Капиллярный подъем воды в грунтах

2.2. Капиллярные и фильтрационные свойства грунтов

При осушении из грунта удаляется только гравитационная, или свободная вода. Гравитационная вода – это свободная вода, не связанная с частичками грунта, которой заполнены поры, капилляры и пустоты грунта. Эта вода под действием силы тяжести может передвигаться вниз и вытекать из грунта, а под действием капиллярных сил подниматься по узким порам (капиллярам) вверх.

Подъем воды в грунте происходит благодаря капиллярному давлению на границе вода – воздух. Величина капиллярного давления определяется по формуле Лапласа

где σ – поверхностное натяжение воды; φ – краевой угол; R – радиус капилляра. Для торфяных систем сos   1.

Под действием этой силы жидкость будет подниматься вверх, до тех пор, пока сила капиллярного давления Рк не уравновесится весом столба жидкости Рж, т.е. Рк = Рж. В свою очередь вес столба жидкости Рж высотой h определится из формулы

Рж = h∙ρв∙g , (2.2)

где h – высота поднятия жидкости в капилляре; ρв – плотность воды; g – ускорение свободного падения.

Приравняв правые части уравнений (2.1) и (2.2) получим высоту поднятия жидкости в капилляре [10]:

Эта формула называется формулой Жюрена (1718 год).

Из этой формуле видно, что чем меньше радиус капилляра тем выше по нему поднимается вода.

Так, если для песка, имеющего средний диаметр частиц 0,5 мм, а следовательно и более крупные капилляры, высота поднятия воды составляет 279 мм, то для глины со средним диаметром частиц 0,005мм и более мелкими капиллярами – 1537мм. В породах, составленных из частиц крупностью более 2,5 мм, капиллярного поднятия не замечается. Основным фактором, влияющим на высоту поднятия воды в капиллярах торфа, является его степень разложения. На высоту капиллярного поднятия, кроме величины пор, оказывают влияние химический состав грунта, чередование генетических слоев торфяной залежи, различных в капиллярном отношении, температура жидкости и влажность торфа. С увеличением влажности породы капиллярное поднятие в ней ускоряется.

Кроме того в тонких капиллярах торфяной залежи вода, контактирующая со стенками капилляра приобретает совершенно иные свойства, сходные со свойствами твердого тела. На высоту поднятия воды в торфяных капиллярах влияет гидрофобизация материала за счет наличия в торфяной воде битумов, гуматов и др. химических компонентов. Поэтому, несмотря на то, что с увеличением степени разложения торфа его дисперсность увеличивается, а радиус капилляров уменьшается, высота капиллярного поднятия не всегда согласуется с формулой (2.3).

По данным Л.И. Кутаиса [6] максимальная высота капиллярного поднятия для верхового сфагнового торфа низкой степени разложения составляет 50 см, для осоково-сфагнового торфа средней степени разложения – 25 см, а для осоково-сфагнового торфа высокой степени разложения – 13 см, хотя в другом источнике приводятся несколько противоречивые данные [9]. Вместе с тем, в результате многократного прохода торфодобыващих машин по торфяной залежи за счет ее уплотнения и уменьшения размера пор высота капиллярного поднятия может увеличиться на 25 – 30 %.

Передвижение грунтовых вод происходит благодаря пористому строению грунта, Единственной силой, вызывающей его, является гидравлический градиент напора I, который характеризует собой уклон свободной поверхности грунтовых вод или пьезометрической поверхности напорных вод.

Движение грунтовых вод характеризуется направлением и скоростью. Направление движения грунтовой воды бывает самым различным, и чтобы определить его, пользуются методом треугольника. Суть этого метода в следующем. На местности сооружают 3 колодца и путем нивелирования определяют отметки уровней воды в них. По отметкам уровней воды в колодцах строят карты гидроизогипс (гидроизогипсы – линии на карте или плане, соединяющие точки одинаковых отметок поверхности грунтовых вод над уровнем моря или условной нулевой плоскости).

Рис. 2.3. Схема определения направления движения грунтового потока

Направление движения грунтового потока будет перпендикулярно к гидроизогипсам.

По картам изогипс можно определить уклон поверхности грунтового потока, а, зная уклон и коэффициент фильтрации, вычислить скорость движения грунтовых вод.

Движение воды в горных породах происходит за счет разности уровней ее в двух сечениях (рис.2.1). Разность уровней h = h1 – h2 создает напор, под действием которого вода от сечения  движется в направлении сечения . Скорость подземного потока v зависит от напора и длины пути фильтрации l. С увеличением напора она возрастает, а с увеличением пути фильтрации уменьшается. Отношение

называется гидравлический уклон (гидравлический градиент напора) и выражает падение напора воды на единицу пути фильтрации.

