Приступая к строительству, специалисты должны учитывать разные факторы, влияющие на его качество. И одним из самых важных факторов является состояние почв, на которых планируются строительные работы.
Это состояние определяется целым рядом физико-химических показателей. Но для качественного и безопасного монтажа едва ли не главным представляется наличие и объемы подземных вод. То, как грунтовые воды расположены по отношению к поверхности, впоследствии скажется на долговечности постройки.
Распространение и классификация
Указанный вид водных ресурсов (рис.1) представляет собой воду, формирующуюся в верхних слоях Земли. Слой грунта, в котором она скапливается под действием комплекса атмосферных и геологических факторов, образует водоносный горизонт. В этом слое происходит как распространение подземных вод, так и их подпитка из разных источников.
Накопление воды в грунтах происходит за счет периодических атмосферных осадков и проникновения (инфильтрации) в почву воды с поверхности. При этом, в отличие от артезианских вод, находящихся на большей глубине, грунтовые не находятся под давлением.
Кроме того, они периодически меняют свой верхний уровень, который зависит от времени года и соответствующих перепадов температур, в период весеннего таяния снега или затяжных ливней вода поднимается на минимальную глубину.
Колебания температур ведут не только к образованию верховодки (сезонного накопления воды в верхних слоях грунта), но и к изменению химического состава воды — минерализации. Такое изменение наблюдается в период максимального понижения уровня подземных вод (межень) или во время паводка, когда верхний срез воды в грунте находится на минимальной глубине.
Обычно грунтовые воды скапливаются в рыхлых, слабо скрепленных друг с другом породах. Они находятся также в трещинах и порах грунта. При этом мощность водоносного горизонта может изменяться в зависимости от тех или иных геологических изменений в водосодержащих земных породах, от расстояния до места разгрузки горизонта, от количества инфильтрованной воды и других факторов.
Благодаря близкому расположению к земной поверхности, грунтовые воды легкодоступны. Этот факт можно считать плюсом в случае, если необходимо получить большие объемы воды (например, для нужд предприятий). Что касается строительной сферы, то грунтовые воды своим относительно неглубоким залеганием часто доставляют серьезные проблемы.
Особенности грунта
Если следовать всем технологическим правилам, то перед началом работ по устройству фундамента следует в процессе инженерно-геологических изысканий определить степень водопроницаемости почвы в рабочей зоне.
От этого параметра часто зависят не только способы и материалы, применяемые для возведения фундамента, но и главный вопрос, можно ли в данном месте начинать стройку.
Все грунты в той или иной степени состоят из твердых и рыхлых пород. Их соотношение, как и определенная плотность пор, пустот и трещин, которые находятся в породах, влияет на водопроницаемость грунта.
По степени водопроницаемости все грунты разделяют на три больших типа — водонепроницаемые (такие грунты эффективно препятствуют инфильтрации воды), водопроницаемые (обладают высокой степенью инфильтрации) и растворимые (активно вымываются скапливаемой в них водой).
К водонепроницаемым грунтам принадлежат такие породы, как глина, осадочные и кристаллические породы. Правда, в некоторых случаях эти породы следует считать условно водонепроницаемыми. Так, при увеличении объемов воды, которая находится в глинистом грунте, жирная глина может незначительно пропускать воду. Водонепроницаемые породы становятся проницаемыми, если в результате каких-либо событий, инженерных или геологических, в них появляются пустоты и трещины.
Водопроницаемые породы, как следует из их названия, пропускают воду. Но из-за разности степеней этого пропускания все они делятся на однородно проницаемые, т.е. пропускают влагу по всей своей толще, и относительно проницаемые породы, т.е. частично пропускающие воду. К первой группе относятся такие породы, как гравий, галечник, различные пески. Наиболее известными представителями второй группы являются мелкозернистый песок и торф.
Породы, хорошо пропускающие влагу, в свою очередь, делятся на два вида по их способности впитывать грунтовые воды. К влагоемким (например, торф) принадлежат породы, способные удерживать в своей толще определенное количество воды. Напротив, невлагоемкие породы (песок, галечники и др.) водой не насыщаются, свободно пропуская ее через свою толщу.
Примерами растворимых горных пород являются соли (поваренная и калийная), известняк, гипс. Там, где они располагаются, при постоянном воздействии на них воды образуются пустоты, грунтовые воронки, карстовые пещеры.
Особенности зонального распределения
Все воды, содержащиеся под землей, разделяются в соответствии с глубиной и условиями их залегания на несколько зон. Собственно грунтовые воды занимают лишь одну из этих зон. При этом главными отличительными критериями являются степень искривленности ландшафта, количество и периодичность атмосферных осадков, сезонные колебания температуры воздуха.
Подземные воды по степени углубления в земную толщу разделяются на воды почвы, верховодку, грунтовые и межпластовые воды (рис.2). Самый верхний слой воды — почвенный — содержится в рыхлой почве и в основном питает влагой растения.
Ниже, но также неглубоко, залегает верховодка. Она характеризуется периодичностью появления, чаще всего в период весеннего таяния снегов или осенних дождей.
Далее следуют грунтовые воды. Как уже было сказано ранее, они образуют самый верхний водоносный горизонт, который сохраняет свою мощность благодаря тому, что ниже него залегает водоупорный, не пропускающий воду, горизонт. Мощность слоя грунтовых вод определяется расстоянием между зеркалом (самой верхней кромкой) грунтовых вод и верхней границей водоупорного горизонта.
