Класифікація підземних вод.

Підземні води класифікують за рядом ознак і властивостей. В інженерно - геологічних цілях підземні води доцільно класифікувати за гідравлічними ознаками (напірні і безнапірні) та умовами залягання в земній корі (верховодка, ґрунтові, міжшарові, артезіанські) (див. рис. 6.6). Окремо вирізняють тріщинні, карстові води, а також води багаторічної мерзлоти.

Верховодка - це тимчасове накопичення підземних вод в зоні аерації на випадкових локальних водотривах. Зона аерації розташована вище рівня підземних вод, де переважна частина пор заповнена тільки повітрям. Тимчасовими водотривами можуть бути лінзи супісків і суглинків у шарах пісків, прошарки трохи щільніших порід і т. ін. Під час інфільтрації через зону аерації вода тимчасово затримується і накопичується там, утворюючи своєрідні тимчасові водоносні горизонти. Найчастіше це буває в періоди сніготанення чи сильних злив. У засушливу пору року верховодка зникає: вода випаровується чи проникає в нижні водоносні горизонти. Верховодка може утворюватися в ґрунтах промислових майданчиків і в межах житлових масивів міст внаслідок витоків із водонесучих комунікацій, а також при конденсації водяної пари у затінених спорудами місцях.

Основні прикмети верховодки: тимчасовий, часто сезонний характер, незначна площа розповсюдження, невелика потужність, безнапірність та забрудненість.

Верховодка небезпечна для будівництва та експлуатації будівель і споруд. Ця вода може заливати їх підземні частини, підтоплювати, знижувати міцність та збільшувати деформативність ґрунтів основи, якщо не були передбачені заходи захисту від верховодки (рис.9). В лесових породах поява верховодки призводить до виникнення просадкових явищ, а отже, до нерівномірних деформацій споруд.

Ґрунтові води - це перший від поверхні Землі водоносний горизонт, розміщений на постійному водотриві. Ґрунтові води характеризуються рядом ознак.

1. Ґрунтові води мають вільну поверхню оскільки зверху водоносний горизонт не перекритий водотривкими шарами. Ця поверхня називається дзеркалом (у профілі - рівень). Положення дзеркала ґрунтових вод відповідає рельєфу місцевості. Глибина залягання змінюється від 1...2 до 20...50 м. Відстань від рівня підземних вод (РПВ) до водотривкого ложа називають потужністю водоносного горизонту. Ґрунтові води завжди безнапірні.

2. Живлення ґрунтових вод відбувається головним чином за рахунок інфільтрації атмосферних опадів, надходження води із поверхневих водоймищ та рік, конденсації водяної пари. Площа живлення горизонту практично відповідає площі його розповсюдження. Ґрунтові води часто бувають забруднені шкідливими речовинами, що вільно проникають з поверхні Землі.

3. Ґрунтові води безперервно рухаються і найчастіше утворюють потоки, які течуть у напрямку ухилу водотрива.

4. Кількість, якість і глибина залягання ґрунтових вод залежить від геологічної будови місцевості і кліматичних умов.

За розподілом по площі визначають певну зональність ґрунтових вод. Найчастіше виділяють чотири зони.

1) Ґрунтові води річкових долин, що пов'язані з алювіальними наносами, мають невисоку мінералізацію, залягають на глибині від 0 до 10...15 м, використовуються для водопостачання.

2) Води льодовикових відкладів, розповсюджені на півночі Європейської території, містяться в уламкових льодовикових породах; горизонти багатоводні, вода слабко мінералізована, широко використовується для водопостачання.

3) Ґрунтові води пустель та напівпустель. Горизонти маловодні, залягають на значних глибинах, вода високомінералізована.

4) Води гірських областей. Водоносні горизонти передгірних похилих рівнин багатоводні, широко використовується для водопостачання.

Крім названих існують також ґрунтові води боліт, карстових пустот та ін.

У будівельній практиці найчастіше зустрічаються з перешкодами, що їх чинять ґрунтові води, коли вони знаходяться в зоні інженерної діяльності людини.

Міжшарові підземні води залягають між двома водотривкими шарами. За гідравлічними ознаками вони можуть бути як безнапірними, так і напірними.

Міжшарові безнапірні води зустрічаються відносно рідко. Вони властиві горизонтальним шарам, що бувають частково або повністю заповнені водою. За своїми властивостями ці води схожі з ґрунтовими, але умови живлення дещо інші: вони живляться в місцях виходу водоносного горизонту на поверхню Землі, а також за рахунок гідравлічного зв'язку з іншими горизонтами. Води мають вищу якість і менше забруднені, ніж ґрунтові.

Рис 9 Схема залягання безнапірних підземних вод: а – верховодка; б – ґрунтові води; в – міжшарові води; 1 – зона аерації; 2 – водоносний шар; 3 – водотривкий шар

Рис. 10. Схема виникнення напірних вод.

Міжшарові напірні води (артезіанські) пов'язані із заляганням водоносних горизонтів у синклінальних чи моноклінальних структурах (рис.10). Площа розповсюдження напірних водоносних горизонтів називається артезіанським басейном. Міжшарові води перекриті водотривкими шарами, які відділяють область живлення від області їх поширення. Пряму лінію, яка з’єднує область живлення напірних вод із місцем їх часткового розвантаження, називають п’єзометричним рівнем

Характерні риси артезіанських вод - це здатність утворювати висхідні джерела, неспівпадіння області живлення із площею розповсюдження, невелика забрудненість, великі запаси води та ін.

Багато артезіанських басейнів, наприклад Дніпро-Донецький, займають величезні площі, містять декілька водоносних горизонтів і використовуються як важливе джерело питного та технічного водопостачання.

6.7. Режим ґрунтових вод.

Положення рівня, характер поверхні (дзеркала) ґрунтових вод, їх хімічний склад і температура з часом змінюються. Сукупність цих змін носить назву режиму ґрунтових вод. Його вивчення є важливою справою, оскільки кількісні та якісні зміни підземних вод суттєво впливають на умови будівництва та експлуатації будівель і споруд, а отже, повинні враховуватися при їх проектуванні.

Режимні чинники.

Головними причинами коливання рівня ґрунтових вод є метеорологічні та гідрологічні умови, коливання земної кори, інженерна діяльність людини та ін.

Метеорологічні чинники - це кількість атмосферних опадів, інтенсивність випаровування, величина атмосферного тиску. Ці фактори викликають сезонні та річні (багаторічні) зміни рівня підземних вод. Найвище положення його припадає на періоди сніготанення та затяжних дощів. Багаторічні коливання пов'язані із зміною клімату, тобто кількості річних опадів. Середній рівень при цьому знижується або підвищується на тривалий час.

Гідрологічні умови пов'язані із впливом на ґрунтові води річок та водоймищ. Повені на річках викликають тимчасове підняття рівня підземних вод; найбільше безпосередньо біля річки, воно поступово зменшується при віддаленні. Зона впливу річки в пісках може досягати 1...2 км. Спорудження водосховищ призводить до постійного підняття рівня ґрунтових вод і підтоплення територій.