Движение подземных вод зависит от характера и размера пор, пустот, трещин, по которым движется вода, а также от величины гидравлического градиента. Движение подземных вод может быть ламинарным и турбулентным. В большинстве горных пород, например в песке, супеси, суглинках, в торфе движение грунтовой воды носит, как правило, ламинарный характер и подчиняется закону Дарси

v = KфI , (2.5)

где v – скорость движения грунтовых вод, м/с;

Кф – коэффициент фильтрации, м/с;

I – гидравлический градиент напора.

При I = 1 v = Kф, т.е. коэффициент фильтрации численно равен скорости движения воды при гидравлическом градиенте напора равным единице. Закон Дарси справедлив лишь для потоков с ламинарным режимом, т.к. только в этом случае скорость течения воды пропорциональна пьезометрическому уклону в 1-ой степени. Установлено, что закон Дарси применим лишь при незначительных пьезометрических уклонах. Так академик Н.И. Павловский считает пределами применимости закона Дарси при I = 0,0006 – 0,01.

Закон Дарси является основным законом ламинарной фильтрации. Скорость движения воды при ламинарном режиме составляет 10 -3 – 10 -7 м/с. Можно считать, что ориентировочно ламинарная фильтрация имеет место при условии, что критерий Рейнольдса Rе ≤ 6.

Скорость фильтрации v не является действительной величиной скорости движения воды в порах. Она представляет собой такую скорость, с какой двигалась бы вода, если бы грунта не было и все сечение было занято водой, т.е. v – некая фиктивная скорость.

Действительная скорость течения воды в порах получится, если расход грунтового потока Q разделить на площадь поперечного сечения пор ωn

где n – пористость грунта.

При турбулентном движении скорость подчиняется нелинейному закону и определяется по формуле Краснопольского

где Кв – коэффициент водопроницаемости грунта.

Ламинарный режим движения грунтовых вод имеет место в песчаных, глинистых и торфяных грунтах, а турбулентный – в галечнике, каменной наброске и т.п.

Гидравлический градиент напора I можно определить по изогипсам или вычислить по формуле

где Δh – разность напоров в начале (h1) и в конце (h2) участка фильтрации; L – длина пути фильтрации.

При I = 1 v = Кф т.е. при напорном градиенте, равным единице, скорость фильтрации численно равна коэффициенту фильтрации. Следовательно, Кф является показателем водопроницаемости грунта.

В минеральных грунтах его величина зависит от механического состава, структуры, пористости и др. (табл. 2.1).

Коэффициент фильтрации в торфе зависит от степени его разложения, дисперсности, водонасыщения, направления фильтрации, степени осушенности и др. факторов и имеет очень сложный характер. Торфяная залежь относится к неоднородным грунтам, в которых коэффициент фильтрации, гидравлический уклон и скорость движения постоянно меняются во времени. В торфяном грунте отмершие органические остатки образуют сложные переплетения из неразложившихся корней, пней, стеблей и болотных растений, создавая нечто вроде скелета, в полости которого вкраплены в большей или меньшей степени хорошо разложившиеся аморфные частицы торфа – коллоиды.

Движение воды в торфяной залежи происходит по преобладающему направлению структурных пор преимущественно в малоразложившихся слоях торфа, в то время как коллоидные частицы торфа, будучи пропитаны водой, практически являются непроницаемыми для воды. Водопроводящую роль играют также и прослойки минерального грунта, встречающиеся в торфяных отложениях. Под влиянием осушения и сопровождающего его явления осадки структура торфяного скелета изменяется, отчего изменяется и водопропускная способность торфа.

Движение воды в торфяной залежи осложняется присутствием так называемого жильного движения воды. При наличии особой внутризалежной проводящей системы в виде водяных жил, протоков или русел, являющихся погребенными древними речными руслами, движение воды в них часто имеет наибольшее значение по сравнению с фильтрацией. В торфяной залежи значительную роль в переносе воды играет «сверхмакроструктура», т.е. наличие водных жил, ходов и т.п. Поэтому коэффициенты фильтрации торфа Кф, определяемые в лабораторных условиях, дают локальные их значения и получаются в несколько раз меньше результатов, полученных в полевых условиях.

Вопросу изучения водопроницаемости торфа посвящено большое количество исследований отечественных и зарубежных ученых. Большая библиография по этому вопросу приведена в [8.]. К настоящему времени еще нет единой методики определения Кф как в полевых так и в лабораторных условиях. Принятие единой методики определения коэффициента фильтрации торфа Кф особенно важно для торфяных залежей, так как его величина значительно зависит от условий проведения опыта: направления фильтрации, градиента напора, времени сначала фильтрации, продолжительности расхода воды, фильтрующейся жидкости, водонасыщенности, соотношения диаметра и высоты образца т. д. [8].

Торфа одной степени разложения, но разного ботанического состава резко отличаются значением водопроницаемости. Одной из характерной особенностей торфяных грунтов является то, что они имеют различную фильтрационную способность в вертикальном и горизонтальном направлениях. Исследованиями установлено, что величина Кф на верховой залежи в горизонтальном направлении примерно в 30 – 50 раз больше, чем в вертикальном.

