Суффозия - актуальная Геотехническая проблема

2/2008_МГВЕС ТНИК

СУФФОЗИЯ - АКТУАЛЬНАЯ ГЕОТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА

П. В. Карабанов В. В. Анисимов

Москва - огромный мегаполис. Из-за нехватки земли город заглубляется под землю, расширяя площади. Под землей строятся транспортные тоннели, автомобильные стоянки, многоцелевые комплексы. Это одна из главных стратегий в современном строительстве. При строительстве подземных сооружений вынимается огромный объем грунта, что приводит к нарушению равновесия в грунтовом массиве.

Глубокие котлованы собирают подземную воду и тем самым вызывают понижение ее уровня. Все это может существенно повлиять на устойчивость зданий и сооружений. Подземные воды вследствие изменения режима могут выносить из массива песков и известняков мелкие частицы. Этот процесс называется суффозией. В результате происходит разрыхление грунта и его деформации, как от собственного веса грунтового массива, так и от веса зданий и сооружений, приводящее к авариям и катастрофам. В 1980 г. по этой причине обрушилось складское здание в городе Роксвилл (США). В 1983 г. в Кургане суффозион-ный оползень, спровоцированный утечками из водопровода, вызвал разрушение жилого дома и гибель людей. Суффозия стала причиной обрушения здания общежития на Двинской улице в Санкт-Петербурге в 2002 г. Известны случаи провалов из-за суффозии на многих улицах Москвы: Маршала Жукова, Маршала Тухачевского, Хорошевском шоссе и др., главной причиной развития которых являются утечки из водопровода и канализации.

Механическая суффозия как разновидность фильтрационных деформаций грунтов оснований

Вода, фильтрующаяся в основании фундаментов, оказывает механическое воздействие на скелет грунта, характеризующееся фильтрационной силой, определяемой градиентом напора.

Механическая суффозия возможна только в несвязных грунтах, она приводит к увеличению пористости грунта, в результате чего ухудшаются его строительные свойства.

Механическая суффозия - размыв грунта фильтрационным потоком, проявляющийся в виде отрыва и перемещения отдельных его частиц и целых агрегатов внутри пор. Она носит локальный характер и имеет эволюционную форму развития. Различают внутреннюю суффозию, когда частицы перемещаются внутри фильтрующего массива и внешнюю, когда частицы грунта выносятся из массива на свободную поверхность.

Одним из критериев несуффозионности грунтов является то, что соотношение между размерами мелких частиц и пор между крупными частицами должно быть таким, что мелкие частицы не могли бы выноситься из скелета грунта.

Определение суффозионной устойчивости грунтов оснований при строительстве многофункционального торгово-офисного комплекса с гостиницей и подземным гаражом по адресу: Москва, ул. Вавилова, вл. 64/1

Этап технического задания включал разделы по определению суффозионной устойчивости песчаных грунтов по гранулометрическому составу и по критическим значениям скоростей фильтрации или градиента напора фильтрационного потока подземных вод в период выемки грунту из котлована до глубины -16,0 м. под защитой «стены в грунте», на глубину до отметки -22 м.

Первоначально предлагалось устраивать противофильтрационные горизонтальные или вертикальные защитные экраны.

Первый вариант отпал по технико-экономическим соображениям. Второй вариант был принят в связи с положительными результатами предварительных фильтрационных расчетов проведенных нами. Однако вместо вертикальной противофильтрационной завесы до отметки -22,0 м. было принято решение увеличить глубину заделки «стены в грунте» до отметки -22,0 м.

41

'к.

Это решение по технико-экономическим показателям оказалось наиболее целесообразным. Оно потребовало более подробного расчетно-теоретического обоснования. Геотехнические фильтрационные расчеты быши вышолнены с помощью программного комплекса Р1ах18 у.8.

По результатам ИГ-изысканий площадка строительства относится к III категории сложности, обусловленной наличием водонасыщенныгс мелкозернистых пылеватыгс песков большой мощности, подстилаемыгс сложной толщей, состоящей из меловыгс отложений (ИГЭ-8 и ИГЭ-9), представляющих песчаники и продукты выветривания. В общей сложности в пределах участка выщелены 11 ИГЭ. С точки зрения суффозионной устойчивости представляют интерес слои ИГЭ-5 и ИГЭ-7, находящиеся в области интенсивного фильтрационного потока в период выемки грунта из котлована.

1.1. Суффолк»!и 1аи устойчивость грунтов основания

Суффозионная устойчивость грунтов основании сооружений связана с оценкой об щей фильтрационной устойчивости и в настоящее время оценивается по двум критериям: по гранулометрическому составу и по критическому значению скоростей фильтрации или гидравлическому градиенту напора (давление воды в порах).