Коливання земної кори при підняттях веде до зниження рівня підземних вод, оскільки породи краще дренуються завдяки заглибленню ерозійних урізів (ярів, долин і т. ін.). При опусканні території протікає зворотний процес: ґрунтові води фільтруються слабко, рівень їх підвищується.

Інженерна (будівельна) діяльність людини в наш час суттєво впливає на стан рівня підземних вод. Водосховища, ставки, системи зрошення, канали та інші споруди інтенсивно підвищують рівень, призводять до формування горизонтів верховодки. Під житловими масивами і особливо під промисловими об’єктами рівень ґрунтових вод з часом підвищується (приблизно на 0.5 м щорічно). Це в пов'язано з утратами води з водонесучих мереж, зменшенням випаровування води внаслідок забудови територій і т. ін.

З різних причин склад ґрунтових вод з часом може змінюватися. Найпоширенішими причинами, що ведуть до зміни якості води є фільтрація її через породи різного складу, (наприклад, то через піски, то через засолені суглинки), інтенсивне відкачування води, яке призводить до засмоктування солоної води з інших горизонтів, зменшення атмосферних опадів, виробнича діяльність людини, що веде до проникнення в підземні води шкідливих домішок.

6.7.2. Спостереження за рівнем підземних вод.

В складних інженерно-геологічних умовах (високий рівень підземних вод, слабкі гірські породи, наприклад, леси, агресивні підземні води та ін.) виникає необхідність в регулярних спостереженнях за режимом грунтових вод. Для цих цілей використовуються обладнані відповідним чином бурові спостережні свердловини, розміщені в необхідних місцях (поодинокі або розміщені в певному порядку). У кожній свердловині визначають глибину появи води, сталий рівень води, що називається статичним. Надалі проводяться систематичні спостереження за динамікою рівня підземних вод та інших режимних чинників. Для визначення глибини залягання рівня використовують такі прилади: мірну рейку (для неглибокого залягання); розмічений тонкий трос, на кінці якого прикріпляють різні пристосування (поплавці, хлопавки, свистки), які при стиканні з водою подають сигнали (свист, стук і т. ін.); рівнеміри з електричними ланцюгами, що дають світловий або звуковий сигнал при стиканні з водою; поплавцеві вимірювачі, за допомогою яких ведуть тривалі постійні спостереження. За даними режимних спостережень складають карти гідроізогіпсів, гідроізотерм, карти хімізму ґрунтових вод.

6.7.3. Карти ґрунтових вод.

Для виявлення характеру поверхні (дзеркала) ґрунтових вод складають карту гідроізогіпсів - ліній, що з'єднують точки з однаковими абсолютними позначками рівня підземних вод. Гідроізогіпси аналогічні горизонталям рельєфу.

Для артезіанських підземних вод складають карти п’єзогіпсів – ліній. які з'єднують точки з однаковими абсолютними позначками п'єзометричного рівня.

Для побудови карти гідроізогіпсів заміряють рівень підземних вод в спостережних гідрогеологічних свердловинах, обладнаних на дослідній території у вигляді певної мережі або створу. Карта складається на певний період часу (найнижчий або найвищий рівень ґрунтової води на певну дату, щомісяця, щодекади).

Карта гідроізогіпсів широко використовується для визначення глибини залягання, напрямку та швидкості руху ґрунтових вод, вибору місця під дренажні споруди та колодязі. Карта дає можливість знайти найбільш сприятливі місця для будівництва споруд з глибоким закладанням фундаментів. Куполоподібні підняття дзеркала води на карті свідчать про можливі утрати води із підземних водоводів.

За картою гідроізотерм визначають, з яких водоводів (гарячого чи холодного водопостачання) відбуваються витоки води. За картою хімізму встановлюють можливі аварійні витоки та проникнення шкідливих речовин у підземні води.

6.8. Динаміка підземних вод.

6.8.1. Основний закон руху підземних води.

Закони руху підземних вод використовують при гідрогеологічних розрахунках водозаборів, дренажів, визначенні запасів підземних вод. Підземні води рухаються внаслідок інфільтрації або фільтрації. При інфільтрації пересування води відбувається при частковому заповнені пор повітрям або водяною парою (зона аерації). При фільтрації рух води відбувається при повному заповнюванні пор або тріщин водою. Маса води, що рухається, створює фільтраційний потік. Рух підземних вод може бути сталим (усталеним) і несталим, напірним і безнапірним, ламінарним і турбулентним. При сталому русі всі елементи фільтраційного потоку (швидкість, витрати, напрямок) не змінюються в часі.

Для безнапірних потоків характерне неповне заповнення водою водоносного шару. Безнапірні потоки мають вільну поверхню, рух води в них відбувається під впливом сили тяжіння, режим фільтрації жорсткий.

Напірні потоки характеризуються повним заповненням водоносного шару водою, мають п’єзометричний рівень, рух води відбувається як під впливом сили тяжіння, так і за рахунок пружних властивостей води, режим фільтрації пружний.

В породах із великими тріщинами і порожнинами рух води швидкий, має вихровий характер, тобто турбулентний.

Найчастіше рух підземних вод в порах гірських порід спокійний, ламінарний. В ґрунті вода створює плоскі, криволінійні і радіальні потоки (рис.11).

Рух підземних вод відбувається при наявності різниці гідравлічних напорів. Вода рухається від місць з високим рівнем до місць з низьким рівнем. Чим більша різниця напорів DН = Н₁ – Н₂, тим швидкість руху підземних вод буде вищою (рис 12). Відношення різниці напорів DН до довжини шляху фільтрації L називають гідравлічним градієнтом I.

I = DН / L.

Рис.11. Форми потоків грунтових вод: а – криволінійний, б – плоский, в – радіальний (розбіжний), г – радіальний (збіжний)

Рис. 12 . Рух потоку ґрунтових вод

Кількість води, яка фільтрується через певний поперечний перетин водоносного шару, залежить від фільтраційних властивостей ґрунту, пропорційна площі поперечного перетину (F), різниці напорів та часу фільтрації, а також має обернено пропорційну залежність від довжини шляху фільтрації, тобто

,

де Q – кількість води (об’єм профільтрованої води, витрати), м³;

F – площа поперечного перетину потоку, м²;

К_ф – коефіцієнт фільтрації, м/добу;

t – час фільтрації, доба;

L – довжина шляху фільтрації, м.

Об’єм води, що фільтрується за одиницю часу через одиницю площі має назву швидкості фільтрації.

де V_ф – швидкість фільтрації.

За законом ламінарної фільтрації Дарсі швидкість руху підземних вод в порах ґрунту прямо пропорційна гідравлічному градієнту. Але це не дійсна швидкість руху води, а фіктивна, оскільки підземні води рухаються не по всій площі F, а лише по порах грунту.

Дійна швидкість руху визначається за формулою:

V = V_ф / n,

де n – площа, що її займають пори у поперечному перетині потоку.