Абсолютные значения горизонтальной водопроницаемости торфяной залежи зависят от их ботанического состава, степени разложения R и в меньшей степени от зольности.

Наибольшей фильтрационной способностью отличается неразложившийся моховой очес Кф = (0,86…4,3) м/сут. и более, древесный и тростниковый торф Кф = (2,6…13) м/сут., травяной торф имеет коэффициент фильтрации от 0,26 до 4,3 м/сутки.

На основе обобщения материала обширных полевых исследований рекомендуются следующие расчетные значения Кф для неосушенной залежи[13]:

верховая R = 5 – 10 % Кф = (0,86…4,3) м/сут.;

R > 10 % Кф = (0,09…0,86) м/сут;

низинная – осоково-гипновый R = 20…25 % Кф = (0,17…0,43м/сут.;

осоковый и тростниково-осоковый Кф = (0,17…1,7) м/сут.;

древесно-тростниковый Кф = (2,6…8,6) м/сут.;

тростниковый с корневищами тростника Кф = (43…48)м/сут.;

Как правило, торф низинного типа обладает более высокой фильтрационной способностью, чем верховой. Поэтому низинная залежь гораздо легче поддается осушению, чем верховая. Древесный торф имеет более высокий Кф, чем травяной. С увеличением степени разложения торфа уменьшается Кф.

Изменение Кф при осушении может быть спрогнозировано по формуле [8]

где Кф и Кфо – текущий и начальный коэффициенты фильтрации;

t – годы осушения; m = 0,4 – 0,6 для низинной залежи и m = 0,8 – 1,5 для верховой.

Коэффициенты фильтрации после осушения уменьшаются в 10…70 раз преимущественно в первые два-три года.

Для ориентировочных расчетов при проектировании осушительных систем на торфяных залежах средние значения физико-технических свойств и фильтрационной способности различных торфов могут быть приняты по данным приведенным в табл. 2.2.

Численные значения Кф для некоторых грунтов [по 11]

Капиллярное поднятие

Капиллярное поднятие Капиллярное поднятие – поднятие воды, содержащейся в грунте, по пустотам капиллярного размера под действием сил её поверхностного натяжения. Поднятие воды в капиллярах происходит за счёт энергии взаимодействия молекул воды с молекулами поверхности, разделяющей воду и частицы грунта, в результате поверхностного натяжения воды. В капиллярах между частицами поверхность воды приобретает вид вогнутых менисков, а сила поверхностного натяжения направлена по касательным к вогнутым поверхностям менисков. Под влиянием суммы вертикальных составляющих этих сил вода по капиллярам поднимается на высоту капиллярного поднятия. Его высота увеличивается с ростом поверхностного натяжения, уменьшением радиуса пор, плотности поровой жидкости и с увеличением угла смачивания и капиллярного давления.

Высота капиллярного поднятия

Величина высоты капиллярного поднятия определяется зависимостью h_c=2 σcosθ /rρ_wg= P_кап/ρ_wg, где σ – поверхностное натяжение жидкости; θ – угол смачивания; r – радиус капилляра; ρ_w – плотность воды; g – ускорение свободного падения.

В грунтах высота капиллярного поднятия зависит от их минерального и химического составов, структурно-текстурных особенностей, состава и свойств поровой жидкости. Влияние химико-минерального состава проявляется через угол смачивания, который зависит от смачиваемости минерала жидкостью. У гидрофильных минералов θ→0, у гидрофобных θ→90 0 . Гидрофильные плёнки на поверхности частиц увеличивают величину капиллярного поднятия, гидрофобные снижают её. Влияние структурно-текстурных особенностей грунтов проявляется через их дисперсность, увеличиваясь с её ростом.

Высота капиллярного поднятия в однородных несвязных грунтах (по А. Аттенбергу)

Размер частиц, слагающих грунт, мм

Высота капиллярного поднятия, см

Просачивание и капиллярный подъем воды в песках

А. Газен делал опыты над скоростью вертикального просачивания воды через различные пески. Он экспериментировал как с песка­ми природными, представляющими естественные смесп разнородных зерен, так и с фракциями определенного диаметра, полученными отсеиванием и отмучиванием из естественных смесей. Газен пришел к заключению, что всякую естественную песчаную породу, состоящую из разно­образных зерен, можно заменить породой искусственной, состоящей из зерен одного определенного диаметра, причем скорость просачивания в этой последней будет такая же, как к в естественной породе. Если мы естественную породу разобьем на фракции при помощи сит и отметим диаметр того сита, которое задержало на себе 90% песчинок и про­пустило 10 %. то через песок из зерен такого диаметра вода будет просачиваться так, как через всю природную смесь. Диаметр зерен, соответствующий диаметру сит, пропускающих только 10 % породы, Газен назвал действую­щим (эффективным — d_ef ) диаметром. Оказалось, что для расчетов значение действующего диаметра имеет огромное значение. Если пропускать воду через два сорта песка, из которых у одного действующий диаметр равен 0,1 мм, а у другого 0,2 мм, то скорость движения воды во втором случае будет в 4 раза большей, чем в первом; другими словами, скорости просачивапия относятся как квадраты действующих величин.

