Грунт плывун: что это такое, чем грозит, как с ним бороться

что это такое, чем грозит, как с ним бороться

Представьте: начинаете вы копать яму для хозяйственных нужд, рыть колодец или готовить почву под фундамент. Стоите хоть и не на монолитной (земля все-таки), но на достаточно твердой поверхности… и вдруг резко проваливаетесь вниз. Это вы нарвались на плывун.

Начиная с определенной глубины, плывун может оказаться в любом месте вашего участка. Пока не станешь копать или не сделаешь геологическую экспертизу, никогда не узнаешь, где он. Плывун имеет способность передвигаться. Узнав о наличии плывунов в земле, люди боятся капитально строиться. Известны случаи, когда из-за плывуна при установке бетонных колец для колодца многоцентнерные конструкции внезапно сдвигались и хоронили под собой строителей…

А бывает, хозяева и в голову не берут, что вся их земля в плывунах, они с ними просто не сталкиваются. Тут уж как повезет.

Явление природы – плывун

Плывун – это насыщенный водой слой почвы размером от 2 до 10 метров, который способен двигаться под землей в вертикальном направлении. Он может обнаружиться на глубине от метра и ниже.

Плывун – герметичный объект (пока его не заденешь). Мельчайшие частички почвы, из которых он состоит, в силу своей насыщенности водой играют роль смазки по краям плывуна, поэтому он так легко перемещается под землей.

Для понимания явления дадим очень упрощенное сравнение с плывуном. Представьте шарик (хотя вообще-то плывун больше похож на амебу), покрытый сверху скользким слоем и находящийся в толще таких же, только не скользких шаров или другого материала, в котором возможно движение. Как он будет перемещаться, какое действие извне будет влиять на это? Ответы на эти вопросы дадут примерное представление о том, как может вести себя плывун в земле. А если наш условный шарик-плывун задеть чем-то острым, то прорвавшаяся из него наружу масса, доселе находившаяся под давлением, окажется тоже очень скользкой и будет стремиться вверх.

Плывуны классифицируют как:

• Истинные. В их составе находятся мельчайшие частички глины, песка и органики, которые, с одной стороны, как бы склеивают почву в ту самую «амебу», а с другой – обеспечивают ей большую подвижность, и в итоге получается крайне проблемная для хозяев участков скользкая и непредсказуемая масса под землей.

Почвы, в которых обнаруживают истинные плывуны, это, в основном, глинистые пески, супеси, суглинки.

• Ложные. Состоят только из песка и воды. Если такой плывун задеть, повредить, то содержащаяся в нем жидкость начинает выходить наружу вместе с песком. Не так разрушительно, как в первом случае, но все же доставляет ощутимые неприятности при строительстве.

До сих пор даже у ученых нет однозначного ответа, почему образуются плывуны. Логично, что больше всего их выявляется в местах с насыщенными водой почвами. Московская область в этом отношении находится в большой зоне риска. Но даже в пустыне есть образования, схожие по действию с плывунами. Речь о страшных зыбучих песках.

Впрочем, нашего человека «жизнь» плывунов, в основном, начинает интересовать ровно с того момента, когда нужно углубляться в землю.

Плывун – опасная находка

Риск встретиться с плывуном возникает в случаях, когда нужно:

• выкопать колодец;
• подготовить место под фундамент капитальной постройки, дома;
• вырыть глубокую яму, например, для бассейна.

Капитальным постройкам при плывунах быть

Плывуны были, есть и будут в почве всегда, и во все времена люди рыли колодцы и ямы, строили прочные дома.

Сегодня проще всего будет доверить это дело бригаде специалистов. Профессионалы возьмут на себя все риски, связанные с плывунами, выявят наличие этих опасных объектов, обойдут их, дадут экспертный совет: где на участке копать можно, на какую глубину, какие постройки здесь вообще допустимы и т. п.

Если вы все же решили поработать самостоятельно:

1. Узнайте, сталкивались ли с плывунами ваши соседи. Если да, велика вероятность, что и вы обнаружите у себя эту «скользкую находку».
2. Поинтересуйтесь у соседей, как они решали проблему с плывунами. Так у вас появится возможность воспользоваться их положительным опытом, а отрицательный – отбросить.
3. В идеале надо бы заказать инженерно-геологическую экспертизу, но учтите, что это дорого – при копке колодцев далеко не каждый хозяин готов задействовать такие силы.
4. Ищите возможность обойти плывун, это реально, если он небольшой.
5. При копке старайтесь как можно быстрее пройти сквозь плывун – на большую глубину. Это довольно распространенный способ. К нему можно добавить маленькую хитрость. Зимой, когда грунт промерзает, а вместе с ним замерзает и вода, плывун утихомиривается.
6. Используйте защиту при выполнении работ, например:

• Шпунтирование. «Шпунты» – специальные устройства, предназначенные как раз для прохождения плывуна, они оснащены острыми кромками.
• Осадные кольца.
• Опалубку.

Еще сложнее устанавливать фундамент в нестабильной почве с плывунами. В любой момент земля может «поехать», стены дома потрескаться.

Возможные решения строительства фундамента в земле с плывунами:

• Установить хороший водоотвод, дренаж на участке – так появляется вероятность, что плывун не будет подпитываться и «успокоится».

Есть способы осушения плывуна с помощью профессионального оборудования, но в частном строительстве его используют редко, т. к. это слишком дорого.

• Строить дом на сваях, которые уходят в землю на глубину ниже уровня плывуна.
• Строиться на плитах. Толстая, широкая, тяжелая и прочная плита ляжет поверх грунта с плывуном и оградит установленный на ней дом от негативных воздействий.
• Использовать ленточный фундамент, т. к. «ленты» лучше распределяют нагрузку, неизбежно возникающую при движении грунта.
• Всевозможными способами укрепить, стабилизировать почву поверх плывуна, например, насыпать так называемую «подушку» из песка, гравия. Она должна быть не менее 30 см высотой.
• Вокруг готового дома имеет смысл сделать как можно более широкую отмостку.

Конечно, можно считать участок, где-то в глубине которого скрываются плывуны, бедой для хозяев. Но конструктивнее осознавать, что это просто особенность почвы, которую надо уметь учитывать перед проведением всех необходимых земляных работ.

И последнее. Так или иначе обойдя плывун, приспособившись к его наличию на участке, хозяева порой вовсе о нем забывают. Это не совсем правильно. О почве с плывунами все же надо помнить.

Если речь о колодце, то при чистке (а она обязательно потребуется с годами). Известны случаи, когда человек спускался работать на дно колодца, а там его начинало засасывать.

При пользовании домом, бассейном нужно быть готовым к тому, что фундамент все же может дать трещину, и лучше его почаще проверять, чтобы исправить проблему на ранней стадии.

что это такое, как с ним бороться и чем он грозит

Владельцы частных земельных участков постоянно возводят постройки, это может быть небольшой дачный домик, а может современный коттедж. В любом случае, для таких задач им необходима вода. И вот, при копании колодца, рабочие натыкаются на плавун.

Что за напасть такая, что делать если у вас просел грунт?

Многие, наверное, слышали страшилки о плывуне, что кольца уносило, копачей под землю затягивало…Ну такое возможно, если наткнуться на бурную подземную реку, в жизни немного проще.

Что такое плывун и чем он так опасен

Плывуны бывают двух видов, рассмотрим каждый, чтобы понять разницу.

Истинный –  в почве, кроме песка, присутствуют частички глины и ила, именно они обволакивают частички песка, действуют как смазка. Такая масса лежит в неподвижном состоянии до тех пор, пока не меняется внутреннее подземное давление. Грунты, где преобладают истинные плывуны в составе имеют глину, песок, супесь, суглинки.

Когда копают колодец или копают траншеи под фундамент, всегда есть вероятность наткнуться на такого непрошеного подземного гостя.

У истинного плывуна очень низкая водоотдача из-за глины, поэтому колодец придется копать в другом месте. Вода будет выглядеть как глиняно-песчаный раствор.

Чем же опасен истинный плывун:

• под его воздействием возможна разгерметизация швов колодца
• вода становиться непригодной для питья
• также она не пригодна для технических целей
• возможен сдвиг колец
• вокруг колодца проседает грунт
• плывун под домом может привести к трещинам стен, фундамента

Ложный – такой вид не такой опасный, в его составе много песка и воды. Чтобы заставить его двигаться, необходимо создать гидравлическое давление. Если на вашем пути повстречался данный вид, это не так печально, как с первый вариант. Поскольку в его составе превалируют песчанные массы, такой пласт почвы весьма богат влагой. Этот факт усложняет процесс копки и создаст дополнительные трудности в процессе эксплуатации.

Подобные прослойки встречаются в различных почвах, независимо от континента. Ученые до сих пор спорят на эту тему, причину возникновения не знает никто. В почвах происходят так называемые процессы водонасыщения, которые и являются по сути, плывунами. Наши почвы постепенно замываются плывунами, что приводит к ухудшению водоснабжения.

Как определить плывун на участке

Ответить на данный вопрос можно только в процессе копки. При проведении земляных работ возможно быстрое наполнение влагой траншеи или шурфа, проседание грунта, обвал шахты. Пока плывун герметично находится в почве, он не производит никаких действий. Как только человек нарушает его изоляцию, из него исходит вода, над ним начинает проседать почва.

Правильным решением будет проведение геодезической экспертизы, однако стоимость данной услуги не всем по карману.