Якщо гідравлічний градієнт I = 1, то V_ф=К_ф, тобто коефіцієнт фільтрації дорівнює швидкості руху води, або об’єму води, що фільтрується за одиницю часу через одиницю площі.

Рух турбулентного потоку не підпорядкований закону Дарсі. В породах з великими пустотами при турбулентному русі води користуються формулою Краснопольського

6.8.2.Коефіцієнт фільтрації ґрунтів.

Коефіцієнт фільтрації входить майже в усі гідрогеологічні розрахунки. Визначають його різними методами, в залежності від необхідної точності. Приблизну величину К_ф можна визначити з таблиці 2.

Таблиця 2

Фільтраційні властивості ґрунтів

В багатьох випадках виникає потреба у більш вірогідних значеннях коефіцієнта фільтрації. Для цього існують різні методи, що поділяються на 3 групи: розрахункові, лабораторні і польові. Найточніші значення К_ф одержують за допомогою польових методів, наближені значення - розрахунковим шляхом.

Розрахунковим шляхом коефіцієнт фільтрації визначається, головним чином, для пісків. Для цього користуються емпіричними формулами, що пов'язують коефіцієнт пористості із гранулометричним складом. Найпростішою є формула

К_ф = 1500 d²₁₀, м/добу,

де d₁₀ - діючий діаметр, мм, тобто такий, що відповідає тому діаметру часток, дрібніше яких в пісках міститься менше 10% від загальної ваги.

Лабораторні методи дають досить вірогідні результати. Суть методів полягає в тому, що породу розміщують у циліндричному посуді і пропускають воду під певним напором. Під час досліду вимірюють кількість води, що профільтрована через породу, час і величину гідравлічного градієнта. Знаючи площу поперечного перетину зразка F та визначивши витрату Q і градієнт I, знаходять коефіцієнт фільтрації

К_ф = Q / F I = V / I

Рис.13 Прилади для визначення коефіцієнта фільтрації.

а) в пісках; б) в супісках та суглинках.

Для лабораторного визначення К_ф існують різні прилади, що поділяються на 2 групи: 1) прилади, в яких К_ф визначається для необтиснутих зразків порід (рис. 13, а); 2) прилади, в яких К_ф визначається в зразках, що знаходяться під певним тиском (рис. 13, б).

Для пісків найбільш розповсюдженим є прилад Тіма-Каменського і трубка СПЕЦГЕО; для суглинків, супісків, лесів - прилади типу ПВГ, що дозволяють визначати К_ф на зразках з непорушеною і порушеною структурою. Для глинистих порід найбільш доцільним є визначення К_ф на зразках з непорушеною структурою, обтиснутих діючим на них в основі будівлі чи споруди навантаженням.

Польові методи дозволяють визначати коефіцієнт фільтрації в умовах будівельних майданчиків. Це забезпечує більш вірогідні результати, оскільки не порушується структура і текстура ґрунтів основи та їх природне залягання. При наявності ґрунтових вод К_ф визначають методом відкачування із гірничих виробок (свердловин), а у випадку сухих порід користуються методом наливання (чи нагнітання) у шурфи (метод Болдирєва А.К.).

Відкачування роблять як з однієї свердловині або шурфу (поодиноке відкачування), так і з групи свердловин (куща) - кущове відкачування. В останньому випадку одна із свердловин використовується як дослідна для відкачування, а решта служить для спостережень за зниженням рівня підземних вод навкруг дослідної свердловини. Кількість води Q, що відкачується із свердловини при певному зниженні рівня S, залежить від коефіцієнта фільтрації порід і відстані, на яку розповсюджується зниження рівня (радіуса депресійної вирви, радіуса впливу). Значення К_ф, які одержують при відкачуванні, є середніми для дослідної товщі. Для розрахунку величини К_ф користуються формулою:

де Q - витрата води, що її відкачують із дослідної свердловини при забезпеченні в ній постійного зниженого рівня, м/добу;

x₁, x₂- відповідні відстані двох спостережних свердловин від дослідної, м;

y₁, y₂- рівні води у спостережних свердловинах, м.

6.8.3. Напрямок, швидкість і витрати потоку ґрунтових вод.

Для вирішення практичних завдань водопостачання або обладнання дренажних споруд майже завжди необхідно мати відомості про напрямок та швидкість руху ґрунтових вод. Визначають напрямок і швидкість руху у польових умовах різними методами.

Напрямок потоку. Є кілька способів визначення напрямку руху ґрунтових вод. На карті гідроізогіпсів напрямок потоку визначається за допомогою висотних позначок гідроізогіпсів (вода тече в напрямку зменшення висот) (рис.14).

Рис.14 Визначення напрямку руху підземних вод за картою гідроізогіпсів

В разі відсутності даних для побудови карти гідро ізогіпсів, користуються методом трьох свердловин. Між найбільшою і найменшою позначками РПВ знаходять точку з позначкою рівня третьої (середньої) свердловини. Дві однакові позначки з'єднують лінією, до якої проводять перпендикуляр із найбільшої позначки. Цей перпендикуляр і вказує напрямок руху води (рис.15).

Рис.15 Схема для визнчення напрямку руху грунтових вод за трьома свердловинами:1- напрямок руху води; 2 – гідроізогіпса

 з відміткою 40,6 м.

Для визначення напрямку руху користуються також колориметричним, соляним або електролітичним методами. Для цього пробурюється декілька свердловин по периметру з дослідною свердловиною у центрі. В дослідну свердловину уводять органічну фарбу, сіль або електроліт і фіксують його появу у спостережних свердловинах.

Швидкість руху ґрунтових вод. Оскільки вода рухається в породах з неоднаковою швидкістю, мова може йти про середню швидкість руху. Ця швидкість визначається тими ж методами, що і напрямок.

Метод барвників і соляний полягає в тому, що у напрямку руху води пробурюють дві свердловини. Барвник або сіль уводиться в ту свердловину, яка знаходиться вище за течією (це дослідна свердловина). Поява барвника в спостережній свердловині дозволяє визначити відрізок часу (t₁ - t₂), напротязі якого вода подолала шлях l між свердловинами. Швидкість руху буде:

V = l / t₁ - t₂,

де t₁ - час введення барвника (солі); t₂, час появи барвника (солі) в спостережній свердловині.

Замість барвника або солі можна користуватися електролітом (NH₄Cl, NaCl та ін.). В цьому випадку електричний ланцюг складається у двох свердловинах, віддалених на 2...4 м одна від одної. У нижній свердловині за допомогою амперметра фіксують підвищення електропровідності води за рахунок появи електроліту. Максимальна електропровідність відповідає часу t₂.

Крім названих методів швидкість руху води можна визначити за допомогою карти гідроізогіпсів, користуючись формулою V=К_ф·I. Для цього необхідно знати коефіцієнт фільтрації порід і знайти гідравлічний градієнт.

6.8.4. Витрати плоского потоку.

Потік підземних вод може бути безнапірним і напірним. Вода може рухатися в однорідних і неоднорідних шарах, при горизонтальних і похилих водотривах.