При оценке фильтрационной прочности грунтов следует определить суффозион-ность и несуффозионность грунтов в зависимости от гранулометрического состава, установить критические скорости фильтрации или критические гидравлические градиенты, а так же допустимые градиенты напора и допустимый процент возможного выноса мелких частиц, не приводящего к локальному разрушению грунта и развитию дополнительных деформаций окружающего массива.

1.2. Суффозионность песчаных грунтов

Суффозионность грунтов по методике ВНИИГ оценивается по гранулометрическому составу. Для этого определяется диаметр максимальных фильтрующих пор в грунте по формуле:

d^^ASSktfj-Z-dv,

п-1

где г) - коэффициент разнозернистости грунта (Ц = ); с!17- диаметр частиц 17% - ной обеспеченности 1~ по кривой зернового состава;

к - коэффициент неравномерности раскладки частиц в грунте (к = 1 +0.05 77)); п - пористость грунта.

По значению da max определяется максимальный размер частиц, которые могут быть вынесены фильтрационным потоком в результате суффозии.

d . = 0.77d ,

c.i.max о.max

Если dc j mas меньше минимального диаметра частиц грунта (dc jmin), то грунт считается не суффозионным. Если же (dc i mas>dc rmin), то такой грунт считается суффозионным и из этого грунта могут быть вынесены все частицы, диаметр которых меньше dc ; max. Если допустить, что без ущерба для сооружения из его основания могут быть вынесены самые мелкие частицы, количество которых не превышает 3-5% по массе, то такой грунт можно также считать практически не суффозионным. Тогда критерии несуффозионнос-ти можно определить из условия:

d. <d,+ds,

с. г. max 3 5 4 '

Для механической суффозии (выноса частиц) необходимо, чтобы скорость фильтрации (выноса частиц) или гидравлический градиент быши больше некоторый критических значений У^ и которые могут быть определены по формулам [2.4-2.6]:

К =

чР = % ¿сЛ

где

% = 0.6

Га 8

см2

V - кинематическая вязкость воды (-) ;

сек

в - угол между направлением скорости фильтрации и силы тяжести.

Анализ интегральных кривых зернового состава слоев ИГЭ-5 и ИГЭ-7, вскрываемых в процессе выемки грунта из котлована, с учетом формулы (2.4) показал, что критические скорости выхода фильтрационного потока соответственно равны: для слоя ИГЭ-5 У^ =1,67 м/сут; для слоя ИГЭ-7 Ур=22,13 м/сут.

Решая фильтрационную задачу для рассматриваемого случая, было определено распределение скоростей в расчетной области, в том числе на уровне дна котлована и в зоне, примыкающей к нижнему концу стены в грунте.

1.3. Суффозионная устойчивость (прочность и деформируемость) грунтов в фильтрующем массиве

В фильтрующем массиве, служащим основанием или средой сооружений, возникают фильтрационные силы, сопоставленные с весом грунта. Они влияют на напряженно-деформированное состояние (НДС) массива, которое можно количественно оценить рассматривая смешанную задачу фильтрации и НДС водонасыщенного массива. Кроме того фильтрующая вода способствует перемещению мелкозернистых частиц вдоль линии потоков, т.е. происходит суффозия грунта.

Расчетная схема фильтрационной задачи, для рассматриваемого неоднородного массива, в плоской постановке для стационарного режима фильтрации представляется наиболее опасной (неблагоприятной) ситуацией, т.к. разности уровней воды за стеной и внутри котлована достигают максимума и скорость выхода воды на поверхность дна котлована может достичь критических величин.

Расчетные параметры грунтов представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Горизонт ИГЭ Коэффициент фильтрации м/сут Водопрово-димость м2/сут. Пьезопро-водимость м2/сут. Примечание

Четвертичный 5, 5б 1.1 3.4 ОФР

Супеси 6 0.5 Фондовые

Верхний меловой 7, 7б 6.4 65.9 2.8*10 4 ОФР

Плотные и верхние разрушенные песчаники 8, 9(1)* 0.05 ОФР -оценка

Средний меловой (нижние трещиноватые и разрушенные песчаники) 9(2) 17.3 52 4.5*10 4 ОФР

Нижний меловой 10 6.0 Лаборатория

*) - Грунты ИГЭ-9 имеют общие физико-механические свойства, но по фильтрационным свойствам делятся на два слоя. Слой «9(1)» является верхней частью ИГЭ-9 и залегает над ИГЭ-8. Слой «9(2)» является нижней частью ИГЭ-9 и залегает под ИГЭ-8.