Если есть соседи, можно познакомившись, расспросить их о данной проблеме, какой у них колодец, какой фундамент, глубина…

 Как осушить плывун

Однако, современные методы строительства основаны на научных разработках, позволяют в большинстве случаев, не уходить с выбранного участка.

При копке колодцев, когда плывун в скважине, необходимо пройти его как можно быстрей и поглубже пройти этот слой. В этом случае, необходимо соблюсти некоторые меры безопасности:

• копать нельзя самому, наверху должен находится напарник со страховочным тросом, который в случае опасности, сразу вытянет человека, плывун может прийти в действие внезапно;
• стенки колодца необходимо сразу укреплять, а еще лучше, сразу копать в кольцах, хоть это и неудобно, толщина кольца уменьшает внутреннее пространство.

Невыполнение элементарных требований может привести даже к человеческим жертвам. Плывун – это как резиновый шарик с водой и при неаккуратным обращении с ним, он в считанные секунды вырывается на поверхность, заливая все вокруг глинистой грязной массой. Поток грязного песка сложно остановить, а затем и вычистить.

Поведение разбуженного и сердитого плывуна невозможно предсказать, он может быть чрезвычайно мощным и агрессивным, его сила даже кольцо может унести. В случае попадания на ложный мощный плывун, сильная выкачка воды не всегда помогает. При этом может весьма просесть грунт, его просто вымоет вода с песком.

Осушить плывун можно путем установки дренажной системы для отвода лишней водной массы. Однако, такой метод приемлем на небольшой глубине залегания плывуна. Водоотводная система делается ниже проблемного пласта почвы, за ней необходимо наблюдать все время.

Чтобы плывун остановить, необходимо максимально быстро отсечь его путем монтажа металлических щитов на стенках шахты в неспокойном месте.

Опытные специалисты знают, что в зимний период активность плывуна значительно ниже, если он на небольшой глубине.

В случаях, когда нет возможности осушить активный пласт, необходимо выбрать правильный вариант устройства подземной части, который сведет к минимуму контакт с ним.

Типы фундаментов для строительства на плывуне

Если вы узнали, что плывун на участке есть, не отчаивайтесь – есть несколько проверенных вариантов для строительства. Рассмотрим их:

• если глубина активного слоя ниже уровня промерзания, можно использовать мелкозаглубленный ленточный фундамент;
• фундамент свайного типа подойдет там, где после плывуна залегает устойчивый грунт и нет подвижек почвы, подземных толчков. Такой вид фундамента базируется на сваях, которые установлены ниже плывуна;
• плитный фундамент является наиболее правильным решением, если плотные, устойчивый слой почвы находится на большой глубине, свыше 6 метров. Но при условии нахождения плывуна близко к поверхности;
• во всех случаях, делать максимально возможную отмостку вокруг дома.

При возведении фундамента на плывуне не стоит пользоваться тяжелыми тракторами, не создавать тем самым лишнее давление на подвижной пласт.

Траншеи, как правило, копают вручную; хотя предпочтительным вариантом является свайный фундамент, здесь меньше земляных работ.

В составе воды в плывуне много глинистых взвесей, поэтому, грунт пучинистый. Исходя из этого, сезонные деформации будут обязательно себя проявлять. Стальной усиленный каркас, вмонтированный в фундамент, нивелирует подвижки грунта и предотвратит его растрескивание.

При копке траншеи, важно знать, что плывун не обладает прочностью, поэтому, давление на него должно быть минимальным. В связи с этим, траншеи должны быть широкими. Идеально было бы установка бетонной подземной плиты на весь периметр дома, но материально это не каждому по плечу.

Монолитная бетонная лента заливается по верху гидроизоляции на усыпанный слой песчано-гравийной подушки. Такой слой должен быть не менее 40 см и быть максимально равномерно уложенным. Широкая отмостка будет отводить влагу от фундамента, которой в недрах и так предостаточно.

Если плывун в колодце

Прежде всего необходимо осмотреть погружной насос на предмет его заиливания поступающей суспензией. Если такое произошло, его обязательно необходимо промыть. Также важно прочистить трубы от колодца к дому, иначе возможное попадание глины в систему приведет к порче оборудования.

Если донный фильтр состоит из щебня крупных фракций, необходимо сверху насыпать слой чистого щебня более мелкой фракции толщиной 20 – 30 см.

Иногда, чтобы спасти колодец, требуется монтаж специальных стальных щитов – колец, которые монтируются на швы между кольцами на анкерах из нержавеющей стали. Стык должен быть обмазан специальным герметиком на битумной основе.

Такая защита предотвратит просачивание в скважину нежелательных глинистых примесей, вода будет максимально чистой и пригодной для всех случаев.

Такой вариант требует умения и знания, поэтому лучше привлечь к этому специалистов в этой области. Материально это все равно дешевле, чем устанавливать в подвале специальные системы по очистке воды. Нужен обязательно теплый и большой подвал, где размещают две емкости для воды и отдельно для грязи.

Изучение выбранного участка перед началом земляных работ позволит избежать сюрпризов и неожиданностей. Если обнаружился плывун, по возможности, его лучше обойти. Размеры плывуна составляют от двух до десяти метров по периметру.

Также не лишним будет проконсультироваться с мастерами в этом деле.

Плывуны истинные и ложные

Плывуны — это насыщенные водой грунты, при вскрытии приобретающие свойства вязкой жидкости.

Они представляют собой большую опасность при выполнении строительных работ. Если плывуны вскрываются подземными выработками, то они сравнительно быстро заполняют её, а  вышележащие массы начинают сдвигаться и тоже приходят в движение. В Ленинграде в 1974 г. при строительстве метро проходили подземную выработку в плывунах на глубине примерно 80 м после их замораживания. Однако на одном участке эти пески оказались не промороженными и образовался прорыв. Тысячи кубических метров плывунных грунтов быстро заполнили часть готовой выработки, а па поверхности произошло оседание пород с образованием мульды.

При строительстве Северо-Муйского тоннеля протяженностью 15,3 км было вскрыто несколько десятков разломов, заполненных дезинтегрированным до песка и глины грунтом. Обильно  водонасыщенные грунты при вскрытии переходили в плывунное состояние. Наиболее опасными по стабильности перехода в плывунное состояние являлись нарушения, заполненные водопасыщенным грунтом песчано-глинистого состава с содержанием глинистых частиц 3-12% и более. Так, например в  1979 г. выброс плывуна в тоннеле составил 12000  за 10 минут. Вынос водонасыщенного песка повлек за собою человеческие жертвы.   В   1986   г.   выброс   плывуна   из   разломов   превысил 8000 . В 1987 г. во время ведения буро-взрывных работ про­изошел выброс плывуна. В результате на 100 м от забоя была разброшена буровая установка и породопогрузочная машина массой  27 т.

Установлено, что плывуны — это слабые, неустойчивые породы, требующие специальных методов ведения строительных работ и специальных мероприятий по обеспечению устойчивости сооружений.

В плывунное состояние могут переходить пески, супеси, лессы, суглинки, озерные илы, глины.

Таким образом, плывуны — это не какой-либо определенный тип горной породы, а особое состояние породы.

На практике чаще всего приходится иметь дело с плывунными песками и особенно с песками, содержащими некоторое количество коллоидных частиц. При всем многообразии гранулометрического состава плывунов для всех типов плывунных унтов характерно одно общее качество — частицы этих грунтов в силу различных причин при вскрытии горными выработ-1ми оказываются разделенными прослойками свободной воды, то обусловливает или полное исчезновение структурных связей, или уменьшение их настолько, что они не в состоянии противостоять тем напряжениям, которые приводят плывуны в движение.

Плывуны очень осложняют процесс проходки горных выработок и строительство сооружений. При проходке котлованов происходит обрушение их стенок, разжижение грунтов при сотрясении, выполаживание откосов, заплывание котлована грунтом. Так, например, при строительстве Химкинский плотины произошло оплывание супесей в котловане с образованием угла .Оплывание произошло в результате сотрясения от бетономешалки.

Значительные затруднения возникают и при вскрытии плывунов буровыми скважинами. В этом случае в обсадных трубах  образуются «пробки» вследствие того, что плывуны из забоя нажины устремляются вверх по обсадной трубе, обволакивают буровой снаряд и происходит его «прихват».

Давление плывунов часто вызывает искривление стволов шахт, разрушает крепление подземных горных выработок.

Проявление плывунности грунтов может привести к деформации и даже разрушению сооружения. Примером может по служить строительство на Ленинских горах в Москве стометрового лыжного трамплина. Когда трамплин был уже построй строители приступили к срезке грунта в нижней части склона, которому нужно было придать кривизну, обеспечивающую безопасное приземление лыжников. Подрезкой были вскрыты плывунные грунты, устремившиеся в выемку так быстро, что рабочие не успели вывести из нее экскаватор.

Переход грунтов в плывунное состояние возможен при одновременном сочетании следующих четырех факторов:

— благоприятные условия залегания пород;

— наличие разностей напоров подземных вод;

— определенный состав пород;

— определенное состояние рыхлых пород.

Под благоприятными условиями залегания следует понимать обнаженность пород, вскрытых горными выработками, буровыми скважинами или какими-нибудь естественными процессам например, размывом. Если плывуны залегают глубоко и не вскрываются, то плывунность пород не проявляется. Очень часто при строительстве, опасаясь осложнений, сооружения проектируют таким образом, чтобы не вскрывать породы, которые могут перейти в плывунное состояние.