1. Витрати безнапірного потоку в однорідних шарах. Водотрив горизонтальний.

Витрати води визначаються за законом Дарсі

,

,

де В – ширина потоку, м; Н_ср – середня потужність потоку; Н_ср = (Н₁+ Н₂)/2; м;

I_ср – середній гідравлічний градієнт I_ср=(Н₁- Н₂)/L;

Н₁ i Н₂ – напори в точках 1 і 2.

Витрати плоского потоку шириною В = 1 м визначаються за формулою

q = Q / B=К_ф(Н²₁- Н²₂)/2L,

тут L – довжина потоку.

Рис.16 Ґрунтовий потік з горизонтальним водотривам.

2. Витрати безнапірного потоку в однорідних шарах. Водотрив похилий.

Витрати плоского потоку шириною В = 1 м визначають також за законом Дарсі

q = К_фF I_cр = К_фL h_cр I_cр= К_ф (h₁+ h₂)/2 (Н₁- Н₂)/L,

h_cр – середня висота потоку шириною 1 м; h_cр= h₁- h₂/2;

I_ср - середній гідравлічний градієнт; I_ср=(Н₁ - Н₂)/L.

Рис.17 Горизонт ґрунтових вод з ухилом.

3. Витрати напірного потоку в однорідному шарі.

Витрати напірного потоку на 1 м ширини потоку при постійній потужності водоносного шару.

q = К_фF_ср I_cр = К_ф h_в(Н₁- Н₂)L,

де Н₁ і Н₂ – п’єзометричні рівні води в точках 1 і 2; h_в - 

Якщо потужність напірного шару змінюється на ділянці L, то витрати на 1 м ширини потоку складуть

q = К_фF_ср I_cр = К_ф (h₁ + h₂)/2 (Н₁ - Н₂)/L,

де F_ср – середня площа потоку, F_ср = (h₁ + h₂)/2;

I_cр - середній гідравлічний градієнт; I_ср=(Н₁ - Н₂)/L,

При значній різниці в потужності водоносного шару для розрахунків використовують формулу Біндемана:

.

Якщо підземні води рухаються в неоднорідних водоносних шарах, то витрати визначають за середнього значення коефіцієнта фільтрації К_фср.

Рис.18 Рух напірного потоку: а) при постійній потужності; б) та в) при змінній потужності.

6.9. Приплив ґрунтових вод до водозаборів

6.9.1. Депресійна вирва і радіус впливу.

При відкачуванні води внаслідок тертя між водою та частками ґрунту відбувається лійкоподібне зниження рівня. Утворюється вирва депресії, що має у плані колоподібну форму. У вертикальному перерізі вирва обмежується кривими депресії, кривизна яких зростає при наближенні до місця відкачування.

Радіус вирви депресії називають радіусом впливу R. Величина R входить до багатьох розрахункових формул. Найчастіше радіус впливу визначається за формулою Кусакіна

R = 1.95S ,

де S - зниження рівня води у центрі вирви під час відкачування, м; H - потужність горизонту ґрунтових вод, м; K_ф - коефіцієнт фільтрації, м/добу.

Для напірних водоносних горизонтів радіус впливу розраховують за формулою Зіхгарта:

R = 10S

Найбільш вірогідні значення R одержують спостереженням за рівнем води в свердловинах, що пробурені у двох чи трьох поперечниках від дослідної свердловини.

Розмір депресійної вирви залежить від гранулометричного складу і величини пор в гірських породах. Піски та гравій мають широкі вирви з великими радіусами впливу, малопроникні суглинки - менші вирви з невеликими радіусами впливу.

Для орієнтовних розрахунків можна використовувати табличні значення радіуса депресії (див. табл.2).

Таблиця 2

Середні значення радіуса депресії

6.9.2. Приплив ґрунтових вод до водозаборів.

Прогнозування можливого припливу ґрунтових вод до свердловин, колодязів, будівельних котлованів і траншей (канав) має велике практичне значення. Воно дозволяє запроектувати найкращу систему водозаборів або запропонувати ефективні заходи зниження рівня ґрунтових вод.

В залежності від конфігурації виробки бувають круглі (свердловини, колодязі), квадратні (колодязі та котловани) і прямокутні (траншеї, рови, канави). Котловани, свердловини і колодязі відносять до вертикальних водозабірних споруд, канави і траншеї – до горизонтальних.

Свердловини, котловани, колодязі та траншеї, дно яких досягає водотривів, називають довершеними, а якщо дно знаходиться вище від водотриву - недовершеними. Рівень води до відкачування називається статичним, а під час відкачування - динамічним.

Колодязі (котловани).При відкачуванні води із колодязя, свердловини або котловану утворюється депресійна вирва, рівень води у виробці знижується. Продуктивність виробки визначається величиною дебіту. Дебіт - це та кількість води, яку може дати виробка в одиницю часу при постійному водозниженні. Якщо води відкачується більше, ніж величина дебіту виробки, тобто більше тієї кількості, яка припливає до неї, тоді рівень води в водозаборі різко знижується.

Приплив води до довершеного колодязя або котловану визначають за формулою:

де Q - витрата (дебіт) свердловини, колодязя або котловану при відкачуванні, м³/добу; К_ф - коефіцієнт фільтрації, м/добу; Н – статичний рівень води у виробці, м; h – динамічний рівень води у виробці, м; r - наведений радіус (радіус кола, рівновеликого за площею колодязю або котловану), м; R - радіус впливу колодязя (котловану), м.

Рис. 19 Схема припливу безнапірних підземних вод а - до довершеного колодязя; б- до недовершеного: 1- водотрив; 2 – водоносний горизонт; 3 – зона аерації; 4 – колодязь; 5 – статичний рівень води; 6 – крива депресії; 7 –умовний водотрив

До недовершенного колодязя (котловану) вода прибуває через його стінки і дно. Дебіт таких виробок менший, ніж довершених. При відкачуванні вода прибуває тільки із частини водоносного шару (із активної зони його). Глибина активної зони H_a дорівнює 4/3 висоти стовпа води у колодязі до відкачування.

Дебіт недовершеної виробки (котловану) визначають за формулою Дюпюі

,

R_k = R + r,

де R визначається з формули І.П. Кусакіна, S - глибина зниження рівня підземної води при відкачуванні, м.

Траншеї, канави і рови призначенні для зниження рівня грунтових вод. Вони належать до системи дренажних устроїв. Вода до траншеї може прибувати з обох боків або з одного. Дебіт довершеної траншеї із двобічним припливом води визначають за формулою

На схилах вода до траншеї може надходити з одного боку. Дебіт траншеї з однобічним припливом – за формулою

,

де Q - витрата (дебіт) траншеї, м³/добу; К_ф -  коефіцієнт фільтрації м/добу; l- довжина траншеї (канави), м; h - висота стовпа води у канаві, м; R - радіус впливу, м.