Так как грунтовые воды залегают относительно неглубоко от поверхности, они так же, как и почвенные воды и верховодка, подвержены сезонным колебаниям уровня. Иными словами, в период сильных осадков их зеркало поднимается к поверхности земли, а в засушливые — опускается на глубину.
На уровень вод влияют и местные климатические особенности. В частности, в тундре верхняя кромка грунтовых вод находится практически у самой поверхности земли, что приводит к заболачиванию местности. А вот в зоне пустынь и полупустынь грунтовые воды скапливаются на большой глубине (до 100 метров), что сильно затрудняет их добычу.
Ниже грунтовых располагаются межпластовые воды. Так как они скапливаются между двумя водоупорными горизонтами, а объем подземного пространства, занимаемого ими, практически постоянен, то чаще всего они находятся под давлением. Кроме того, повышенным давлением характеризуются воды, которые содержатся в изогнутых (артезианских) геологических структурах.
Температура
Наряду с осадками, особенностями гидравлики той или иной местности, способами хозяйственной деятельности человека, на параметры грунтовых вод существенно влияют температуры воздуха и горных пород. Грунтовые воды могут быть холодными (температура до 20°С), теплыми (20°С — 37°С), горячими (выше 37°С).
Стоит отметить, что чем ближе к поверхности земли залегают такие воды, тем сильнее они подвержены влиянию атмосферных температур и температур поверхностной воды, инфильтрируемой в грунты. При этом грунтовые воды на глубинах до 2 м испытывают суточные температурные колебания.
Более глубокие слои отличаются большей устойчивостью к изменениям температуры в течение суток, но подвержены сезонным термическим колебаниям, сохраняя относительное постоянство своей температуры в течение одного сезона.
Специальное исследование температуры грунтовых вод рекомендуется проводить, чтобы комплексно решать практический вопрос качественного и безопасного строительства. Для строительной сферы, в частности, большое значение имеет выяснение через температурные характеристики особенностей взаимодействия различных водоносных горизонтов друг с другом, источников и условий подпитки из подземных и наземных источников, определение скорости движения воды в водоносных слоях.
Благодаря знанию температурных режимов тех или иных климатических зон, можно определять пригодные для устройства фундаментов глубины и планировать места заложения трубопроводных сетей и прочих коммуникаций, подземных хранилищ.
Важный факторы
- Температура атмосферного воздуха.
- Интенсивность солнечного излучения.
- Стоки поверхностных вод, имеющие определенную температуру.
- Близость больших водоемов, выполняющих функцию стабилизирующего терморегулятора.
- Наличие вблизи водоносных горизонтов крупных промышленных предприятий, населенных пунктов.
- Прокладка подземных линий теплопередач.
Значение для строительной сферы
Наличие в месте будущего строительства подземной влаги, особенно ее избыточного количества, всегда было и остается одной из самых больших проблем для строителей. Эта проблема становится тем серьезнее, чем ближе располагаются заглубленные конструкции к зоне насыщения грунтовыми водами.
Почему следует всегда учитывать фактор подземных вод при любом строительстве? Дело в том, что эти воды, даже находясь в незначительных объемах, в любом случае в большей или меньшей степени влияют на прочность строительных элементов и их долговечность.
Вода из-под земли благодаря действию капиллярных сил, гидростатического и гидродинамического давления попадает в поры и механические соединения материалов, из которых производятся строительные конструкции. Так вода поднимается по пустотам конструкций на высоту до нескольких метров над уровнем земли.
В результате суточных и сезонных колебаний температуры воздуха вода периодически переходит из одного агрегатного состояния в другое (например, замерзание сменяется оттаиванием), вследствие чего происходит постепенное разрушение конструкций. Одновременно возможное присутствие в воде некоторых агрессивных химических веществ (кислот, щелочей, ионов магния, сульфатов) также действует разрушительно на бетон и прочие стройматериалы.
С другой стороны, избыточные грунтовые воды, скапливаясь в заглубленных частях строений, вызывают непременную сырость, гниение или коррозию строительных поверхностей, набухание и деформацию полов на нижних этажах. В некоторых случаях игнорирование правил строительства, учитывающих грунтовые воды, приводит к частичному или полному затоплению помещений.
Способы определения
Сегодня известны несколько способов, которые помогают установить наличие грунтовых вод вблизи поверхности земли. Вот лишь некоторые из них:
- Топографическая съемка. Определяет самые низкие и самые высокие (соответственно, наиболее пригодные для работ) точки предполагаемого места строительства.
- Растения-индикаторы. Густые заросли болиголова, наперстянки, мать-и-мачехи, конского щавеля, осоки, крапивы, хвоща сигнализируют о близости водоносного горизонта. Тополь черный, лабазник, тростник, камыш лесной растут там, где вода находится на глубине до 3 м. Грунтовые воды на глубине до 5 м «обозначают» метельчатая полынь, солодка голая. В то же время виноград, барбарис, можжевельник, сирень не любят увлажненных мест и быстро чахнут, оказавшись в подобном месте.
- Поведение животных. Домашние кошки любят полежать на земле там, куда подходят водные жилы, а собаки таких мест не любят. Мошки и комары на закате роятся над влажными участками.
Таким образом, учитывая эти и многие другие факторы, связанные с наличием и мощностью водоносных пластов, можно заранее уберечь себя от серьезных проблем при строительстве.