Наличие разности напоров подземных вод также может служить причиной перехода грунтов в плывунное состояние. Разность напоров во многих случаях зависит от геологического строения  и  геоморфологических  условий  местности.   Следует также иметь в виду, что естественные гидрогеологические условия могут быть изменены в процессе строительства, и тогда устойчивые горные породы могут перейти в плывунное состояние. Так, например, при откачке воды из котлованов может возникнуть разность напоров, что может привести к переходу грунтов в плывунное состояние.

Классификация плывунов

Перечисленные грунты могут перейти в плывунное состояние при наличии избыточного увлажнения их. Анализ причин, которые вызывают переход грунтов в плывунное состояние, позволили  А.Ф. Лебедеву подразделить плывуны на истинные ложные.

 Истинные плывуны

Истинные плывуны. Группу истинных плывунов составляют  рыхлые горные породы — глинистые пески, супеси, суглинки, глины. Они переходят в плывунное состояние не только под воздействием гидродинамического давления, но, главным образом, из-за наличия в их составе минеральных и органических коллоидов. Коллоиды присутствуют в форме коллоидно-дисперсных минералов типа глауконита и монтмориллонита, а также виде гидроокиси Al, Fe и органических соединений. Все они придают частицам плывунов подвижность и, включая большое количество воды, способствуют растяжению структурной сетки.

Это, в свою очередь, обусловливает уменьшение механическое сцепления между частицами. Вода, присутствующая в плывунных грунтах, находится в связанном состоянии, что затрудняет ее удаление.

Истинные плывуны обладают следующими особенностями:

1.Пористость 36-58%, коэффициент пористости 0,67-1,39.

2.Наличие органических и минеральных коллоидов.

3.Наличие частиц размером менее 5 мкм в количестве не менее 3%.

4.Величина максимальной молекулярной влагоемкости превышает 3%.

5.Присутствие коллоидов в составе истинных плывунов обусловливают слабую фильтрационную способность их. Коэффициент фильтрации для истинных плывунов не превышает  см/с (0,9-9 см/сут). Чрезвычайно слабая водопроницаемость их и большая водоудерживающая способность исключает возможность осушения плывунов обычными способами.

6.Истинные плывуны обладают очень низким сопротивлением сдвигу. Предельное сдвигающее напряжение  не превышает 0,005 МПа.

7.Влажность истинных плывунов близка к пределу текучести.

8.Угол естественного откоса  изменяется от (3-4)° до (8-9)°.

9.Плотность истинных плывунов составляет 1,8-2,2 г/см3.

10.Истинные плывуны своеобразно ведут себя при забивке в них свай. При частых ударах небольшой силы плывун приходит в движение и свая легко погружается в грунт. После окончания забивки происходит остановка подвижек и свая приобре­ла большую несущую способность.

11.Кусочек плывуна, извлеченный из котлована, имеет вид слабовлажного грунта, вода из него не выступает, но если по нему похлопать ладонью, он расплывается и растекающиеся края, каплями падают с руки.

12.При высыхании истинные плывуны сильно цементируются  вследствие склеивающего действия коллоидов.

Внешне истинные плывуны обнаруживаются по следующий характерным признакам:

— При взмучивании в дистиллированной воде истинный плывун образует суспензию, которая не осаждается в течение ряда месяцев.

— В истинных плывунах благодаря наличию коллоидных частиц вода в котлованах обычно мутная.

Ложные плывуны

Ложные или псевдоплывуны представляют собой преимущественно среднезернистые или тонкозернистые пески. Переход их в плывунное состояние происходит под влиянием гидродинамического давления потока подземных вод т.е. в результате наличия гидравлического градиента, возникающего при вскрытии выемки, котлована, траншеи, который, взвешивая частицы грунтов, устраняет трение между ними.

Признаки псевдоплывунов:

1.При взмучивании в дистиллированной воде ложный плывун образует суспензию, которая осветляется в десяти сантиметровом слое в течение 2-3 дней;

2. В котлованах, вскрывающих ложные плывуны, вода прозрачная или слабо мутная, быстро светлеющая;
3. Ложные плывуны сравнительно хорошо отдают воду, и при естественном или искусственном снижении гидравлического (напорного) градиента они легко переходят в устойчивое состояние.

Что такое плывун в колодце?

Виды плывунов в колодце

Плывуны бывают истинные и ложные.

Истинные плывуны

Истинные плывуны состоят из супесей и пылеватых песков, насыщенных водой, содержат так же глинистые и коллоидные смеси, с размером частиц менее 0,001 мм.

Они играют роль смазывающего вещества между крупными частицами грунта, имеют гидрофильные свойства и слабо отдают воду. Истинный плывун при промерзании подвержен сильному пучению, при высыхании приобретает связность, пластичность, в его образовании большую роль играют микроорганизмы. Природа плывунов на сегодняшний день неизвестна. Некоторые ученые высказывали предположения, что причиной появления плывунов являются утечки нечистот из канализационных систем. Но против подобного заявления свидетельствует тот факт, что плывуны встречаются в местах, где нет следов человеческой жизнедеятельности.

Ложный плывун

Ложный плывун – это мелкопористый песок, насыщенный водой. Так как пласт находится на глубине, вода в плывуне испытывает давление больше атмосферного. При вскрытии пласта вода под давлением попадает в шахту и выносит с собой песок. Различным может быть давление и мощность плывуна, что сильно влияет на проведение каких-либо работ. При имеющихся на сегодняшний день технологиях и накопленном опыте, есть возможность пройти слабо мощные плывуны одним или двумя колодезными кольцами.

Более мощные плывуны представляют угрозу не только для колодцев, но и для работников. Метростроевцы периодически сталкиваются с таким серьезным противником как плывун. Даже имея передовые технологии, солидные финансовые возможности и огромные ресурсы не всегда удается справиться с поставленными задачами. Борьба с этим природным явлением длится десятилетиями. Плывун заливают специальными буровыми растворами, иногда используют жидкий азот, но рано или поздно плывун все равно о себе напоминает.

Плывун в колодце, что делать?

В Московской области большая часть колодцев стоит на плывунах, многие из них очень удачные, так как водопроток в таких пластах хороший, лучше, чем в глинистых. Вполне возможно установить автономное, домашнее водоснабжение при небольшом потреблении. Минусом колодца на плывуне является поднимание дна, заплывание песком, маленький водяной столб. Такой колодец более подвержен сезонным колебаниям, чем колодец, расположенный на глине. Его приходится чаще ремонтировать и чистить.

На дно рекомендуется укладывать деревянный щит, а сверху засыпать галькой, создавая тем самым сопротивление к движению дна. Нередки случаи, когда после копки набирается 3 кольца воды, а через год 2,5 кольца песка и только 0,5 кольца воды. Щит из древесины в данном случае выполняет армирующую функцию. Не рекомендуется так же откачивать воду полностью, необходимо оставлять минимум 50 см водяного столба, дабы сохранить динамическое равновесие в системе.

Возвращаясь к началу статьи, хочется отметить, что при чистке колодцев, расположенных на плывунах, не стоит требовать от работников изъятия песка в том объеме, который требуется хозяину для строительства, есть возможное для удаления количество.

При чрезмерном изъятии песка, шахта разрывается, образуя огромные пространства между колец, возможна просадка всей шахты, а так же горизонтальное смещение колец, образование провалов на поверхности радиусом до 5-6 м от колодца, в данном случае могут пострадать и соседние постройки

Смещение колец в колодце на плывунеПлывун. Выдавливание песка со дна колодцаИзъятие песка из колодца на плывуне

Проблемы колодца при плывуне

При работе с плывунами необходимо быть предельно осторожными, соблюдать все меры безопасности, выполнять все технологические требования в сочетании с опытом, которым обладают только профессионалы.

Довольно частый случай: В нашу компанию обращается человек с просьбой о помощи. Накануне, для чистки колодца он нанял работников из ближнего зарубежья, без определенных навыков. Они старательно удалили весь песок со дна, а на следующий день песка в колодце стало в два раза больше. И никто не знал, что с этим делать.

Везению этих старателей можно только позавидовать не всем так везет.

Фундамент на плывуне – в чем опасность, способы борьбы, особенности возведения

Наличие плывуна в составе грунтовых слоев осложняет возведение подземной части строения, а нередко способствует признанию участка непригодным для строительства. Но современные технологии позволяют справляться с особыми геологическими условиями и устанавливать фундамент на плывуне. Существует несколько вариантов устройства основания дома на неустойчивых грунтах. Их выбор обусловливается отметкой залегания плывуна относительно нулевого уровня, а также его толщиной.

Чем опасен плывун

Плывун является герметичным пластом, состоящим из водонасыщенного песчаного или супесчаного грунта, находящегося под давлением. Он имеет вязкую полужидкую консистенцию. Сам по себе такой слой не коварен, но при малейшем нарушении целостности плывуна, водная масса под напором начинает прорываться через вскрытие, вынося с собой песок и другие грунтовые частицы. В результате происходит:

• изменение гидрогеологического режима на участке;
• снижение несущей способности расположенных над плывуном грунтов;
• неравномерная осадка поверхности почвы;
• деформация сооружений, расположенных в непосредственной близости;
• разрушение инженерных коммуникаций.

Кроме того, плывуны, насыщенные глинистыми частицами, опасны в период промерзания грунта, так как подвергаются сильному пучению. Данный факт должен учитываться в проектной документации.

Основной трудностью возведения фундамента на плывуне является обеспечение невозможности оголения и повреждения монолитности водонасыщенного пласта.

