ОЦЕНКА СУФФОЗИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ВЕРХНЕГО СЛОЯ УРБАЗЕМА ПО ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОМУ СОСТАВУ

В процессе движения воды в порах грунта, то есть при фильтрации подземная вода совершает разрушительную работу. Из пород вымывается составляющие их мелкие частицы. Это негативно отражается на характере и состоянии уровня поверхности земли. В результате образуются воронки и провалы грунта, существенно нарушается структура грунта. Этот процесс вымывания частиц из основного массива грунта носит название суффозии.

Существует два вида суффозии – механический и химический. При механическом фильтрующаяся вода отрывает от породы и выносит во взвешенном состоянии целые частицы (глинистые, пылевые, песчаные). При химическом вода растворяет частицы породы (гипс, соли, карбонаты) и выносит продукты разрушения [1].

Актуальность данного исследования обусловлена развитием инновационных направлений строительного производства, которые требуют своевременного выявления и предупреждения процессов суффозии и явлений, являющихся следствием этого процесса.

Цель данной работы заключалась в том, чтобы изучить вопрос возникновения данного явления и подобрать библиографические источники для литературного обзора по данной проблеме.

Задачи работы включали следующие пункты:

1. Определить причины возникновения суффозии.

2. Выявить основные расчетные зависимости, характеризующие причины возникновения данного явления.

3. Определить задачи дальнейших исследований данного вопроса.

Главной причиной суффозионных явлений можно назвать возникновение в подземных водах значительных сил гидродинамического давления и превышение величины критической скорости воды, которая и вызывает процесс отрыва и перенос мелких частиц грунта во взвешенном состоянии. Взвешивание частиц происходит при критическом напоре I_кр, который можно определить по формуле:

I_кр = (r – 1)(1 – n) + 0,5n,

где r – плотность грунта (породы); n – пористость грунта (породы).

Гидродинамическое давление, действующее по касательной к депрессионной кривой дренируемого потока, определяется по формуле:

p = r_H2OnI,

где p – гидродинамическое давление воды в грунте; r_H2O – плотность воды; I – величина гидравлического градиента напора (уклона).

Суффозия наиболее свойственна грунтам, неоднородным по гранулометрическому составу. Гранулометрический состав – относительное содержание в почве, горной породе или искусственной смеси частиц различных размеров независимо от их химического и минералогического состава.

В городских условиях в результате строительства нарушается естественное сложение грунта. Слои грунта перемешиваются, так как имеет место нарушение этапа земляных работ на строительных площадках, а в пазухах котлованов засыпают грунт нарушенного сложения или грунт обратной засыпки. Такой грунт по гранулометрическому составу отличается от естественного. В результате нарушается гидрогеологическая обстановка территории. В городе обычно отсутствуют почвы естественного происхождения. Такие почвы носят названия конструктоземов и урбаноземов. Более распространены урбаноземы. Урбанозем – искусственно образованная в процессе формирования городской среды почва, являющаяся многофазной системой, состоящей из твердой, жидкой и газовой фаз с непременным участием живой фазы, функционирующая под воздействием тех же факторов почвообразования, что и естественные почвы, но с добавлением специфического в городской среде антропогенного фактора.

Очень важно уметь прогнозировать и на основе прогнозов своевременно предупреждать появление суффозии. Большинство строительных проектов не учитывает возможность развития такого явления. Однако на территории городского округа Коломна появление суффозии не редкость. Большинство явлений суффозии приурочено к прибрежным районам города, например Бочманово, Колычево (см. рисунок), Митяево, Дубовая роща.

Рисунок 1. Провал грунта в районе ул. Весенняя, вызвавший необходимость ремонта фундамента здания и расчистку подвала от наносов грунта (фото автора)

Суффозия отрицательно сказывается на устойчивости построек и сооружений, автомобильных и железных дорог. Под ее влиянием образуются зоны ослабления, провалы, разрушаются склоны и откосы, образуются оползни. В результате на поверхности земли негативно меняется рельеф, уничтожается растительность, деформируется геологическая среда, повреждаются здания. Поэтому инновационное развитие строительной отрасли невозможно без учета такого отрицательного явления, поскольку грунты являются основанием под здания и сооружения, а также средой, в которой  замещаются или части сооружения или подземное сооружение в целом. Залог безопасной эксплуатации сооружения на всем его жизненном цикле, в том числе, обеспечивается за счет предупреждения суффозии.

Суффозия может также привести к появлению существенных сдвиговых напряжений в грунте, которые помимо вертикальных деформаций оснований зданий и сооружений и грунтов приводят также к возникновению существенных горизонтальных деформаций, которые более всего существенно влияют на сооружения, расположенные на склонах и на подпорные сооружения. Также в результате суффозии может существенно ускорится эрозия поверхности грунтов. Физическому описанию процесса суффозии посвящен ряд работ [1, 8].

Кроме суффозии распространена проблема деградации поверхности грунтов при дождях, вызывающих капельную [2, 4−7, 9] и дождевую (ливневую эрозию) [2, 3]. Дожди, разрушая частицы грунта, могут спровоцировать появление суффозии. Стоит отметить, что процесс впитывания (инфильтрации) влаги в грунты при дожде имеет свои особенности. Так, инфильтрация является не напорной, поскольку слой воды на поверхности грунта может и не появится за время выпадения осадков. В любом случае дождевые осадки являются одной из статей водного баланса территории.

Задачи дальнейших исследований включают фотофиксации провалов грунта в результате суффозии на территории городского округа Коломна, численное моделирование и расчет процесса суффозии в целях изучения возможности прогнозирования и предупреждения этого явления.

Вывод: прогнозирование суффозионных и эрозионных процессов необходимо вести с одновременным анализом морфологических особенностей территории, особенностей гидрогеологического строения грунтовых массивов, учетом водного баланса территории.

Список литературы:

1. Инженерная геология: Учеб. для строит. спец. вузов / В.П. Ананьев, А.Д. Потапов. М.: Высш. шк., 2005. – 575 с.
2. Зверьков М.С. Совершенствование способов мониторинга капельно-дождевой эрозии почв в условиях Нечерноземной зоны Российской Федерации. Автореф. дис. канд. техн. наук. – М., 2015. – 24 с.
3. Гурбанов Э.А., Вердиев С.Б., Газиева П.Ч. Интенсивность овражной эрозии в аридных условиях на третичном плато Азербайджанской республики // Экология и строительство. 2017. № 4. С. 8–15.
4. Касьянов А.Е., Зверьков М.С. Оборудование для контроля эрозионной опасности дождя // Мелиорация и водное хозяйство. 2015. № 2. С. 13-16.
5. Зверьков М.С. Численные исследования удара капли о твердую поверхность // Природообустройство. 2015. № 2. С. 17-20.
6. Брыль С.В., Зверьков М.С. Теоретические подходы к расчету вертикального эффективного давления удара капель искусственного дождя о почву и твердую поверхность // Экология и строительство. 2016. № 1. С. 16-20.
7. Ольгаренко Г.В., Брыль С.В., Зверьков М.С. Касательные напряжения в почве при ударе о нее капли искусственного дождя // Экология и строительство. 2017. № 4. С. 27-36.
8. Матвеев П.С., Григорьева Г.Н., Игохина Е.О. Исправное состояние отмостки как залог нормальной эксплуатации здания // Экология и строительство. 2016. № 4. С. 15–20.
9. Брыль С. В., Зверьков М. С. Теоретические подходы к расчету вертикального эффективного давления удара капель искусственного дождя о почву и твердую поверхность // Экология и строительство. 2016. № 1. С. 16–20.