Витрати недовершених траншей та канав визначають за формулою:

Q_н = Q t/Н

де Q_н - витрата недовершеної канави (траншеї), м^з/добу; Q - витрата довершеної канави, м³ /добу; t - відстань від дна канави до РПВ, м;

Н – потужність горизонту ґрунтових вод, м.

Дренажні траншеї або канави (відкриті траншеї) працюють ефективно, коли відстань між ними <2R, тобто за умови перетинання депресійних кривих, так званого взаємовпливу водозаборів.

Одночасне відкачування води з траншей викликає змикання вирв депресії, виникає спільна зона зниження рівня підземних вод. Сумарний дебіт водозабірних споруд, що зазнають взаємовпливу, завжди менший, ніж сума дебітів тих же споруд, якщо вони працюють поодиноко. Розрахунок взаємовпливу складний, є в довідниках.

6.10. Методи боротьби з ґрунтовними водами при будівництві.

При високих рівнях ґрунтові води перешкоджають веденню будівельних робіт. а тому застосовують різні заходи водозниження. Основні з них такі:

- відкритий відлив води;

- поверхневі горизонтальні дренажі;

- вертикальні дренажні споруди.

При наявності сприятливих умов рельєфу можна відвести воду безпосередньо самопливом із котловану до річки чи балки. Часто для боротьби із підземними водами застосовують декілька методів у комплексі.

Відкритий відлив води являє собою відкачування насосами безпосередньо із котлованів. Він здійснюється із невеликих приямків у дні котловану - зумпфів. Для покращення припливу вода до зумпфів на дні котловану обладнують горизонтальні канавки із ухилом. Відкритий відлив застосовується тільки для неглибоких котлованів у стійких породах. Він непридатний для пісків і ґрунтів, схильних до опливання, для зсувних схилів, при можливості прояву суфозійних явищ і т. ін.

Горизонтальний дренаж застосовують при наявності сприятливих рельєфних умов. Він забезпечує зниження рівня підземних вод відведенням води за допомогою канав (траншей), підземних галерей та інших горизонтальних дрен (рис. 20)

Рис. 20 Дренажні траншеї: а – відкриті; б- закриті

Горизонтальні дрени являють собою відкриті канави або закриті траншеї, на дні яких кладуть перфоровані труби. Траншеї заповнюють добре фільтруючим матеріалом. У деяких випадках споруджують водозбірні галереї, на дні яких кладуть залізобетонні перфоровані труби діаметром до 1.5 м. Глибина горизонтального дренажу не перевищує 5...10 м (як виняток - до 15...20 м).

За розміщенням у плані дрени поділяються на кільцеві, контурні та складні. Кільцеві застосовують тоді, коли вода прибуває до котловану з усіх боків. При однобічному припливі застосовують контурні та складні дрени; їх розміщують так, щоб перехопити і відвести від котловану (кар’єру) потік ґрунтових вод.

Зібрані води скидають самопливом або штучним перекачуванням у річки, балки чи поглинальні колодязі.

Вертикальний дренаж це осушувальна система, що складається із серії вертикальних дрен:

- водознижувальні свердловини,

- голкофільтри,

- поглинальні колодязі.

Водознижувальні свердловини обладнують турбінними насосами. котлован оточують системою свердловин, з яких періодично відкачують воду. З’єднання між собою депресивних вирв веде до загального зниження рівня.

Голкофільтри - це металеві трубки діаметром 33...75 мм, на нижніх кінцях яких є фільтри і кульові клапани. Заглиблення (вдавлення) голкофільтрів в ґрунт виконують за допомогою його підмиву з використанням стиснутого повітря чи води під тиском. Голкофільтри широко використовуються для попереднього зниження рівня ґрунтових вод, їх влаштовують навколо котловану (див. рис.21) і з’єднують спільним збірним трубопроводом з насосною установкою. Глибина зниження рівня води за одноярусного розміщення голкофільтрів досягає 5...6 м, а при застосуванні "глибинних" голкофільтрів до 12...15 м.

Рис.21. Водознижувальні роботи у котловані за допомогою голкофільтрів: а- будівельний майданчик, б - схема

1- котлован, 2- голкофільтри.

Поглинальні колодязі застосовують при наявності водопроникних порід у нижній частині товщі, в яку буде поступати вода із верхніх горизонтів, осушуючи останні. Поглинальні виробки скидають воду як в безводні, так і в обводнені породи. Поглинальними можуть бути свердловини, шурфи, колодязі. Вони можуть частково або повністю осушувати кар’єри, котловани.

В окремих випадках доцільно влаштовувати комбінований дренаж, який поєднує елементи вертикального і горизонтального дренажу.

Застосовують різні схеми розміщення дренажів в плані відносно будівель і споруд.

Контурні системи захищають від підтоплення підвальні приміщення окремих будинків. Пластовий дренаж захищає споруду від можливого підтоплення. Головний дренаж назначають для зниження рівня ґрунтового потоку, живлення якого відбувається збоку. Береговий дренаж – захист споруд від підтоплення водою, яка фільтрується з водосховищ. Систематичний дренаж застосовують для рівномірного осушування рівнинних ділянок з неглибоким заляганням підземних вод.

Рис.22 Схема поглинального колодязя

6.11. Охорона підземних вод.

Основними заходами щодо охорони підземних вод є запобігання виснаження підземних вод та захист їх від забруднення.

Під виснаженням запасів підземних вод розуміють їх зменшення в процесі водовідбору без поповнення. Ознакою виснаження є прогресуюче зниження динамічних рівнів водоносного горизонту, що експлуатується. Досить часто витрати при цьому не змінюються. Знижений РПВ після припинення водовідбору не відновлюється протягом кількох років внаслідок недостатнього живлення. Під впливом довготривалої експлуатації водозаборів підземних вод навколо них утворюються значні депресійні вирви, так звані райони депресії. Вони мають значне зниження в центрі. Так під Москвою сформувалась вирва радіусом до 20 км і глибиною до 70...80 м. П’єзометричний рівень підземних вод в середньому знижується до 3...5 м на рік. Виснаженню вод сприяє також неконтрольований самовилив артезіанських вод з дебітом >1000 м³/доб.

Для запобігання виснаження підземних вод все частіше застосовують штучне поповнення їх запасів, більш раціональне розташування водозаборів по площі, вводять крановий режим експлуатації самовиливних свердловин.

Під забрудненням підземних вод розуміють такі зміни в їх якості, які призводять до перевершення допустимих концентрацій окремих компонентів і загальної мінералізації води та роблять її непридатною для використання.

Основними джерелами забруднення підземних вод є:

- басейни побутових і промислових стоків;

- ділянки складування відходів;

- забруднення води поверхневих водоймищ;

- зіпсована каналізаційна мережа;

- надмірне застосування добрив та ядохимікатів.

До природних джерел забруднення відносять сильно мінералізовані підземні або морські води

Ґрунтові води і особливо верховодка більш за все зазнають забруднення, оскільки вони не захищені зверху товщею водотривких порід, які є бар’єром для проникнення забруднюючих речовин. Артезіанські води забруднюються значно менше. За відсутності водонепроникних покривних порід інтенсивно забруднюються тріщині і карстові води. Існують різні види забруднення.