В процессе проектирования и строительства дома на неустойчивых грунтах требуется принимать меры, связанные с нивелированием несущей способности земляных слоев. Необходимо помнить, что игнорирование предложенных проектировщиками мероприятий может привести к печальным последствиям, начиная от перекоса проемов и заканчивая серьезными просадками и разрушениями.

Способы борьбы

Осушить плывун в грунте под силу дренажной системе, расположенной ниже уровня залегания проблемного пласта. В дальнейшем она способна предотвратить его повторное появление, но для правильного функционирования дренажа потребуется систематическое проведение ревизионных проверок.

При глубоком расположении плывуна проложить дренажную систему бывает либо слишком сложно, либо материально невыгодно, какой бы совершенной она ни была, поэтому большее внимание уделяют выбору типа фундамента. При невозможности выполнения осушения, требуется остановиться на таком варианте устройства подземной части, который не допустит ее контакта с плывуном. В крайнем случае, сведет его к минимуму.

• Мелкозаглубленный ленточный фундамент подойдет для грунтовых условий с залеганием плывуна ниже отметки промерзания грунта.
• Свайный фундамент устраивается при расположении проблемного пласта небольшой толщины в пределах 0,5-1м от поверхности почвы в том случае, если под ним находятся устойчивые грунты, способные выдержать вертикальные нагрузки от будущего строения. Смысл заключается в прохождении сваями слабого слоя и их опоре на твердое основание.
• Плитный фундамент зарекомендовал себя с положительной стороны в ситуациях, когда плотные грунты располагаются на большой глубине (более 6 метров), а плывун – на малой (около 1-1,5м).

При высоком уровне грунтовых вод и близком от поверхности земли расположении плывуна, нередко рассматриваются варианты предварительного возведения на строительной площадке насыпи из непучинистых грунтов. Трамбовка песчано-гравийных слоев, в этом случае, должна производиться без привлечения тяжелой техники, так как усиленные нагрузки оказывают на плывуны негативное воздействие.

Грунтовые условия строительной площадки определяют путем геологических исследований. При этом уточняют уровень подземных вод, глубину расположения плывуна и его толщину. О возможном расположении на участке проблемного грунта могут рассказать соседи, уже построившие дом. Но если таковых не найдется, следует попробовать самостоятельно определить его наличие или отсутствие.

Вероятность обнаружения плывунов в низинах, на ранее заболоченных участках или в местах, где был хотя бы маленький водоем, довольно высока.

Узнать о проблемном слое можно, выкопав шурф или пробурив скважину на площадке застройки на глубину более нормативного показателя промерзания грунта в данном регионе. Если выемка заполнится жидким песком, а ее стенки оплывут, то вполне можно утверждать о том, что плывун на участке присутствует. Для определения толщины пласта следует вызвать специалистов, так как самостоятельно узнать, насколько он заглублен, не получится.

Особенности устройства фундамента на плывуне

Чтобы верно возвести фундамент на плывуне своими руками, потребуется выполнить определенные правила, рекомендованные специалистами. Приведем наиболее значимые из них.

Для земляных работ не следует привлекать тяжелую строительную технику, поэтому траншеи для монолитных лент и плит придется копать вручную. В связи с данным обстоятельством, застройщики отдают предпочтение свайным конструкциям, исключающим большой объем работ.

Наличие в плывунах воды и глинистых частиц подразумевает, что грунт является пучинистым. Вне зависимости от его глубины залегания, сезонные деформации почвенных слоев будут проявлять себя в той или иной мере. Нивелировать нагрузки поможет усиленный арматурный каркас, установленный в теле фундамента или ростверка.

Чем шире будет фундаментное основание, тем меньшее давление оно станет оказывать на грунт. Если посмотреть на проблему плывуна с позиции оптимального распределения нагрузок от здания, то в качестве его подземной части правильнее было бы выбрать монолитную плиту, очертания которой совпадают с габаритами дома в плане. Но данный вариант фундамента далеко не всегда экономически оправдывается. Что касается ленточной конструкции, то она потребует как можно большей ширины.

Плывуны не имеют достаточной жесткости, поэтому давление на них должно быть максимально снижено.

Выкапывать траншеи следует аккуратно во избежание вскрытия плывуна. При нарушении целостности может произойти прорыв текучего песка наружу, а как результат – смещение слоев грунта и просадка почвенных слоев. Подобная ситуация чревата появлением деформаций в несущих конструкциях близлежащих строений и возникновением аварийных ситуаций на действующих инженерных трубопроводах. Не стоит забывать о том, что любые земляные выемки должны располагаться выше уровня расположения плывуна. От этого правила отступать запрещается.

Монолитную ленту и плиту следует заливать бетоном по песчано-гравийной подушке, уложенной поверх гидроизоляции. Толщина подстилающего слоя должна быть в пределах 35…40см. По периметру готового фундамента в обязательном порядке необходимо будет выполнить широкую отмостку, способную защитить подземную конструкцию от увлажнения путем организованного отвода атмосферных осадков.

Меры безопасности

Халатное отношение к технике безопасности при работе на участке, где в толще грунта присутствуют плывуны, может привести к трагедии. Если случайно вскрытый пласт водонасыщенного песка прорвется под напором в котлован, то затопит его в считанные минуты. Плывун похож на воздушный шарик, заполненный водой, который в герметичном состоянии не опасен, а при разрыве – бесконтролен. От потока вязкого песка будет сложно укрыться, а удалить его из выемки окажется трудно осуществимой задачей. Поэтому стоит заранее предпринять меры предосторожности и максимальной безопасности. Для этого потребуется:

• укрепить откосы котлована или траншеи деревянными щитами;
• установить в определенном месте лестницу для возможности быстрого подъема на бровку выемки в случае прорыва жидкой массы;
• оставить одного из работников наверху для визуального контроля за площадкой и оказания помощи в случае необходимости;
• соблюдать общие правила и технологию устройства фундаментов на проблемных грунтах.

Тщательное обследование состава грунта на застраиваемом участке поможет вовремя принять правильное решение по выбору фундамента и оградит от возможных проблем впоследствии. Не следует забывать, что только фактические исследования дают правдивую информацию о грунтовых условиях, учитывая которые, специалисты найдут оптимальный и экономически обоснованный вариант надежного основания для дома.

Плывуны — что это, чем они грозят

Плывуном называют грунт, который имеет высокое содержание воды и разжижается при механическом воздействии. К примеру, при рытье колодцев, котлованов и постройках с фундаментом. Состоят плывуны, как правило, из песка и глины, а образуются из-за высокой влажности и определенных структур пластов земли. Чаще всего их можно встретить в болотистых местностях. Плывуны имеют продолговатую форму и перемещаются по вертикали. 

Виды плывунов 

Истинный — в него входит песок и частички глины и ила, которые соединяют между собой песчинки и содержат много влаги. Истинный плывун движется внутри водоносных слоев. Представляет опасность для рытья колодцев и закладки фундамента

Чем опасен истинный плывун:

• повышенная вероятность разгерметизации швов колодца и сдвига колец
• непригодная для питья вода
• при наличии плывуна, под домом может привести к трещинам на стенах и в фундаменте
• вероятна просадка грунта вокруг плывуна

Ложный плывун — в его составе есть только песок и вода. Ложный плывун начинает движение, если на него оказывается давление. Хоть ложный плывун тоже неприятная проблема на участке, но несет меньше опасности, чем истинный, а значит не сильно помешает строительству. 

В каком случае постройка на плывунах разрешена

Без специалистов рядовому дачнику будет сложно определить опасность плывуна. Конечно встает вопрос — можно ли начинать стройку на таких местах. Поэтому, если все-таки вы решаетесь на самостоятельное решение проблемы, стоит запомнить несколько пунктов: 

• Если вы еще не обнаружили у себя на участке плывуны, то перед началом стройки стоит пойти к соседям и узнать, были ли у них проблемы с плывунами. Если да, то велика вероятность, что они есть и у вас.
• Если плывун небольшой, то поищите возможность обойти его.
• Когда начнете копать, то пытайтесь пройти плывун как можно быстрее вглубь.
• При работе используйте защитные материалы — опалубку, шпунты, осадные кольца.

Установка фундамента возможна на земле с плывунами, если участок снабжен хорошим дренажом. В таком случае будет вероятность, что плывун будет в спокойном состоянии. Также можно строить дом на сваях, которые идут глубже уровня плывуна или на плитах, лежащих поверх грунта. 

При грунтовых движениях лучше всего распределяет нагрузку ленточный фундамент. И не забыть сделать более широкую отмостку вокруг дома. Поэтому рекомендуем перед началом строительства обращаться к профессионалам и проводить инженерно-геологические изыскания, чтобы предотвратить неприятные сюрпризы.

Что такое плывун и как с ним бороться

Плывун — это определенный вид грунта, который состоит из неустойчивых пород почвы: несвязанных глинистых частиц, рыхлых песков, пылеобразной земли. Такой грунт настолько сильно увлажнен водой, что под любым давлением или механическим воздействием с легкостью «оплывает», т.е. растекается. Это неустойчивый грунт, на котором строить колодцы не целесообразно и попросту не рекомендуется. Но попасть на него можно случайно, уже выкопав шахту колодца.

Существуют две разновидности плывуна: истинный и ложный.

Истинный плывун

Этот вид грунта состоит из глинистых и коллоидных супесей, имеющих свойство обволакивать и склеивать достаточно крупные частицы почвы. В результате образуется неустойчивая масса, которая постоянно перемещается в водоносном уровне грунтовых вод, а при механических работах активно перемещается к месту раскопки колодца.