• Капиллярность. Многочисленные наблюдения показывают, что скорость и высота капиллярного поднятия находятся в зависимости от состава грунта -ц почвы, ее структуры, петрографического состава, содержания солей и, наконец, от влажности и температуры, причем выясне­ны в общем следующие закономерные соотношения. Скорость капиллярного поднятия воды в грубозерни­стых породах больше, чем в мелкозернистых, но высота поднятия тем значительнее, чем мельче частица породы; поднятие воды идет тем медленнее, чем выше она подня­лась, и такое замедление в поднятии происходит тем ско­рее, чем грубее зерно породы.
• При диаметре зерен 2—2,5 мм капиллярное поднятие воды почти незаметно и даже совершенно отсутствует.
• При комковатой структуре почвы, в особенности рыхлой, скорость и высота поднятия понижаются по срав­нению с порошковатой почвой, и тем сильнее, чем крупнее комки; при плотном залегании комочков не происходит существенной разницы в окончательной высоте поднятия воды.
• Высота подъема воды увеличивается по мере уплотне­ния почвы. Высота капиллярного поднятия определяется по формуле:

где R — радиус капилляра; А — капиллярная постоян­ная жидкости, равная высоте подъема ее в смачивающейся трубке радиусом в 1 мм; р — плотность жидкости; g — ускорение силы тяжести.

Для воды А = 15,4 при 0° С. Поры определенной величины (вероятно, 0,005—0,1 мм) проводят воду скорее всего; при более узких капиллярных порах вследствие усиления трения и прилипания, а также при более широких порах вследствие уменьшения поверхност­ного натяжения капиллярное поднятие воды замедляется.

• Из составных частей почв и пород скорее всего подни­мает воду кварцевая пыль, затем гумус и, наконец, глина; зато присутствие гумуса и особенно тонких глинистых частиц значительно повышает высоту капиллярного подня­тия.
• Присутствие растворимых солей в почве замедляет поднятие воды; оно сильнее в том случае, если соли не поглощаются почвой (например, поваренная соль).
• Камни, находящиеся в породе или почве, замедляют капиллярное поднятие.
• При чередовании различных по механическому соста­ву горизонтов капиллярное поднятие идет гораздо быстрее из слоя крупнозернистого в мелкозернистый, чем в обрат­ном направлении. При расположении крупнозернистых слоев на мелкозернистых вода по капиллярам в первых будет подниматься только в том случае, если в мелкозерни­стой породе капиллярная вода поднимается выше контакта мелкозернистых слоев с крупнозернистыми; если же эти слои будут находиться выше, то вода в них не пойдет.
• На капиллярное поднятие воды в породе влияют также влажность и температура последней; так, поднятие воды по капиллярам из влажной породы в сухую может иметь место лишь в том случае, если влажность первой породы выше 50% ее полного насыщения. По мере увеличе­ния степени влажности породы вода поднимается быстрее. Даже небольшие дожди, смачивая сухую почву, повышают, по-видимому, быстроту поднятия воды, способствуя таким образом усиленному притоку ее снизу вверх. Верно ли последнее предположение, пока еще не проверено, но дей­ствительно нередко приходится наблюдать как бы оживле­ние растительности после незначительных дождей.

Из изложенного выше видно, что величины, найден­ные для капиллярного поднятия влаги в воздушно-сухой породе (как это обыкновенно практикуется в лаборатории), не применимы к полевым условиям, так как в последнем случае вода движется в более или менее увлажненной среде.

При повышении температуры породы скорость капил­лярного поднятия воды несколько возрастает, но оконча­тельная высота поднятия уменьшается. Это явление нахо­дится в зависимости от уменьшения удельной вязкости воды при повышении ее температуры.

Набор трубок для изучения капил­лярного поднятия воды

Глубина, с которой может подниматься вода, различна для разных грунтов, но в общем не превышает, по Ротми­строву, 1 м глубины. Атмосферные осадки, просочившиеся глубже этого предела, называемого Ротмистровым «крити­ческим горизонтом», уже не могут подняться вверх капил­лярным путем.

Найденная Ротмистровым величина, очевидно, относит­ся только к условиям одесского опытного поля, где работал этот исследователь. По данным других исследователей, капиллярная вода может подняться, хотя и очень медлен­но, до 2—3 м (в лессах) или не достигнуть высоты 1 м (например, в песке). Предел поднятия воды в наиболее мелкозернистых грунтах, по лабораторным исследованиям, лежит на высоте около 2 м. В естественных условиях, по наблюдениям Измаильского и Высоцкого, можно допустить, что в плотных мелкозернистых грунтах вода капиллярно может подняться (хотя и очень медленно) до высоты около б м.

