Механическая суффозия

Механическая суффозия — процесс выноса мелких частиц из рыхлых обломочных пород фильтрующейся водой. Для развития механической суффозии необходимы значительная скорость движе­ния подземной воды для отрыва и выноса тонких фракций грунта, а также наличие условий для разгрузки песчано-глинистого материа­ла.

Механическая суффозия чаще всего наблюдается в тонко- и мел­козернистых песках, реже — в пылевато-глинистых и других поро­дах. Суффозия сопровождается оседанием вышележащих пород, об­разованием пустот, воронок и провалов. Как правило, механичес­кая суффозия развивается сравнительно медленно (годы, десятки лет) и проявляется в основном на локальных участках, реже — имеет региональное распространение (Нижнее Поволжье, южные районы Сибири и др.).

Значительно более интенсивно протекает процесс техногенной механической суффозии. Она развивается в случае выноса песчано-­глинистого материала в строящиеся подземные коллекторы при ава­риях водопроводных систем, быстрой сработки уровней водохрани­лищ, длительных откачках подземных вод, работе дренажа и др.

По данным Ф.В. Котлова, за 20 лет эксплуатации одной из дренажных систем в г. Москве было вынесено более 300 тыс. м³ песча­но-глинистого материала. Суффозионный вынос этого материала сопровождался ухудшением свойств грунтов — увеличением их сжимаемости, снижением прочностных параметров, что привело к деформациям различных сооружений и развитию опасных геологических процессов (карста, оползней и др.).

В 70—90-е гг. прошлого столетия негативные последствия суффозии, по оценке А. Л. Рагозина (1993), наблюдались в 958 г России. В настоящее время значение суффозионной опасности более возросло.

Основными условиями развития механической суффозии яв­ляются:

1. неоднородность гранулометрического состава песчаных грун­тов, при которой возможен вынос мелких частиц из песча­ной толщи;

2. критическая величина вымывающих скоростей фильтраци­онного потока;

3. наличие условий для выноса мелких частиц на дневную по­верхность в основаниях склонов, строительных котлованах, различных выемках и т. д.

Для ориентировочной оценки суффозионной опасности грунта используют коэффициент неоднородности гранулометрического со­става (по 3. Хазену), определяемый по формуле К_н =d₆₀/d_l0, где d₆₀ и d₁₀ - диаметры, соответствующие 60- и 10%-ному содержанию фракции. Песчаные грунты разделяются на суффозионные - К_н >20, переходные (суффозионные и несуффозионные) - К_н = 10 - 20 и несуффозионные — К_н ≤ 10.

В суффозионном грунте соотношение размеров наиболее мел­ких d_min — и наиболее крупных d_max частиц в грунте должно быть не менее 20, а соотношение диаметров пор D) и преобладающей в грунте фракции d должно отвечать условию

D/d ≥ 8.

Суффозия может возникать и на контакте двух различных по составу слоев, например, глинистого и песчаного. Для развития суф­фозии необходимо соотношение коэффициентов фильтрации двух смежных слоев более чем 3.

Обязательным условием развития механической суффозии яв­ляется также критическая величина гидравлического градиента I_кр водного потока. Многочисленные исследования, показали, что при значениях I_кр ≥ 5 в песчаном грунте возникает турбулентное движе­ние, мелкие частицы переходят во взвешенное состояние и могут выноситься вместе с фильтрационным потоком. Величина крити­ческого градиента I_кр определяется по формуле Е. А. Замарина:

I_кр = (ρ_s - 1) (1 - n) + 0,5 n

где ρ_s — плотность частиц песка, r/см³; п — пористость (доли ед,).