Проблема не только в том, что такой вид плывуна неустойчив. Пропитанный большим количеством воды, в тоже время он не может ее фильтровать и «отдавать». Получается своеобразная масса грязи, в которой обитает к тому же огромное количество разнообразных микроорганизмов. В результате этого вода получается мутная и непригодная для употребления.

Ложный плывун

В ложном плывуне содержится практически один мелкопористый песок. Поэтому при раскопках или под давлением он начинает перемещаться к вскрытию водоносного горизонта, образуя довольно значительный песчаный пласт. Он с легкостью отдает воду, но проблема в том, что он плохо ее поглощает.

Если начать рыть колодец на месте плывуна, в дальнейшем можно столкнуться со многими проблемами:

• Постепенно начнут сдвигаться колодезные кольца.
• Возможен разрыв ствола колодца, что нарушит его герметичность. Между смежными кольцами начнут образовываться пустоты.
• Возможны провалы грунта.
• За счет интенсивных осадков могут образовываться пустоты.
• Вода в колодце будет мутная, иметь низкий уровень.

Меры борьбы

Так как истинный плывун практически не отдает воду, специалистам приходится использовать специальные методы высушивания грунта, которые называются вакуумированием или электродренажом.

Чтобы избавиться от ложных плывунов используют специальные иглофильтры.

Рекомендации по борьбе с плывунами:

• Чтобы не образовались пустоты, категорически запрещено из такого грунта выкачивать большое количество воды.
• При копке колодца стараться максимально заполнять его водой. Это позволит не допустить смещения грунтового пласта. Плывун под давлением пойдет вверх, а не в сторону.
• Высота столба воды в колодце после завершения работ должна быть как можно выше.
• Рекомендуется при таком грунте устанавливать фильтр именно на начало горизонта грунтовых вод.
• Стены колодца укрепить дополнительными бетонными кольцами, а их скрепить между собой скобами.
• Если результатов нет, то рекомендуется делать дренажные траншеи и закреплять плывуны специальными замораживающими растворителями.
• Можно установить металлическую сетку с мелкими отверстиями. Устанавливать ее следует ниже плывуна.

Колодец-Солнечногорск.рф

Зыбучие пески — механизм возникновения и меры профилактики

🕑 Время чтения: 1 минута

Зыбучие пески — это всплытие частиц несвязного грунта, например мелкого гравия и песка, из-за вертикального восходящего фильтрационного потока. Когда происходит кипение песка, несущая способность и сопротивление сдвигу несвязного грунта снижаются, и становится очевидным взбалтывание частиц грунта.

Зыбучие пески — это не тип грунта, а состояние потока, которое встречается в несвязных грунтах.Фактически, состояние кипения может возникнуть, когда земляные работы ведутся ниже уровня грунтовых вод, и вода откачивается из котлована, чтобы сохранить территорию свободной от воды.

Как возникает состояние зыбучих песков?

Зыбучие пески возникают, когда просачивающееся давление, действующее в направлении вверх, преодолевает давление в направлении вниз из-за веса грунта под водой, и песчинки раздвигаются. В результате почва не может выдерживать нагрузку.

Грунт, находящийся в состоянии зыбучих песков, теряет прочность на сдвиг и несущую способность.Прочность несвязного грунта на сдвиг зависит от действующего напряжения. Прочность на сдвиг определяется по формуле:

Эффективное напряжение определяется следующим выражением:

Рис. 1: Состояние быстрого песка

Терминология уравнения 2 поясняется и проиллюстрирована на рис. 2. Подстановка компонентов уравнения 2 приводит к следующим выражениям:

Итак, уравнение 5 можно выразить следующим образом:

Подстановка
значение массы погруженной единицы по паросодержанию:

Принимая
G = 2.67 и e = 0,67, результат уравнения 9 равен единице.

Таким образом, эффективное напряжение становится равным нулю для грунта с вышеуказанными значениями G и e, когда гидравлический градиент «i» равен единице, т.е. напор, вызывающий поток, равен длине образца.

Если критический градиент превышает, почва движется вверх, и поверхность почвы кажется кипящей. Быстрое состояние также известно как состояние кипения. На этом этапе происходит сильное и видимое перемешивание частиц.Разряд внезапно увеличивается из-за увеличения коэффициента проницаемости, произошедшего в процессе. Если на поверхность почвы положить какой-либо груз, он опускается вниз. Почва ведет себя как жидкость, не имеющая сопротивления сдвигу.

Зыбучие пески не выдерживают веса человека или животного и ведут себя как жидкость, удельный вес которой примерно в два раза больше веса воды. Человек может легко плавать в нем, так как примерно треть его тела не покрыта зыбучими песками. Однако зыбучие пески очень вязкие, и движение в них потребует больших усилий и энергии.Человек может умереть от утопления (удушья), если он устанет и в панике упадет головой в зыбучие пески.

Если человек попал в зыбучие пески, он должен держать голову высоко над поверхностью почвы и медленно двигаться к берегу. Он должен попытаться поймать какое-нибудь дерево на берегу или попытаться вытащить себя из зыбучих песков.

Когда на несвязных почвах имеется некоторый дополнительный заряд, напор, необходимый для образования зыбучих песков, увеличивается.

Зыбучие пески на строительной площадке

Есть ряд строительных площадок, подверженных воздействию зыбучих песков:

1. Раскопки в сыпучих материалах за перегородками вдоль рек.
2. Любое место, где существует артезианское давление, т.е. где напор воды больше обычного статического давления воды.
3. За речными набережными для защиты от наводнений.

Как избежать состояния зыбучих песков?

Это можно предотвратить, снизив уровень грунтовых вод на участке перед
земляные работы или, как вариант, увеличивая длину восходящего потока. Кипячение
состояние также является обычным, когда проницаемый песчаный слой под глинистой почвой
в состоянии артезианского давления.

Зыбучие пески — уравнение, физическая модель, механизм и профилактика

Зыбучие пески Состояние или кипение зыбучих песков — это состояние, возникающее в песке, когда эффективное напряжение снижается из-за восходящего потока воды. Когда восходящий поток увеличивается, достигается стадия, на которой эффективное напряжение снижается до нуля. Такое состояние известно как состояние зыбучих песков.

Как возникает состояние зыбучих песков?

Рисунок 1.показывает физическую модель. Вода течет из
левый резервуар в правый резервуар так, чтобы поток через почву в правом
бак движется вверх.

Физическая модель

Суммарное напряжение на дне образца грунта составляет,

σ = ϒ
сб x L

Восходящее давление внизу образца почвы = Вода.
давление из левого бака.

u = ϒw x (h + L)

Эффективное напряжение, σ ’= σ- u

σ ’= sat x L — ϒw x (h + L)

σ ’=
ϒ
сб X L — ϒw
х ч — ϒw
xL

σ ’= sub x L — w x h

Для быстрого состояния ,

Где я называется гидравлический
градиент .

Принимая удельный вес почвы как 2,65 и коэффициент пустотности как 0,65 , значение i становится единицей.

Если I становится единицей, то i = iC

т.е. ч / л = 1

или, h = L

Это означает, что при достижении состояния зыбучих песков головка , вызывающая поток , равна толщине длины образца .

Прочность на сдвиг несвязной сои определяется по формуле:

τ = σ ’X
tan ϕ

Где, τ = прочность на сдвиг

σ ’= эффективное напряжение

ϕ = Угол внутреннего трения

Когда эффективное нормальное напряжение σ ’= o, τ = 0.

Если прочность грунта на сдвиг равна нулю, он ведет себя как жидкость .

В такой ситуации почва
говорят, что находится в быстром состоянии.

При превышении критического гидравлического состояния частицы почвы
двигайтесь вверх, и поверхность почвы кажется кипящей.

На этой стадии сильное и видимое движение частиц
происходит. Разряд внезапно увеличивается из-за увеличения коэффициента
проницаемости в процессе.Если на поверхность
почва, опускает вниз.

Когда естественная почва становится быстрой, она не может выдержать вес
человек или животное.

Вопреки распространенному мнению, почва не засасывает жертву своей поверхностью. Фактически, зыбучие пески ведут себя как жидкость, удельный вес которой в два раза больше веса воды.

Также читайте: Методы, процедура, использование подкрепления при укреплении и ремонте фундамента

Зыбучие пески в повседневной жизни

Человек может легко плавать в нем, если примерно одна треть его тела находится вне зыбучих песков.Но зыбучие пески очень вязкие; движение в нем потребовало бы больших усилий и энергии.

Человек может умереть от утопления (удушья), если он устанет и его голова утонет в зыбучем песке.

Если человек застрял в зыбучих песках , он должен держать голову над поверхностью почвы и медленно двигаться к берегу. Он должен попытаться поймать какое-нибудь дерево на берегу и попытаться выбраться из песчаного песка,

Следует подчеркнуть, что песчаный песок не является особым видом песка.это состояние, которое возникает в песке, когда эффективное напряжение равно нулю .

Любой несвязный грунт может стать быстрым, если сила просачивания вверх достаточно велика, чтобы уносить частицы почвы вверх. Из-за наличия сцепления в глинистой почве не происходит быстрого песка.

Особое состояние Quick Sand

В заключение следует отметить следующие моменты.

• Быстрый песок не является особым видом песка.
• Несвязная почва быстро разгоняется, когда эффективное напряжение становится равным нулю.
• Для условий быстрого песка преобладающий гидравлический градиент должен быть около единицы.
• Проницаемость гранулированного грунта должна быть достаточно высокой, чтобы иметь место быстрое состояние песка.
• Связный грунт не становится быстрым, даже эффективное нормальное напряжение становится равным нулю, потому что глина обладает некоторой прочностью на сдвиг из-за когезии.