В начале поднятия вода движется в почве (черноземе) со скоростью около 1—2 см/мин; высоты в 50 см вода достигает за 2—3 дня и движется па этой высоте со скоро­стью около 1 мм/ч; чтобы подняться воде до высоты 1 м, требуется уже 2—3 месяца при скорости движения в пос­леднее время менее 0,5 см/сут; наконец, для достижения высоты 2 м необходимо около года, причем скорость движе­ния воды на этой высоте менее 1 мм/сут. По скорости поднятия воды на различные высоты можно приблизитель­но определить количества воды, доставляемые почвами на ту или иную высоту, считая при этом, что для смачива­ния известного объема почвы (чем выше, тем меньше) требуется, по данным некоторых авторов, от 25 до 15% воды по объему.

Водные свойства глин и глинистых пород существенно отличаются от свойств песков. Уже при рассмотрении капиллярных свойств грунтов мы видели, насколько они разнятся в песках и глинах. Также отличны и другие свойства этих двух групп пород. Гидрогеологи и теорети­чески и практически занимаются преимущественно порода­ми группы песков. Гидродинамические явления в послед­них изучены уже довольно хорошо. Что же касается глини­стых грунтов, то гидрогеологическая практика в отноше­нии их крайне ограничена. В настоящее время водные свойства этих грунтов изучаются почти исключительно грунтоведами и почвоведами, у которых гидрогеологи и черпают свои сведения

Вода в грунте и ее влияние на строительные процессы

Наличие грунтовых вод в зоне строительных работ (рытье котлованов, возведение фундаментов, проходка тоннелей и шахт, траншей и других земляных выработок) в значительной степени затрудняет производство работ без специальных мероприятий по их снижению или осушению. Нередко ведение работ без водопонизительных мероприятий приводит к тяжелым последствиям. Так, разработка земляных выработок без водопонизительных мероприятий влечет за собой к снижению прочностных и деформационных характеристик грунтов основания будущего сооружения, оплыванию откосов котлованов, выпиранию грунтов на забоях шахт и тоннелей, обрушению откосов траншей и котлованов.

Прежде чем управлять грунтовыми водами для защиты зоны строительства от их воздействия необходимо сформулировать основные представления о воде в грунтовой среде, где выделяются:

Гигроскопическая вода — образуется в результате поглощения паров частицами грунта и удерживается ими с большой силой. Плотность воды достигает в среднем 2. Такая вода не передает гидростатическое давление.

Пленочная вода — образуется вследствие конденсации паров, образуя слой вркруг гигроскопической воды. Такая вода передвигается от более толстых слоев в сторону тонких и так же не передает гидростатическое давление.

Гигроскопическая и пленочная воды могут быть удалены из грунта только путем высушивания при температуре 105- 110°С.

Капиллярная вода — образуется в пористой среде силами поверхностного натяжения. Зона капиллярного насыщения в грунте, как правило, располагается над пьезометрической поверхностью грунтовых вод, где давление равно атмосферному. В связи с тем, что пористая среда грунта представляет сложную систему с капиллярными проходами различных диаметров, то капиллярная зона насыщения грунта по степени насыщения по высоте меняется.

В непосредственной близости от пьезометрической поверхности имеет место полное насыщение, в то время как у верхней границы степень насыщения этой зоны приближается к нулю.

Капиллярная вода передает давление, передвигается под влиянием разности напоров, поверхностного натяжения и силы тяжести; поэтому она участвует в фильтрационном движении вместе с гравитационной зоной насыщения.

Капиллярная зона насыщения в грунте может иметь место как при наличии гравитационной воды, так и при ее отсутствии. Исходя из условия образования, капиллярная вода может превратиться в подвешенную (когда она не имеет контакта с уровнем грунтовых вод). Чем меньше размеры непрерывных пор в грунте, тем больше высота капиллярного поднятия.

Полная высота капиллярной зоны насыщения, когда она снизу контактирует с грунтовыми водами, ориентировочно имеет следующие значения, см:

• в крупнозернистых песках, не содержащих мелкой фракции, — 2–5
• в среднезернистых песках — 10–30
• в мелкозернистых песках — 30–60
• в супесях — 60–120
• в суглинках — 120–300
• в глинах — более 300

Однако следует отметить, что высота капиллярного поднятия в основном зависит от мелкого заполнителя. Если поры даже крупнозернистого песка или гравия полностью заполнены более мелким, например глинистым грунтом, то высота капиллярного поднятия определяется именно этим грунтом.

От уровня грунтовых вод и до верхней границы капиллярной зоны в капиллярной воде имеет место давление меньше атмосферного — вакуум.

Распределение давлений в воде капиллярной зоны насыщения грунта носит гидростатический характер, с той лишь разницей, что в эпюре давление меньше атмосферного: у верхней кромки — максимальное отрицательное давление, равное высоте капиллярного поднятия в данном грунте, а на нижней границе, на уровне грунтовых вод, давление равно атмосферному. Ниже этой границы линия эпюры пересекает вертикальную ось ординат и эпюра давлений с положительными значениями увеличивается сверху вниз.

