически связанная вода участвует в формировании кристаллических решеток различных минералов. Вода входит в состав гипса (CaSO4 . 2H2O) и ряда других минералов. Кристаллизационная вода, участвуя в построении кристаллической решетки минералов, сохраняет свою структуру. Химически связанная вода (Fe2O3 . nH2O) не сохраняет своего молекулярного единства, но более прочно, чем кристаллизационная, связана с другими молекулами кристалла.

8. Сформируйте основной закон фильтрации подземных вод. Опишите методы определения коэффициента фильтрации и расхода плоского потока подземных вод. Назовите требование к питьевой воде. Объясните причины агрессии воды к бетону и металлу

Ненапорные подземные воды в зоне полного насыщения передвигаются при наличии разности гидравлических напоров (уровней) от мест с более высоким к местам с низким напором (уровнем). Разность напоров ∆H = H1 - H2 в сечениях I и II (Рисунок 3) обуславливает движение воды в направлении сечения II. Скорость движения грунтового потока зависит от разности напора (чем больше ∆H, тем больше скорость) и длины пути фильтрации.

Отношение разности напора ∆H к длине пути l называют гидравлическим уклоном (градиентом) I = ∆H/l

Основной закон фильтрации подземных вод. Современная теория движения подземных вод основывается на применении закона Дарси:

Q=kфF∆H/l= kфFI

 

Где Q – расход воды или количество фильтрующей воды в единицу времени, м3/сут; kф – коэффициент фильтрации, м/сут; F – площадь поперечного сечения потока воды, м2; ∆H – разность напоров, м; I – длина пути фильтрации, м.

Выведено это выражение для пород с ламинарным (параллельно, струйчатым, без пульсации) характером движения подземных вод, которое имеет место в песках, песчаниках и других породах. Позднее Н.Н. Павловским, Т.Н. Каменским и Н.К. Гиринским доказана правомерность этого закона и для гравелистых пород, где скорости достигают 125 м/сут.

Эту скорость фильтрации называют кажущейся, поскольку расход потока отнесен ко всей площади поперечного сечения фильтрующей породы. Если принять напорный градиент за единицу, то коэффициент фильтрации можно рассматривать как кажущуюся скорость движения воды.

Действительную скорость (Vq) представляет собой отношение расхода воды к той части поперечного сечения, которая занята порами:

 

В глинистых породах, где много физически влаги, не участвующей в гравитационном движении воды и заполняющей поры, различают активную пористость (Пакт), показывающую какая часть сечения породы способна пропускать движущуюся воду

Пакт=П – WММВ . γск

Где WММВ максимальная молекулярная влагоёмкость в долях единицы, γск - объемный вес скелета породы

Методы определения коэффициента фильтрации.

Расчетным путем коэффициент фильтрации определяется преимущественно для песков и гравелистых пород. Эти методы являются приближенными и рекомендуются на начальных этапах исследования. Для расчетов используют одну из многочисленных эмпирических формул, связывающих коэффициент фильтрации грунта с его гранулометрическим составом, пористостью степенью однородности

Лабораторные методы основаны на изучении скорости движения воды через образец грунта при различных градиентах напора. Все приборы для лабораторного определения коэффициента фильтрации могут быть подразделены на два типа: с постоянным напором и с переменным. Рисунок 1

Принцип работы приборов: В цилиндрический сосуд с двумя боковыми пьезометрами П1 и П2 помещают испытуемый грунт, через него фильтруют воду под напором. Зная диаметр цилиндра F, напорный градиент (I = ΔH/L) и измеряя расход профильтровавшейся воды Q, находим коэффициент фильтрации по формуле kф = QL/F(h1-h2),

Где h1 и h2 – показатели пьезометров; L – расстояние между точками их соединения

Приборы, моделирующие постоянство напорного градиента, т. е. установившееся движение, применимы в основном для грунтов с высокой водопроницаемостью, например для песков. Для суглинков и супесей применяют приборы типа ПВГ (Рисунок 5), позволяющие определять коэффициент фильтрации образцов с нарушенной и ненарушенной структурой. Для глинистых пород наибольшее значение имеет определение коэффициента фильтрации в образцах с ненарушенной структурой, обжатых нагрузкой, под которой грунт будет находиться в основаниях зданий и сооружений.

Приборы, моделирующие переменный напор, характеризующий неустановившееся движение, обычно используют для определения коэффициента фильтрации связных грунтов с малой водопроницаемостью.

Простота и дешевизна лабораторных методов позволяет широко их использовать для массовых определений коэффициента фильтрации.

Полевые методы позволяют определить коэффициент фильтрации в условиях естественного залегания пород и циркуляции подземных вод, что обеспечивает наиболее достоверные результаты.

Коэффициент фильтрации водоносных пород определяют с помощью откачек воды из скважин, а в случае неводоносных грунтов – методом налива воды в шурфы и нагнетанием воды в скважины.

Наилучшим питьевым качеством обладают воды при pH = 6,5…8,5. Химически чистая вода бесцветна. Окраску воде придают механические примеси. Прозрачность воды зависит от цвета и наличия мути. Вкус связан с составом растворенных веществ: соленый – от хлористого натрия, горький – от сульфата магния и т. д. Запах зависит от наличия газов биохимического происхождения (сероводород и др.) или гниющих органических веществ.

Вода для питьевых целей должна быть бесцветна, прозрачна, не иметь запаха, быть приятной на вкус. Количество растворенных солей не должно превышать 1,0 г/л. Не допускается содержание вредных для здоровья человека химических элементов (уран, мышьяк и др.) и болезнетворных бактерий. Последнее в известной мере может быть нейтрализовано обработкой воды ультразвуком, хлорированием, озонированием и кипячением.

Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воздействии растворенных в воде солей на строительные материалы, в частности, на портландцемент. Поэтому при строительстве фундаментов и различных подземных сооружений необходимо уметь оценивать степень агрессивности подземных вод и определять меры борьбы с ней. В существующих нормах, оценивающих степень агрессивности вод по отношению к бетону, кроме химического состава воды, учитывается коэффициент фильтрации пород. Одна и та же вода может быть агрессивной и неагрессивной. Это обусловлено различием в скорости движения воды — чем она выше, тем больше объемов воды войдет в контакт с поверхностью бетона и, следовательно, значительнее будет агрессивность.

По отношению к бетону различают следующие виды агрессивности подземных вод:

Общекислотная – оценивается величиной pH.

Сульфатная – определяется по содержанию иона SO42-

Магнезиальная – устанавливается по содержанию иона Mg2+

Карбонатная – связанная с воздействием на бетоны агрессивной углекислоты (возможен только в песчаных породах)

Агрессивное действие подземных вод на металлы (коррозия металлов). Подземная вода с растворенными в ней солями и газами может обладать интенсивной коррозионной активностью по отношению к железу и другим металлам. Подземные воды обладают коррозионными свойствами при содержании в них также агрессивной углекислоты, минеральных и органических кислот, солей тяжелых металлов, сероводорода, хлористых и некоторых других солей. Мягкая вода действует значительно агрессивней, чем жесткая. Влияние сильнокислых и сильно щелочных вод способствует наибольшему разъеданию металлов. Коррозии способствует повышение температуры воды, увеличение скорости ее движения, электрического поля в грунтовых толщах.