Как избежать состояния зыбучих песков?

Состояние «быстрого песка» можно предотвратить, снизив уровень грунтовых вод на участке перед выемкой грунта или, в качестве альтернативы, увеличив протяженность восходящего потока.

Вам также понравится:

(Посещений 6573 раза, сегодня 1 посещений)

Продолжить чтение

Может ли зыбучие пески действительно засосать тебя до смерти?

В 2002 году был опубликован отчет о случае, рассказывающий о человеке, который однажды поздно вечером упал в зернохранилище на ферме в Германии. К тому времени, когда пожарные смогли установить, в каком из восьми резервуаров он находился, зерно было уже по подмышки и, действуя в соответствии с классической идеей зыбучих песков, тянуло его вниз.Каждый раз, когда он выдыхал, объем его груди уменьшался, заставляя зерно устремляться, заполняя пробел, и ему становилось все труднее дышать.

Врач был спущен на веревку, чтобы дать ему кислород, а на груди мужчины были обвязаны ремни безопасности. Но вскоре он почувствовал мучительную боль в груди, и у доктора развился приступ астмы, вызванный пылью. Однако пожарные нашли умное решение. Они опустили цилиндр на тело мужчины. Затем, когда они высасывали зерно с помощью промышленного пылесоса, зерно не могло упасть вокруг него плотнее, и он выжил.

Чтобы пережить падение в сухой зыбучий песок, вам нужна помощь извне как можно скорее, но что, если вы окажетесь в каком-то мокром зыбучем песках, не тонете, а застряли? Вам нужно немного пошевелить ногой, чтобы добавить воду в песок вокруг ног, чтобы он снова стал жидким. Идея состоит в том, чтобы сохранять спокойствие (что легче сказать, чем сделать), откинуться назад и разложиться, чтобы распределить свой вес более равномерно, и подождать, пока вы не всплывете на поверхность. И не забудь свою шляпу.

Присоединяйтесь к 500000+ будущих поклонников, поставив нам лайк на Facebook или подписавшись на нас в Twitter , Google+ , LinkedIn

8 9020 Instagram .

Если вам понравилась эта история, подпишитесь на еженедельную рассылку новостей bbc.com , которая называется « Если вы прочитали только 6 статей на этой неделе ». Тщательно подобранная подборка историй из BBC Future, Earth, Culture, Capital, Travel и Autos, которые доставляются вам на почту каждую пятницу.

Отказ от ответственности
Все содержимое этого столбца предоставлено только для общей информации и не должно рассматриваться как замена медицинской консультации вашего собственного врача или любого другого специалиста в области здравоохранения.BBC не несет ответственности за любой диагноз, сделанный пользователем на основании содержания этого сайта. BBC не несет ответственности за содержимое любых перечисленных внешних интернет-сайтов и не поддерживает какие-либо коммерческие продукты или услуги, упомянутые или рекомендованные на любом из сайтов. Всегда консультируйтесь со своим лечащим врачом, если вы хоть как-то беспокоитесь о своем здоровье.

Опасность зыбучих песков: миф или реальность? — Мероприятие

(0 Рейтинги)

Быстрый просмотр

Уровень оценки: 11
(10-12)

Требуемое время: 2 часа 15 минут

(три занятия по 45 минут)

Расходные материалы на группу: 5 долларов США.00

Размер группы: 4

Зависимость действий: Нет

Тематические области:
Физические науки, Решение проблем

Резюме

Учащиеся изучают физику, лежащую в основе причин появления зыбучих песков, и знакомятся с взаимосвязью между такими понятиями, как общий стресс, поровое давление и эффективный стресс.Студенты также связывают эти концепции с разжижением почвы — серьезной проблемой во время землетрясений. Учащиеся начинают задание с создания простого устройства для проверки воздействия зыбучих песков на материалы различной плотности и веса. Они создают прототип опорной конструкции, которая предотвращает погружение тяжелых предметов в зыбучие пески. В конце упражнения студенты размышляют о процессе инженерного проектирования и рассматривают шаги, предпринимаемые инженерами-строителями при проектировании прочных зданий и других конструкций. Эта инженерная программа соответствует научным стандартам нового поколения (NGSS).

Инженерное соединение

В регионах мира, подверженных землетрясениям, инженеры-строители должны учитывать, насколько хорошо здание и земля, на которой оно стоит, могут выдерживать сейсмические волны. Возможность разжижения грунта, состояния напряжения, при котором твердый грунт может вести себя как жидкость, является важным фактором в гражданском строительстве.Одним из примеров является обширное разжижение, которое произошло во время землетрясения 1964 года в Ниигате в Японии. Большая часть Ниигаты была построена на рыхлом песке из русел древних рек, и многие здания провалились в землю из-за землетрясения (см. Изображение 2). Изучение взаимосвязи между такими понятиями, как полное напряжение, поровое давление и эффективное напряжение при разжижении, помогает инженерам понять, как проектировать конструкции, способные противостоять серьезной сейсмической активности. Используя зыбучие пески в качестве модели, инженеры могут углубить свое понимание фундаментных грунтов и предотвратить структурные повреждения — и гибель людей в результате таких повреждений — из-за разжижения.

Изображение 2. Повсеместный ущерб в результате разжижения почвы во время землетрясения в Ниигате в 1964 году в Японии. Авторское право

Авторские права © Унгтсс, 1964 г., Общественное достояние Wikimedia Commons, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Liquefaction_at_Niigata.JPG

Цели обучения

После этого занятия студенты должны уметь:

• Объясните взаимосвязь между почвой и водой в зыбучих песках и разжижении почвы.
• Создайте устройство для испытания модели, чтобы проверить вопрос: «Погрузятся ли люди в зыбучих песках?»
• Разработайте и протестируйте конструкцию модели, чтобы предотвратить погружение предметов в зыбучие пески.

Образовательные стандарты

Каждый урок или задание TeachEngineering соотносится с одним или несколькими научными предметами K-12,
образовательные стандарты в области технологий, инженерии или математики (STEM).

Все 100000+ стандартов K-12 STEM, охватываемых TeachEngineering , собираются, обслуживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) ,
проект Д2Л (www.achievementstandards.org).

В ASN стандарты иерархически структурированы: сначала по источникам; например , по штатам; внутри источника по типу; например , естественные науки или математика;
внутри типа по подтипу, затем по классу, и т. д. .

NGSS: научные стандарты нового поколения — наука

Общие основные государственные стандарты — математика

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии — Технология

• Студенты разовьют понимание атрибутов дизайна.(Оценки
  К —
  12)

  Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом?

  
  

  Спасибо за ваш отзыв!

• Студенты разовьют понимание инженерного дизайна.(Оценки
  К —
  12)

  Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом?

  
  

  Спасибо за ваш отзыв!

• Студенты разовьют понимание роли устранения неполадок, исследований и разработок, изобретений и инноваций, а также экспериментирования в решении проблем.(Оценки
  К —
  12)

  Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом?

  
  

  Спасибо за ваш отзыв!

ГОСТ

Предложите выравнивание, не указанное выше

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Список материалов

Каждой группе необходимо:

• 1 пустая бутылка 2 л; Прозрачные пластиковые бутылки из-под газировки подходят лучше всего, чтобы ученики могли наблюдать зыбучие пески в действии
• Гибкий шланг длиной 1 м или отрезок старого садового шланга длиной 1 м; фурнитура снята или отрезана
• небольшой круглый предмет аналогичных размеров, но разной плотности; например, металлический шар, большой мрамор и известь:

• Примечание: один объект должен быть плотнее, чем зыбучие пески, имеющий приблизительный удельный вес 2.Например, полый стальной шар диаметром 5 см и удельным весом 2,5 и утонет в эксперименте. Другой объект должен быть плотнее или плотнее, чем у человека, но менее плотным, чем зыбучие пески. У людей приблизительный удельный вес составляет 0,95, поэтому извести с приблизительным удельным весом 1,1 будет достаточно. Студенты могли даже использовать зубочистки, чтобы делать из лайма «людей» с руками и ногами для спасения.

• 10 см ² кусок марли
• сливной фильтр для защиты раковины от перелива песка (в крайнем случае подойдут бумажные полотенца)
• Емкость объемом 1 л для увлажнения песка с верхней части зыбучих песков модель

Поделиться со всем классом:

• Раковина и смеситель (идеально подходит лабораторная установка с несколькими раковинами)
• 4.5 кг детского песка
• изолента
• бумажные полотенца и чистящие средства
• Контейнер для влажного песка
• обеспечивает проектирование и создание прототипа конструкции, предотвращающей погружение тяжелого предмета в зыбучие пески; предметы могут включать палочки для мороженого, картон, соломинки, алюминиевую фольгу, губки, пластиковые или бумажные стаканчики и т. д.
• инструменты, которые помогут студентам построить прототип опорных конструкций, включая линейки, ножницы, перманентные маркеры, термоклеевые пистолеты и т. Д.

На следующих изображениях (Изображение 3, Изображение 4 и Изображение 5) показан макет устройства для испытания зыбучих песков в три этапа строительства. Этот пример можно использовать в качестве модели, которой студенты могут следовать в качестве руководства, если у групп заканчиваются идеи. В этой модели используется марля, прикрепленная к одному концу гибкой трубки с помощью воздуховода (Изображение 3). Конец с марлей вставляется примерно на 2 см в контейнер для тестирования (Изображение 4). Затем пробирка приклеивается к отверстию пластиковой бутылки объемом 2 л (Изображение 5).Другой конец трубки прикреплен к крану (не изображен).