По мере снижения уровня грунтовых вод капиллярная зона также перемещается вниз и несколько вытягивается в связи с тем, что в ней имеется большее количество тонких пор, которые не заполняются капиллярной водой при обратном процессе ( при подъеме уровня грунтовых вод) наличия в грунте больших пор, прерывающих сплошность тонких капилляров (явление капиллярного гистерезиса).

Капиллярная зона в слабопроницаемых грунтах почти полностью насыщена водой. В этой зоне остаются незаполненными поры тех размеров, которые не соответствуют капиллярному поднятию на высоте нахождения этих пор.

Физическую закономерность степени насыщения капиллярной зоны грунта по вертикали можно объяснить только диаметром пор. Высота полного насыщения (при подаче воды в пористой среде снизу вверх) определяется порами грунта максимальных размеров. Выше них эти крупные поры при капиллярном поднятии снизу вверх не могут быть заполнены водой. Далее «эстафету» продолжают поры грунта, имеющие меньшие размеры, и также прекращают свое действие всасывания на высоте, соответствующей капиллярному поднятию данных размеров пор. На последнем этапе участвуют наиболее мелкие поры грунта, которые и определяют полную высоту капиллярного поднятия, высоту зоны капиллярного насыщения грунта.

Однако этот процесс нельзя отождествлять с закономерностью распределения частиц в грунте, так как речь идет о замкнутых крупных порах, в которых при капиллярном подъеме остается защемленный воздух.

При обратном процессе это явление не происходит, поэтому высота капиллярной зоны несколько увеличивается, а крупные поры остаются заполненными водой по всей высоте капиллярной зоны. Этим объясняется опасность ведения строительных работ после снижения уровня грунтовых вод, когда у дна котлована остается толща грунта с зоной капиллярного насыщения. В этом случае при работе механизмов, особенно при их динамическом воздействии, грунт легко разжижается, мешает производству строительных работ, несмотря на достаточно низкое расположение пьезометрической поверхности грунтовых вод.

Нередки случаи, когда капиллярная зона насыщения грунтовых вод работы строительных механизмов превращалась в гравитационную зону, что приводило к тяжелым последствиям (растекание намывной плотины Киевской ГЭС в 1967 г., оползни на Мармарикской земляной плотине Армении в 1973 г. и др.).

Особую опасность грунт представляет при землетрясениях. В этом случае огромные участки перенасыщенных грунтов мгновенно превращаются в жидкую грунтовую массу. Ярким примером такого эффекта явились оползневые процессы при землетрясении в Армении (7 декабря 1988 г.) и Таджикистане (23 января 1989 г.).

Так, в Армении активизировались оползневые участки в гг. Дилижане, Гукасяне и внезапно разжижился и растекся насыпной участок железной дороги под станцией Налбанд Спитакского района. Здесь, в течение нескольких десятков секунд земляной массив насыпи протяженностью более 100 м и высотой порядка 5 м сплюснулся и перекрыл находящуюся рядом автомобильную дорогу. Деформации от землетрясения оползневого тела в г. Дилижане привели к аварийному состоянию ряда пятиэтажных зданий. В Таждикистане в Гиссарской долине в кишлаке Шарора землетрясением было образовано гигантское оползневое тело из разжиженной массы, которая на своем пути разрушила сотни жилых домов, унося тысячу человеческих жизней.

Таким образом, с целью предотвращения катастрофических неожиданностей, связанных с разжижением грунтовых масс, следует вести постоянный контроль за влажностью не только земляных платин, насыпей и других искусственных земляных сооружений, но и действующих и потенциально оползневых участков особенно в районах с высокой сейсмичностью.

Физическую сущность этого явления объясняют тем, что при незначительном сокращении пористости грунта в капиллярной зоне насыщения при динамических воздействиях вода в порах грунта из капиллярной превращается в гравитационную. Имеющее место отрицательное давление переходит в положительное гидростатическое с соответствующим напором. При нахождении этой зоны выше окружающей дневной поверхности, она превращается в жидкую грунтовую массу с определенным гидродинамическим давлением, сплющивается и растекается по окружающей территории. В связи с этим одним из существенных недостатков обычного водопонижения при близком расположении водоупорных слоев от дна котлована является невозможность откачки воды из капиллярной зоны, в связи с чем эта зона ведения строительных работ над водоупором остается неосушенной.

Немало ущерба приносит капиллярная зона насыщения и после завершения строительства, когда после восстановления статического уровня грунтовых вод нижние части зданий и сооружений оказываются в зоне действия капиллярных вод.

Все это говорит о большом значении учета капиллярной зоны насыщения грунтов как в процессе строительства, так и при эксплуатации зданий и сооружений.