Хімічні забруднювачі найбільш поширені, стійкі, мають значне проникання. Вони можуть бути органічними (феноли, ядохімікати) і неорганічними (солі, кислоти, луги), токсичними (миш’як, солі цинку, ртуті, свинцю) і нетоксичними. Найбільшого поширення (до 10 км) сягають джерела хімічного забруднення в ґрунтах зі значною водопроникністю. В глинистих ґрунтах хімічні речовини сорбуються частками породи, окислюються і відновлюються, але повного самоочищення не відбувається.

Бактеріальне забруднення пов’язане з наявністю у воді патогенних бактерій. Цей вид забруднення має тимчасовий характер. Інтенсивність бактеріального забруднення залежить від величини початкового забруднення, водопроникності ґрунтів і часу виживання бактерій.

Радіоактивне забруднення характеризується довгоживучими радіоактивними елементами, які є у воді і мають підвищену здатність до переміщення підземними потоками (стронцій-90, уран, радій-226, цезій та ін.). Радіоактивні елементи можуть проникати в воду з радіоактивних порід або штучних радіоактивних джерел.

Механічне забруднення пов’язане з попаданням в підземні води механічних домішок, які утворюються стічними водами. Ці домішки погіршують якість води.

Теплове забруднення пов’язане з підвищенням температури підземних вод внаслідок їх змішування з нагрітими технологічними стічними водами.

Інтенсивно забруднюються ділянки із слабким відпливом, при наявності западин.

Засоби боротьби з забрудненням підземних вод:

– токсичні води закачують через свердловини в глибокі водоносні горизонти;

– водозабірні споруди розташовують вище можливих ділянок забруднення потоку води;

- навколо водозаборів влаштовують зони санітарної охорони.

Ділянки санітарної охорони мають 2 зони: Перша зона суворого режиму включає ділянки, які безпосередньо знаходяться біля водозаборів. Межа зони розташована на віддалі > 30 м від водозаборів при експлуатації артезіанських вод і не менше 50 м при експлуатації ґрунтових вод.

Друга зона - зона обмеження, охоплює територію на якій обмежується виробнича та господарська діяльність людини. Розміри зони перевищують 1 км, і залежать від типу водозабору і санітарних умов району.

7. Основи ґрунтознавства

7.1. Загальні відомості

Ґрунт - це гірська порода, що знаходиться у сфері взаємодії інженерної споруди і розглядається з інженерно-будівельної точки зору як основа фундаментів будівель і споруд.

Наука про ґрунти називається ґрунтознавством, вона вивчає умови утворення, фізико-механічні і фізико-хімічні властивості ґрунтів та зміни їх внаслідок будівництва.

Переважне значення у ґрунтознавстві має вивчення властивостей пухких грубоуламкових, піщаних і глинистих ґрунтів, оскільки масивні тверді скельні ґрунти, що мають жорсткі зв'язки між зернами і досить високу міцність, не викликають побоювання щодо стійкості будівель і споруд.

Пухкі піщано-глинисті ґрунти не мають жорстких зв’язків між частками, мають нестійкі фізико-механічні властивості, крім того, вони широко розповсюджені на поверхні землі і тому досить часто слугують основами будівель і споруд, середовищем та матеріалом для будівництва.

7.2. Ґрунт як дисперсна система.

Накопичення у вигляді піщаних, пилуватих і глинистих утворень називають дисперсними ґрунтами. Вони являють собою багатофазну систему, тобто дві або більше речовин рівномірно розподілені одна в одній. Фази взаємодіють через поверхню поділу і чим вона більша, тим активніша їх взаємодії Дисперсні системи із розміром часток дисперсної фази від 1 до 100 мкм - це колоїдні системи. Вони характеризуються відносною нестійкістю, тобто існують тільки за певних умов; при зміні останніх вони випадають в осад внаслідок коагуляції колоїдів. Цей осад називають гелем або студнем; на відміну від нього колоїдні системи з рідким дисперсним середовищем називають золем. Коагуляція відбувається за зміни складу і концентрації солей або електролітів в системі внаслідок висушування або заморожування. Такі катіони як Са⁺ і Мg⁺ сприяють коагуляції. а Nа⁺ і К⁺ - диспергації. Якщо в колоїдній системі переважає Nа⁺, то вона легко переходить із гелю в золь, а якщо Са⁺ або Мg⁺, то золь практично не утворюється. Такі властивості глинистих колоїдних систем мають важливе значення для оцінки інженерно-геологічних властивостей глинистих порід. Наприклад, якщо породи, що складають схил, залягають на глині, насиченій катіонами натрію і калію, то навіть при порівняно невеликій вологості покрівля глини буде мати розріджений шар, внаслідок чого верхні породи будуть по ньому зсуватися вниз - утвориться зсув. Таке явище переходу гелю в золь називають пептизацією.

Пептизація глинистих ґрунтів використовується при занурюванні в грунт деяких видів паль, опускних колодязів, обсадних залізобетонних кілець, навкруги яких утворюють пептизовану оболонку, котра грає роль мастила.

Дуже важливими властивостями колоїдних систем є електроосмос та електрофорез. Суть в тому, що частки дисперсної фази несуть на собі електричний заряд, а тому при пропусканні через колоїдну систему електричного струму вони рухаються до протилежно зарядженого електроду (глинисті частки - до аноду, це і є явище електрофорезу). Дисперсна фаза (середовище), у нашому випадку вода, рухається до другого електроду (до катоду). Це і є електроосмос.

Такою особливістю дисперсних систем користуються при осушенні та укріпленні (зміцненні) ґрунтів за допомогою електричного струму.

В дисперсних ґрунтах спостерігається тісна взаємодія твердої, рідкої та газоподібної фаз. В залежності від умов існування ґрунту значення цих фаз змінюються і разом з цим змінюється і фізико-механічні властивості ґрунту; за цією ознакою виділяють одно -, двох - і трьохфазні ґрунти.

Однофазні - це сухі ґрунти (звичайно піщані), що складаються тільки із твердої та газоподібної фази. Однофазними їх називають тому, що газоподібна фаза у даному випадку практично не впливає на механічні властивості ґрунту.

Двохфазні - складаються практично із твердих частинок і води, тобто, це водонасичені ґрунти.

Трьохфазні - це ґрунти, що містять у порах між мінеральними частками воду і повітря; повітря в цьому випадку уже впливає на властивості ґрунту. Такий поділ ґрунтів досить схематичний, але він дозволяє давати кількісну оцінку їх фізико-механічних властивостей із достатньою для практики будівництва точністю,

Головною складовою ґрунту є тверда фаза. Вона визначає його класифікаційне положення і фізико-механічні властивості. Суттєву роль при цьому грає речовинний і гранулометричний склад.

7.3. Речовинний склад.