Изображение 3. Марля оборачивается вокруг конца трубки и закрепляется изолентой. Авторское право

Авторские права © 2018 J. Patrick Coughlin, CC BY-SA 4.0, Университет Колорадо, Денвер

Изображение 4. Трубка вставляется в бутылку. Авторское право

Copyright © 2018 J. Patrick Coughlin, CC BY-SA 4.0, Университет Колорадо, Денвер

Image 5. Трубка прикреплена к бутылке изолентой; у модели студента, построенной таким образом, теперь другой конец трубки будет прикреплен к крану.авторское право

Авторское право © 2018 Дж. Патрик Кафлин, CC BY-SA 4.0, Университет Колорадо, Денвер,

Больше подобной программы

Подземная река

Учащиеся узнают, как вода течет через землю, что такое водоносный горизонт и какие твердые свойства предсказывают течение грунтовых вод. Подземные воды являются одним из крупнейших источников питьевой воды, поэтому инженеры-экологи должны понимать поток грунтовых вод, чтобы использовать этот важный ресурс.

Все о оползнях: земля в движении

Учащиеся узнают об оползнях, обнаруживая, что существуют разные типы оползней, которые происходят с разной скоростью — от очень медленных до очень быстрых. Все оползни являются результатом силы тяжести, трения и задействованных материалов.Студенты узнают, чем опасны оползни и чем занимаются инженеры …

Предварительные знания

Учащиеся должны иметь базовое представление о следующих понятиях: вес, плотность, жидкости по сравнению с твердыми телами и давление.

Введение / Мотивация

Чтобы подготовить сцену к этому занятию, давайте кратко рассмотрим один из наиболее известных мотивов, встречающихся в приключенческих фильмах.Представьте себе исследователя, идущего через густые джунгли, который внезапно наталкивается на поляну. Изнуренный прорубанием подлеска, исследователь ступает на открытое пространство только для того, чтобы внезапно проваливаться по колени в серой грязи — зыбучих песках! Исследователь изо всех сил пытается продвинуться вперед, но обнаруживает, что погружается еще дальше по бедра! Еще одна борьба вперед, и они опускаются по пояс. Младший исследователь мог бы бороться, пока не был обречен погрузиться в мрачные глубины зыбучих песков, но именно этому исследователю удалось схватить ближайшую лозу и вытащить себя в безопасное место.

Такая сцена в голливудском фильме может быть драматичной, но реалистична ли она? Может ли человек действительно утонуть в зыбучих песках? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте исследуем природу зыбучих песков, а также некоторые научные данные, лежащие в основе этого природного явления.

По сути, зыбучие пески — это насыщенный песок, который стал жидким из-за потока воды. Песок, тип почвы, представляет собой смесь гранулированного материала, состоящего из камня или минерала, содержащего микроскопические зазоры или пустоты, которые могут быть заполнены воздухом или водой.Когда эти пустоты полностью заполнены водой, мы определяем ее как насыщенную .

Теперь давайте рассмотрим массу и вес человека. Вес — это сила тяжести, приложенная к нашей массе, и определяется с помощью основного уравнения W = мг, где W — вес в Ньютонах, м — масса в килограммах, а г — ускорение свободного падения. в мс ² , или метров на секунду в квадрате. Основываясь на этой информации, сам по себе вес не определяет, преодолеем ли мы ту или иную поверхность для ходьбы.Прорвемся мы или нет, зависит от нашего веса , деленного на , площадь, на которую действует этот вес. Мы называем это понятие напряжением, которое обозначается строчной греческой буквой сигма σ и определяется уравнением σ = W / A , где A — площадь поперечного сечения в квадратных метрах.

Когда мы идем по почве, нас обычно поддерживают, потому что почва достаточно прочная, чтобы выдержать общую нагрузку, создаваемую нашими ногами. Почва противостоит этому общему напряжению за счет комбинации порового давления ( u ), которое возникает в результате воздействия воды на окружающую среду, и эффективного напряжения ( σ ’), которое возникает в результате физического контакта между соседними частицами почвы.Мы можем записать соотношение между полным напряжением ( σ ), поровым давлением и эффективным напряжением следующим образом:

σ = u + σ ’

Это уравнение говорит о том, что если столб почвы насыщен, нас поддерживает комбинация эффективного напряжения и порового давления. В определенных ситуациях, таких как значительный восходящий поток грунтовых вод или уплотнение почвы, вызванное землетрясениями, поровое давление увеличивается настолько, что это единственный фактор, поддерживающий общее напряжение.Поскольку эффективное напряжение больше не играет роли в поддержании нашего груза, больше нет силы, удерживающей зерна почвы друг против друга. Когда это происходит, почва действует как жидкость (в частности, суспензия ), а не как пористое твердое вещество. Теперь нас поддерживает только поровое давление, обеспечиваемое жидкостью из воды и песка, которая теперь может легко ускользнуть из-под наших ног. Это называется сжижением . Разжижение — это когда почва имеет поровое давление, превышающее или равное общему напряжению, поэтому эффективное напряжение отсутствует.

В зыбучих песках разжижение происходит, когда внешний источник воды попадает в насыщенную почву таким образом, что он увеличивает поровое давление воды так, что оно превышает общее напряжение. Этот источник потока воды обычно направлен вверх или вверх.

Рис. 1. Столб грунта, демонстрирующий компоненты эффективного напряжения (σ ’) и порового давления (u). Авторское право

Copyright © 2009 van Asselen et al. Эльзевир. https://www.youtube.com/watch?v=bWKZJ_hJJtE

Студент объясняет взаимосвязь между насыщением почвы и эффективным напряжением, общим напряжением и поровым давлением.авторское право

Copyright © J. Patrick Coughlin, CC BY-SA 4.0, Университет Колорадо, Денвер,

Теперь у нас есть базовое представление о науке, давайте вернемся к нашему первоначальному вопросу: если твердый песок превратится в зыбучие пески, утонет ли человек? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно подумать еще об одном понятии: плавучести. Плавучесть определяется как сила, направленная вверх, действующая на объект, погруженный в жидкость. Величина выталкивающей силы равна весу вытесняемой жидкости. Объекты, погруженные или частично погруженные в зыбучие пески, будут испытывать подъемную силу, как если бы они были в бассейне с водой.Однако плывун имеет более высокую плотность, чем вода, потому что это смесь воды (с удельным весом 1) и песка (с удельным весом около 2,5). Следовательно, подъемная сила в зыбучих песках больше, чем подъемная сила в воде. Как вы думаете, вы бы полностью погрузились в зыбучие пески? Давайте узнаем!

Если человек похож на лайм, то сможет ли он когда-нибудь полностью погрузиться в зыбучие пески? (Принимайте идеи студентов.) Ответ — нет, но мы все равно можем ужасно застрять.Итак, насколько точны изображения зыбучих песков в фильмах или на телевидении? Почему или почему нет? (Ответы будут варьироваться в зависимости от фильма или телешоу, но большинство изображений неточны и показывают людей, почти «поглощенных» зыбучими песками.)

Почему нам важны зыбучие пески? Как мы уже упоминали, землетрясения могут вызвать восходящий поток грунтовых вод и создать большую площадь зыбучих песков, которые могут поставить под угрозу неправильно спроектированную структуру. В мире есть много сообществ, подверженных землетрясениям, иногда с катастрофическими последствиями.Инженеры разрабатывают конструкции, которые помогают построить прочные конструкции, которые будут обеспечивать безопасность людей и сообществ во время таких событий. Инженеры-строители, проектирующие конструкции, способные противостоять сейсмическим воздействиям, также проектируют опорные системы для существующих зданий, дорог, мостов и городских сооружений, чтобы помочь им выдержать разжижение грунта. Знание характеристик грунта может помочь инженерам проектировать здания, а также определять оптимальные места для строительства.

Теперь, когда мы увидели, как зыбучие пески могут затопить тяжелый объект (например, здание) или даже человека при правильных условиях, мы будем действовать как инженеры и попытаемся выяснить, сможем ли мы предотвратить погружение предметов.Во-первых, ваша команда разработает и построит устройство для тестирования зыбучих песков из простых материалов. Затем ваши группы протестируют вашу модель зыбучих песков с различными объектами, чтобы убедиться, что ваше устройство работает. Подобно инженерам-строителям, вы будете проводить мозговой штурм, проектировать, строить и тестировать конструкции прототипов, чтобы предотвратить погружение объектов в зыбучие пески. Инженеры часто создают и тестируют несколько прототипов, прежде чем предложить и построить окончательный проект. Они часто используют легкодоступные материалы для проверки своих идей, как и мы сегодня.Готовы начать? (На этом этапе упражнения вы можете показать учащимся доступные материалы.) Выберите обычные материалы, такие как палочки для мороженого, газеты, алюминиевая фольга, губки или небольшие бумажные и пластиковые стаканчики. Также подумайте об использовании повторно используемых и переработанных материалов!

Процедура

До начала деятельности

• Соберите предметы. Вы можете держать эти предметы вне поля зрения, чтобы стимулировать мозговой штурм.
• Учитель может выбрать сборку устройств для тестирования, показанных на изображениях 3-5.