Свободная гравитационная вода образуется и передвигается в порах песка под влиянием силы тяжести или разности пьезометрического напора. В зависимости от гидрогеологических условий, водопроницаемости слоев и условий образования грунтовые воды в природе встречаются вертикальные, наклонные и горизонтальные в напорных и безнапорных горизонтах. Водоносными являются слои грунтов, в порах которых вода сравнительно легко перемещается. К ним относятся гравелистые, песчаные и супесчаные грунты.

К относительно водоупорным слоям относятся глины и плотные суглинки, поры которых настолько малы и гидравлическое сопротивление в них настолько велико, что они считаются практически непроницаемыми.

При необходимости управления грунтовыми водами для той или иной цели следует установить физические параметры воды, заключенной в порах осушаемой зоны, а также выявить, в каких водоносных линзах, слоях или горизонтах она располагается, каковы ее гидродинамические характеристики.

По условиям залегания подземные воды подразделяют на верховодку, грунтовые, межпластовые, а также трещинные и карстовые.

Верховодкой называют локальное скопление подземных вод в определенной зоне грунта, которая гидравлически не сообщается с водоносными горизонтами и ее наличие в основном носит временный характер. Причиной появления линз или прослоек верховодки являются подстилающие блюдообразные слои слабопроницаемых или практически водоупорных грунтов, над которыми в хорошо проницаемых слоях накапливаются инфильтрационные воды. Неправильное определение параметров верховодки или ошибочное отнесение грунтовых вод к верховодке часто в процессе строительства и эксплуатации сооружений приводит к тяжелым последствиям.

При изысканиях нередко не определяются параметры подземных вод, характер их залегания, область питания и направление движения, поэтому верховодкой нередко называют воды, скапливающиеся в геологоразведочных скважинах, проходимых в слабопроницаемых грунтах.

Грунтовыми водами принято называть верхний водоносный горизонт, имеющий сверху свободную поверхность, не перекрытую водоупорными слоями. Водоносный горизонт грунтовых вод располагается над водоупором. Грунтовые воды имеют постоянную область питания за счет инфильтрации атмосферных осадков, конденсации водяных паров, а также утечек из поверхностных природных и искусственных водоемов.

Нередко грунтовые воды образуются в результате подпитки из нижерасположенных напорных горизонтов, либо путем восходящей фильтрации воды через разделяющий слабопроницаемый слой, либо через участки естественного или искусственного разрыва этого слоя (грунтовые воды Араратской долины и др.).

Грунтовые воды находятся в постоянном движении. В равнинных местах скорость их движения в горизонтальном направлении обычно незначительна, поэтому их можно назвать бассейном грунтовых вод, и наоборот, на участках с уклонами поверхность грунтовых вод, в основном повторяет уклон рельефа и скорости грунтовых вод сравнительно большие.

От правильной оценки характера и параметров фильтрационного потока грунтовых вод зависит эффективность выбранного способа защиты строительных котлованов от их воздействия.

Напорными и артезианскими называются водоносные слои, залегающие между водоупорными слоями. Воды в этих слоях обладают гидростатическим напором. Области их питания те же, что и для грунтовых вод. Артезианские горизонты подземных вод имеют вогнутую форму, поэтому основной участок артезианского бассейна напорный. В отличие от артезианских напорные горизонты, заключенные между сравнительно плоскими водоупорными слоями, иногда могут превращаться в безнапорные горизонты, если зеркало грунтовых вод отрывается от подошвы верхнего водоупорного слоя. В этом случае управление фильтрационным потоком осуществляется так же, как и в безнапорных грунтовых водах.

В горных районах строительства особый интерес представляют подземные воды, сформированные в трещиноватых и закарстованных зонах скальных, полускальных и других грунтов.

Трещинные воды перемещаются в гидравлически взаимосвязанных системах трещин. Трещинные подземные воды питаются за счет инфильтрационных вод и отличаются значительными колебаниями уровня, поэтому они могут образовать фильтрационный поток грунтовых вод также и в покровных осадочных грунтах, когда их уровень превышает верхнюю границу скальных пород. Водоупором водоносного горизонта трещинных вод обычно служит более плотный монолитный участок нижних скальных пород.

В отличие от водоносных горизонтов обычных грунтовых вод управление трещинными водами представляет сложную задачу и в основном зависит от степени их изучения. Трещинный водоносный горизонт в каждом случае требует индивидуального подхода как на этапе изыскания, так и на этапе проектирования и осуществления мероприятий по их управлению для защиты зоны строительства и эксплуатируемых объектов.

Взаимодействие грунтовых вод с покровными осадочными грунтами нередко приводит к оползневым процессам, в основном после нарушений целостности или равновесия покровного слоя.

При правильном определении характера функционирования трещинных и карстовых вод и их параметров можно предусмотреть эффективные средства предотвращения подтопления строительных котлованов, эксплуатируемых сооружений, а также снижения устойчивости горных склонов.

При возведении зданий и сооружений в зоне функционирования грунтовых вод или же на тех участках, где в дальнейшем они появляются по техническим или другим причинам, грунтовые воды нередко существенно влияют на ход и стоимость строительных работ.