Тверда фаза складається із мінеральної та органічної частин. Мінеральна частина складається із первинних мінералів, що перейшли з материнської породи, і вторинних, що утворилися пізніше, внаслідок руйнування і перетворення первинних мінералів.

Первинні мінерали - це уламки кварцу, польових шпатів, лусочки слюд; вторинні - це глинисті мінерали (каолініт, монтморилоніт, гідрослюда), карбонати, оксиди і гідрооксиди заліза, алюмінію, кремнію та ін. Первинні мінерали є скелетом ґрунту, а вторинні є його цементом. Великий вплив на властивості ґрунту мають глинисті мінерали, (особливо монтморилоніт), а також водорозчинні мінерали.

Ґрунти також містять деяку кількість органічних домішок. Це можуть бути торф і гумус.

Гумусом називають складний комплекс органо-мінеральних сполук, що утворилися внаслідок біохімічних перетворень, зв'язаних із життєдіяльністю різних мікроорганізмів. До складу гумусу входить вуглець, кисень, водень і азот.

Торф являє собою напіврозкладену масу рослинних залишків, у яких в залежності від ступеню розкладення інколи можна розпізнати будову речовини, з якої він утворився.

Наявність органічних речовин підвищує вологоємкість, пластичність ґрунту, здатність до набрякання, знижує водопроникність і водовіддачу.

За наявності 5% органічних домішок в піщаних і 10% в глинистих ґрунтах останні не можуть використовуватись як основи будівель і споруд

7.4. Гранулометричний склад ґрунту

Кожна пухка пилувато - глиниста порода складається із уламків різноманітних розмірів. Уламки (частки) приблизно однакового розміру об'єднуються у групи, які називаються фракціями. Кількісний вміст цих фракцій називається гранулометричним складом. Ця дуже важлива характеристика ґрунту має суттєве значення для оцінки їх літології і фізико-механічних властивостей.

Гранулометричний склад сипких пухких ґрунтів (пісок, гравій і т. ін.) визначають ситовим методом: ґрунт сіють через сита з різними розмірами отворів.

Значно складніше визначити гранулометричний оклад глинистих ґрунтів (супісків, суглинків, глини). Ці породи потребують різних видів попередньої підготовки:

- це мікроагрегатна, коли зцементовані групи зерен (агрегати), попередньо руйнують до мікреагрегатів;

- напівдисперсна, коли руйнують значну частину мікро агрегатів;

- дисперсна, коли руйнують мікроагрегати та ультрамікроагрегати і у складі суспензії залишаються тільки монозерна.

У кожному випадку ґрунт спочатку розтирають у ступі, потім кип'ятять у дистильованій воді, а далі розділяють частки різними методами (піпеточним, аерометричним, відкаламучуванням), що основані на різних швидкостях осідання часток різного розміру у спокійній воді після її скаламучування (закон Стокса).

7.5. Основні фізичні властивості ґрунтів

Основними фізичними властивостями ґрунтів є щільність часток, щільність ґрунту і його вологість.

Значення щільності входить до багатьох розрахункових формул: при визначенні тиску ґрунту на підпірну стінку, в розрахунках стійкості зсувних схилів, укосів, при визначенні тиску на ґрунт в підвалинах будівель, осіданні споруд і т. ін.

Щільність(густина) часток ґрунту (r_S) - це відношення маси часток, висушених за температури 100...105°C, до об'єму витиснутої ними води. Щільність часток ґрунту залежить від мінерального складу ґрунту. Домішки органічних речовин, сульфатів та інших легких мінералів знижують густину часток ґрунту до 2.4...2.5 г/см³, глинистий ґрунт має густину часток в межах 2.65...2.7 г/cм³, піщаний – 2.6 г/см³.

Значення щільності часток використовується в розрахунках.

Щільність ґрунту (r) - це відношення маси ґрунту (m) до загального його об’єму (V):

r= m/V, г/см³

Визначається щільність за методом ріжучих кілець. Щільність ґрунтів змінюється в досить широких межах і свідчить про потенційну можливість ущільнення ґрунту.

Вологість ґрунту (W) - це відношення маси води до маси твердих часток. Визначається методом висушування при 105°С.

Розглянуті характеристики встановлюються безпосередньо на зразках ґрунту експериментальним шляхом. З допомогою формул за цими характеристиками визначають похідні характеристики: щільність сухого ґрунту, пористість, коефіцієнт пористості, ступінь вологості.

Щільність сухого ґрунту (r_d) - це відношення маси твердих часток (m_s) до загального об'єму ґрунту ; щільність сухого ґрунту також визначається з виразу:

r_d = r/(1+W).

У практиці будівництва ця величина використовується для оцінки ущільнення ґрунту.

Пористість (n) - це відношення об'єму пор (V_n) до загального об’єму ґрунту, визначається за формулою

, або .

Найбільшу пористість мають пилувато-глинисті ґрунти (леси 50...52%, глини до 60...70%, піски 28...35% ).

Коефіцієнт пористості (е) - це відношення об’єму пор до об'єму твердих часток. (V_S)

,  або 100%.

Коефіцієнт пористості, що характеризує щільність ґрунту, застосовують набагато ширше, ніж пористість. Так, за величиною коефіцієнта пористості піщані ґрунти поділяють на щільні (e<0.55), ґрунти з середньою щільністю (0.55…0.75) і пухкі (e>0.75). Чим більша щільність ґрунту, тим менше значення має коефіцієнт пористості, отже щільніший ґрунт має кращі будівельні властивості, ніж пухкий.

Ступінь вологості характеризує ступінь заповнення пор ґрунту водою і змінюється від 0 до 1. Ступінь вологості визначається за формулою

,

де r_W = 1 гр/см³, густина води.

За ступінню вологості піщані ґрунти розділяють на маловологі (S_r < 0.5), вологі (S_r = 0.5...0.8) та насичені водою (S_r > 0.8).

Наведені вище характеристики використовують для розрахунку основ, визначення розмірів фундаментів та величини їх осідання.

8. ПРИРОДНІ ГЕОЛОГІЧНІ ТА ІНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ.

Усі процеси, що протікають у надрах землі або на її поверхні, поділяються на ендогенні або внутрішні (гороутворення, землетруси, магматизм, метаморфізм та ін.) і екзогенні або зовнішні (вивітрювання, геологічна робота рік, морів, вітру, льодовиків, атмосферних опадів, а також прояв таких явищ як зсуви, пливуни, карсти, суфозія, просідання та інші).

Екзогенні геологічні та інженерно-геологічні процеси протікають у верхній зоні земної кори та на поверхні землі, змінюють стан і властивості певних типів гірських порід (посадкових, набрякливих і т.п.), впливають на геоморфологію території, стійкість будівель і споруд. Ці процеси проходять як під дією природних сил, так і внаслідок інженерної діяльності людини.