Эпюра скоростей фильтрации на уровне дна котлована как и следовало ожидать, неравномерная и имеет максимум на его контуре. Сравнение этих скоростей с критическими значениями, определенными по формуле (2.3) показывает, что в этих зонах грунты суффозионно устойчивы. Однако было опасение возникновения внутренней суффозии и потери суффозионной устойчивости грунтов в зонах примыкающих к нижнему концу стены в грунте, т.к. в этих зонах скорости также экстремальные (см. рис. 1, 2).

-ицд

Рис. 1. Вектора направлений фильтрации

Рис. 2. Изолинии скоростей фильтрации

В результате анализа полученных результатов были сделаны следующие выводы:

1. Интегральные кривые зернового состава песчаных грунтов ИГЭ-5, ИГЭ-7, ИГЭ-8, ИГЭ-9, ИГЭ-11 потенциально суффозионные, т.е. в них содержатся пылеватые частицы

для (Лсг тт< (сл.тах

2. Математическое моделирование фильтрации водонасыщенного массива в плоской постановке, в стационарном режиме, с учетом выемки грунта из котлована под защитой

стены в грунте показало, что экстремальные скорости фильтрации возникают в периферийной части котлована, примыкающей к стене в грунте как на уровне дна котлована, так и на уровне нижнего конца стены в грунте. Следовательно, есть потенциальная возможность возникновения внутренней и внешней суффозии, когда скорость фильтрации превышает критическую для данного вида грунта, т.е. когда V >

3. Выполненные фильтрационные расчеты показали, что в потенциально опасных зонах условие V < выполняется, следовательно, суффозионная устойчивость обеспечена.

Оценка НДС грунтового массива с учетом суффозионной деформации в основании плитного фундамента

С помощью программного комплекса Р1ах18 у.8. был проведен анализ напряженно-деформированного состояния грунтового основания, на котором возводится плитный фундамент. Суффозионный процесс моделировался как область в основании фундамента с заданными размерами и параметрами. Так как суффозия в грунте возможна при различных условиях, например, колебании уровня грунтовых вод, утечки из канализации и т.д., в основании фундаментов возможно появление дополнительных осадок, которые могут также являться причиной деформаций несущих конструкций зданий.

Грунтовое основание представляет собой двухслойный массив габаритом 50х25м и состоит из водонасыщенных мелкозернистых пылеватых песков большой мощности.

Последовательность выполненных расчетов включает определение в грунтовом основании начальных напряжений и вертикальных деформаций от собственного веса конструкций и грунта, а также определение напряжений и вертикальных деформаций от процесса суффозии, вызванной фильтрационными силами. По результатам расчета (см. рис. 3,4) имеем, что дополнительная осадка плитного фундамента составила 11 мм.

Рис. 3. Изолинии вертикальных перемещений в основании плитного фундамента от веса конструкций и грунта

вестник 2/2008

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 50.00 55.00

Р ЬАХ18

10.000 1-е. ООО 1-10.000 1-20.000 ¿-30.000 1-40.000 --50.000 --60.000 --70.000

1-100.001) И-110.001)

КохЫуок1 КаЬиЬ), иарап

Рис. 4. Изолинии вертикальных перемещений в основании плитного фундамента от веса конструкций и грунта после образования суффозионной области

ш

Выводы

1. Механическая суффозия приводит к локальному разуплотнению грунта, в результате чего ухудшаются его строительные свойства.

2. При оценке фильтрационной прочности грунтов следует определить суффозион-ность или несуффозионность грунтов в зависимости от гранулометрического состава, установить критические скорости фильтрации или критические гидравлические градиенты, а так же допустимые градиенты напора и допустимый процент возможного выноса мелких частиц.

3. В фильтрующем массиве, служащим основанием или средой сооружений, возникают фильтрационные силы, которые влияют на напряженно-деформированное состояние (НДС) массива, в результате чего происходит увеличение дополнительных осадок оснований фундаментов.

Литература

1. Техническое заключение «По определению суффозионной устойчивости грунтов основания многофункционального торгово-офисного комплекса с гостиницей и подземным гаражом по адресу: г. Москва, ул. Вавилова, вл. 64/1» 2007 г.

2. Шехтман Ю.М. Фильтрация малоконцентрированных суспензий. Изд-во Акад. наук СССР, 1961, 211 с.

3. Гольдин А.Л., Рассказов Л.Н. Проектирование грунтовых плотин. М.: Изд-во Ассоциации Строительных вузов, 2001 г. - 384 с.

4. Руководство по расчетам фильтрационной прочности плотин из грунтовых материалов. П. 55-76/ВНИИГ, Л. 40 с.

5. Руководство по расчету обратных фильтров плотин из грунтовых материалов. ВНИИ ВОДГЕО, М., 1982 г., 62 с.