При разработке котлованов или других земляных выемок ниже уровня грунтовых вод, начиная с верхней границы капиллярной зоны насыщения, появляются определенные затруднения, связанные как с состоянием разрабатываемого грунта, так и со свойствами грунтов основания будущего сооружения.

Если земляные работы производят без предварительного осушения грунтов, то по мере отрывки и углубления котлована ниже отметки статического уровня грунтовых вод начинается процесс разуплотнения грунтов основания сооружения. Чем больше разность отметок между статическим уровнем грунтовых вод и дна разрабатываемого котлована, тем больше гидравлический градиент, следовательно, и разуплотняющие вертикальные скорости грунтовых вод. Этот процесс обычно происходит незаметно. Однако прочностные и деформационные свойства грунтов оснований могут существенно ухудшаться. Опасность этого процесса заключается в том, что он происходит после расчета и проектирования оснований по данным геологических изысканий и результатов исследований свойств, полученных для грунтов оснований в их естественном залегании без учета изменения их свойств в результате разуплотнения. Поэтому нередки случаи возникновения аварийных деформаций и повреждений конструкций здания уже в процессе их возведения неравномерных осадков грунтов оснований.

При значительном углублении земляных выработок от уровня грунтовых вод большую опасность представляют также откосы котлованов, которые теряют свою устойчивость, особенно при их устройстве в мелкозернистых песках, супесях, суглинках или в слоистой толще.

Ни один способ конструктивной защиты откосов котлована без водопонижения не гарантирует их устойчивость. Применяемые на практике такие способы защиты откосов как шпунтовые стенки, ограждения из забивных тавровых профилей с вертикальными дощатыми стенками между ними, легко разрушаются при действии грунтовых вод в основном механической суффозии, оплывания, выпора грунтов откосов котлована

Значительный ущерб приносят грунтовые воды при проходке тоннелей и шахт. Если тоннели проходят на достаточно большой глубине или же поверхностная система обычного водопонижения не обеспечивает достаточного понижения уровня грунтовых вод, то грунты забоя оплывают и их разработка становится невозможной.

Неучет возможных влияний грунтовых вод нередко приводит к тяжелым последствиям — огромным завалам и разрушениям призабойной зоны тоннеля с потерями оборудования, к дополнительным затратам по ликвидации последствий аварии и повторной проходке заваленной части тоннеля.

Недостаточное снижение уровня грунтовых вод приводит также к плывунным явлениям при проходке тоннелей и шахт, особенно в слабопроницаемых грунтах, в которых возникновения большого гидродинамического давления на забое происходит выпор грунта.

Грунтовые воды являются также одной из основных причин возникновения оползневых процессов, которые, даже в тех случаях, когда на участке отсутствуют земляные выработки, происходят исключительно в результате изменения прочностных свойств грунтов на поверхности скольжения оползневого тела длительного (а иногда даже не длительного) воздействия грунтовых вод на грунты этой зоны. Особенно ощутимы влияния грунтовых вод на склонах, образованных гидротехническими и мелиоративными сооружениями, при освоении склонов под жилые районы и поселки или же под орошаемые массивы. Возникшие при этом новые подземные фильтрационные потоки склонов приводят к оползневым процессам.

Грунтовые воды, при изменении их статического уровня, также приводят к нежелательным последствиям и аварийным деформациям. В практике нередки случаи, когда подъема статического уровня грунтовых вод замачиваются, подвергаются осадкам и суффозионным деформациям грунты оснований зданий и сооружений, эксплуатируемых до этого нормально десятками лет. Причинами этого является либо неучет прогноза гидрогеологических процессов, либо появление новых ранее непредвиденных техногенных причин, связанных с изменением режима грунтовых вод.

Примером такого процесса повышения уровня грунтовых вод может служить раскрытие артезианского горизонта и перетока напорных вод в верхние слои грунтов, приведшие к резкому подъему безнапорного горизонта грунтовых вод вплоть до выхода этой воды на дневную поверхность (Араратская долина Армении).

Снижение уровня грунтовых вод также оказывает большое влияние на свойства глинистых грунтов. В ряде случаев общее снижение статического уровня грунтовых вод вызывает оседание земной поверхности, следовательно, и грунтов оснований, вызывая тем самым значительные деформации и повреждения зданий и сооружений.

Следует отметить, что нередко и в песчаных грунтах при длительных откачках из водопонижающих и водоснабженческих скважин можно вызвать определенные деформации зоны вокруг грунтов, следовательно, и грунтов оснований, расположенных вблизи сооружений. Это может происходить в основном неправильного выбора отверстий фильтров скважин и частиц контактирующего защитного слоя между фильтром и грунтом. В результате из грунта вместе с грунтовой водой откачиваются и мелкие фракции грунта и образуются пустоты в окружающем скважину грунтовом массиве. Причиной такого явления бывает также агрессивность грунтовых вод к материалам скважины и его фильтрующей поверхности.