Головними чинниками екзогенних геологічних процесів є повітря, вода, органічний світ. Під дією річних та добових змін температури, кисню, вуглекислоти, поверхневих та підземних вод, вітру, льодовиків проходить руйнування гірських порід, транспортування їх і накопичення в іншому місці.Інженерна діяльність людини може обмежувати або активізувати хід геологічних процесів. Інженерно-геологічні процеси на відміну від природних, проходять локально (в місцях інженерної діяльності) та інтенсивніше (наприклад, опускання поверхні землі при відкачуванні підземних вод, чи при розробці корисних копалин і т.ін.).

8.1. Вивітрювання гірських порід.

8.1.1. Види вивітрювання.

Сутність процесу вивітрювання зводиться до механічного подрібнення та зміни мінералогічного складу гірських порід під дією коливання температури, води, діяльності рослин і організмів, кисню, вуглекислоти та ін. У залежності від діючих чинників розрізняють три типи вивітрювання:

1) фізичне (механічне);

2) хімічне;

3) органічне.

Фізичне вивітрювання обумовлене коливанням температури та дією води. При почерговому нагріванні та охолодженні гірських порід утворюються мікротріщини, згодом вони збільшуються, в них попадає вода, яка при мінусових температурах замерзає і посилює руйнування порід. При замерзанні вода збільшується в об’ємі на 9% і передає при цьому тиск на стінки тріщини до 240МПа.

Масивна порода із жорсткими зв’язками між частками перетворюється на скопище уламків, слабко зцементованих один з другим.

Найбільше піддаються температурному вивітрюванню грубозернисті полімінеральні породи із різними коефіцієнтами об’ємного розширення мінералів, що їх складають наприклад, ортоклаз-0,00017, кварц-0,00031). При температурному розширенні виникає значне напруження. Так, при нагріванні кварцу від 20° до 60° тиск на кристал становить 54,5МПа.

Деякі породи розтріскуються при поперемінному зволоженні та висиханні (наприклад, мергель), перетворюючись у скопище дрібних уламків. Механічне руйнування виникає також при кристалізації солей у капілярах, дії коріння рослин і т.ін.

Хімічне вивітрювання - це руйнування гірських порід, яке супроводжується зміною їх мінерального складу під дією води, кисню, вуглекислоти, органічних кислот. Процеси хімічного вивітрювання досить складні і різноманітні.

Найпростіший вид хімічного вивітрювання - це розчинення у воді.Інший процес - це гідратація, яка полягає у вбиранні мінералом води, молекули якої входять у просторову кристалічну решітку (наприклад, перехід ангідриту у гіпс

СаSO₄+H₂O® СаSO4·H2O

При цій реакції значно збільшується об'єм породи (на 50-60%).

Значно розповсюджені також процеси окислення, що приводять до руйнування піриту з утворенням сірчаної кислоти:

FeS₂+**+H₂O® FeSO₄+H₂SO₄

Стійкими щодо хімічного вивітрювання є кварц, корунд, мусковіт; середню стійкість мають апатит, біотит, ортоклаз; найменш стійкими є кальцит, пірит, рогова обманка та ін.

Органічне вивітрювання полягає у дії на гірські породи організмів та рослин. Під дією коріння відбувається механічне руйнування, під дією гумінових кислот та бактерій - біохімічне.

8.1.2.Елювій і делювій.

Продукти вивітрювання гірських порід, що залишаються на місці утворення, називаються елювієм; змиті атмосферними водами або переміщенні під дією сили тяжіння до підніжжя схилу -делювієм.

Елювій пов'язаний із корінними породами і поступово переходить до них; це, як правило, уламково-глинисті породи.

Делювій - це грубоуламковий, піщаний, пилуватий та глинистий ґрунт, часто із проявами грубої слоїстості.

Елювій і делювій являють собою неміцні підвалини для фундаментів різних споруд; вивчення будівельних властивостей їх досить утруднене внаслідок неоднорідності їх.

,

8.1.3. Боротьба з вивітрюванням

При будівництві різних споруд дуже вивітрілі породи видаляють або зміцнюють їх шляхом ущільнення, цементації і т.ін. Просочування пісків глинистим розчином значною мірою зменшує їх водопроникність.

Для боротьби з вивітрюванням застосовують такі заходи:

- покриття гірських порід різними матеріалами, непроникними для вивітрювання;

-просочування порід різними речовинами; (цементним, глинистим розчином, рідким склом і т.ін).

- нейтралізація агентів вивітрювання;

-планування території і відведення поверхневих вод.

Вибір того чи іншого заходу залежить від ступеню і характеру вивітрілості порід, конструктивних особливостей споруди і т. ін.

Покриття гірських порід здійснюється гудроном, бетоном, цементним розчином, глиною плівками. Добрим ізоляційним матеріалом є суглинок.

Просочують породи рідким склом, гудроном, цементним, або глинистим розчином, що значною мірою зменшує їх водо проникність.

Дію підземних вод нейтралізують улаштуванням дренажів Поверхневі води відводять ливне стоками, нагірним канавами, поглинальними колодязями та ін.

8.2. Геологічна робота вітру

Геологічна діяльність вітру полягє в руйновані гірських порід, перенесенні продуктів руйнування та їх акумуляції.
Ці процеси тісно пов'язані між собою і носять назву
еолових.

Руйнівна робота полягає у видуванні (дефляції) дрібних часток і обточуванні (коразії) порід дрібними уламками, що переносяться вітром. Вітер, що має швидкість 4-5 м/сек, уже починає видувати пухкі породи і переміщувати частки розміром 0,25мм, а при швидкості біля 10м/сек. переносить навіть пісок. Внаслідок дефляції утворюються негативні форми рельєфу - улоговини, западини.

Обточування, шліфування порід за допомогою піщинок, що їх несе вітер /коразія/ призводить до утворення химерних форм скель /останці/, підточених знизу /грибоподібні скелі, що хитаються, еолові стовпи/.

Вітер переносить глинисті, пилуваті і дрібнопіщані частки
/розміром 0,25 мм/ на відстань сотень і навіть тисяч кілометрів.
Транспортування відбувається у виваженому стані, а також шляхом перекочування.

Рухомі піски спостерігаються на берегах морів та озер /дюни/ і в пустелях /бархани. Бархани - це піщані пагорби серповидної форми з пологими(8-14⁰) з боку піддуву вітру і стрімкими /30-35⁰/ з протилежного боку. Висота барханів в пустелях Середньої Азії досягає 60 -70м, в Сахарі - до 200м.

Дюни - це піщані горби від 20 до 40 м заввишки, які утворюються на побережжях морів та озер. Рухаються за рахунок перекочування піщинок вітром. Швидкість руху від 0,5-1,0 до 20-22м на рік.

Рухомі піски засипають сільськогосподарські угіддя, будівлі, шляхи, оазиси. В Середній Азії, в Прибалтиці є поховані під піском міста і села,

Під час будівництва та експлуатації будівель і споруд необхідно вести постійну боротьбу з рухомими пісками. Найчастіше застосовують такі методи захисту від наступу рухомих пісків:

1) установлення щитів на шляху руху пісків („передова дюна”).

2) насадження рослинності з добре розвиненою кореневою
системою, яка закріплює верхній шар;