Со студентами

День 1: Устройства для тестирования зыбучих песков:

1. Сформируйте упражнение, используя идеи из раздела Введение / Мотивация упражнения.
2. Покажите ученикам доступные материалы (бутылку на 2 л, гибкую трубку, марлю, бумажные полотенца и клейкую ленту) и дайте им возможность продолжить.
3. Покажите студентам предметы, которые они попытаются «утонуть» в зыбучих песках, например стальной шар, большой шарик или известь.
4. Предложите студентам провести мозговой штурм о том, как сконструировать устройство из легкодоступных материалов, чтобы проверить, утонут ли люди / конструкции в зыбучих песках. Поощряйте все идеи.
5. Разрешите учащимся приступить к созданию моделей для создания и демонстрации взаимодействия зыбучих песков.
6. Требуйте от студентов тестирования и повторения своих проектов, пока они не получат правильную модель для тестирования объектов.
7. Примерная модель может состоять из следующих этапов:

1. Накройте слив раковины бумажными полотенцами, чтобы не допустить попадания песка.
2. Прикрепите гибкую трубку к устройству изолентой.
3. Прикрепите другой конец трубки к крану с помощью изоленты.
4. Загрузите песок в верхнюю часть фильтра. Песок должен быть достаточно глубоким, чтобы погрузить в воду самый большой исследуемый объект. (10-15 см песка — хорошая отправная точка.)
5. Налейте воду на песок, чтобы придать ему первоначальную насыщенность.
6. Добавьте самый плотный объект на поверхность песка.
7. Медленно откройте кран и дайте воде течь по трубке в бутылку, позволяя ей подняться на поверхность.Если слив достаточно мал, объект останется на песке. Если слив достаточно большой, песок станет жидким, и плотный предмет опустится на дно.
8. Сливайте воду через верхнюю часть устройства после каждого теста, чтобы восходящий поток воды мог эффективно работать во время каждого теста.

День 2: Проектирование конструкций для предотвращения погружения предметов в зыбучие пески:

1. После того, как учащиеся несколько раз испытали свои модели зыбучих песков, приступайте ко второй части инженерного проектирования: разработке конструкций, предотвращающих погружение объекта в зыбучие пески.
2. Покажите учащимся доступные материалы (обычные или переработанные материалы, такие как палочки для мороженого, картон, соломинки, алюминиевая фольга, губки, небольшие бумажные или пластиковые стаканчики).
3. Предложите студентам провести мозговой штурм о том, как спроектировать конструкцию из легкодоступных материалов, чтобы предотвратить погружение предметов в их устройство для тестирования зыбучих песков. Поощряйте все идеи.
4. Разрешить учащимся приступить к созданию своих проектов.
5. Требовать от студентов тестирования и повторения своих проектов, как это делают инженеры, чтобы держать свои объекты на поверхности зыбучих песков.Студенты могут захотеть начать тестирование самого легкого объекта и перейти к самому тяжелому, повторяя процесс.
6. Еще раз напомните учащимся слить лишнюю воду с песка перед каждым испытанием их проектов.
7. Время от времени давайте студентам отметку времени, сколько времени у них осталось на итерацию своего проекта.

День 3: Обмен идеями дизайна

1. После того, как студенческие команды успеют построить и повторить, предложите им представить свои проекты остальному классу.
2. Задайте учащимся следующие вопросы, чтобы облегчить обсуждение для презентации своих проектов:
1. Что хорошо сработало в вашем дизайне?
2. Что можно улучшить?
3. Если бы у вас было больше времени или других материалов, что бы вы изменили в своем дизайне?
3. Завершите обсуждение, соединив деятельность с гражданским строительством. Напомните учащимся, что сейсмические волны во время землетрясений могут переупорядочивать частицы почвы и позволяют воде подниматься вверх во вновь уплотненное поровое пространство.Возникающее в результате увеличение порового давления иногда вызывает разжижение, как показано на изображении 1 выше.

Ученики экспериментируют с устройством для тестирования зыбучих песков в школьной лаборатории. авторское право

Copyright © J. Patrick Coughlin, CC BY-SA 4.0, Университет Колорадо, Денвер,

Словарь / Определения

эффективное напряжение: сила, которая удерживает совокупность частиц жесткой или «склеенной» вместе; обычно применяется к пескам и почвам.

разжижение: процесс, при котором жидкость образуется из твердого вещества. Например, насыщенная водой почва может действовать как жидкость, потому что давление воды внутри почвы привело к тому, что частицы потеряли контакт друг с другом.

поровое давление: давление воды, удерживаемой в зазорах или порах между частицами.

сейсмика: Относится к изучению землетрясений. (От древнегреческого seismós, что означает «землетрясение.”)

суспензия: жидкая вязкая жидкая смесь, содержащая значительную часть взвешенных твердых частиц.

почва: смесь органических веществ, минералов, газов, жидкостей и организмов, являющаяся основным компонентом экосистемы Земли. Песок, тип почвы, состоит из выветрившейся породы, минералов и органических веществ, обычно содержащих твердые частицы и пустоты или поровые пространства. Промежутки могут быть заполнены водой, воздухом или и тем, и другим.

Насыщенность почвы: количество воды, содержащейся в материале, таком как почва или песок.В насыщенных почвах большая часть поровых пространств и щелей заполнена водой.

Напряжение: физическая величина, которая выражает внутренние силы, которые соседние частицы оказывают друг на друга.

Оценка

Предварительная оценка деятельности

Мозговой штурм: Спросите учащихся, слышали ли они о зыбучих песках. Что они знают о зыбучих песках? Могут ли они придумать какие-нибудь истории, в которых упоминаются зыбучие пески? Обсудите идеи о том, как мы можем проверить, утонут ли люди в зыбучих песках.

Исследование (это будет рассмотрено во введении / мотивации, если используется в письменном виде)

1. Попросите учащихся определить плотность человека и тестовых объектов. Используйте предпочтительную ссылку или используйте принцип Архимеда, если желательно: принцип гласит, что восходящая выталкивающая сила, которая действует на тело, погруженное в жидкость, полностью или частично погруженное в воду, равна весу жидкости, которую тело вытесняет и действует. в направлении вверх в центре масс вытесняемой жидкости.
2. Спросите студентов, как они могут проверить, утонет ли человек в зыбучих песках.
3. Попросите учащихся узнать удельный вес зыбучих песков.

• Примечание: люди в два раза меньше плотности зыбучих песков и погружаются примерно наполовину в зыбучие пески из-за плавучести человека.

Встроенная оценка деятельности

Сообщите свой дизайн / презентацию (день 3 упражнения): Попросите учащихся обсудить свои проекты с остальной частью класса:

• Что хорошо сработало в вашем дизайне?
• Что еще можно улучшить в вашем дизайне?
• Если бы у вас было больше времени или других материалов, что бы вы изменили в своем дизайне?

Оценка после операции

Описание проекта: Попросите учащихся поразмышлять над своими проектами в качестве задания — в журнале, в онлайн-документе или на бумаге.Попросите их подумать в своем размышлении над следующим:

• Как вы могли улучшить свой дизайн?
• Как вы думаете, что изменилось бы, если бы ваши объекты были разных пропорций, например, шире и мельче?
• Чем ваш процесс был похож на инженеров-строителей, которые работают с сообществами по всему миру?

Советы по поиску и устранению неисправностей

Попробуйте использовать различные контейнеры для конструкции устройства для тестирования зыбучих песков, включая большие пластиковые контейнеры, используемые для хранения предметов.Например, ученики могут использовать большой пластиковый контейнер или ванну для тестирования больших участков зыбучих песков. Чтобы вода поднималась вверх, поместите гибкую трубку под песок на дне контейнера. Это может позволить учащимся испытать более крупные и тяжелые конструкции и разработать более сложные системы, чтобы предотвратить их погружение в зыбучие пески.

Попрактикуйтесь в заполнении, проверяя аппарат, чтобы определить глубину песка и скорость потока воды, которые принесут желаемые результаты. Чтобы вода не поднималась над поверхностью песка во время наполнения устройства, может потребоваться определенное мастерство.

Расширения деятельности

Существует ряд возможных расширений содержания для этого задания, каждое из которых дает студентам возможность подогреть свой интерес к зыбучим пескам и, что более важно, к гражданскому строительству. Ниже приведены четыре примера потенциальных тем для исследований, связанных с зыбучими песками (и небольшая информация по каждой теме):

1. Напряжение сдвига: Инструкторы, желающие расширить это упражнение, могли бы уточнить важные различия между нормальным напряжением, при котором сила перпендикулярна области (т.е., сжатие и растяжение), а также напряжение сдвига, при котором сила параллельна площади. Для промежуточных углов могут присутствовать как нормальные компоненты, так и компоненты напряжения сдвига. Технические материалы часто разрушаются из-за напряжения сдвига, а не из-за сжатия или растяжения. В частности, жидкости могут противостоять нормальному напряжению, но не могут противостоять напряжению сдвига; когда к жидкости прикладывается сдвиг, она деформируется или течет. Напряжение сдвига пропорционально скорости деформации и константе пропорциональности, называемой вязкостью .
2. Hydrostatics: Учащиеся, имеющие опыт плавания, знают, что давление воды, которое обычно ощущается в барабанных перепонках, увеличивается с глубиной. Это является результатом профиля гидростатического давления, определяемого уравнением P = ρgh . P — давление в Ньютонах на квадратный метр, ρ — плотность в килограммах на кубический метр, г, — ускорение свободного падения в метрах в секунду в квадрате, и ч — глубина, измеренная под поверхностью воды в метрах. .Такой же профиль гидростатического давления существует в почвах, где h измеряется вниз от уровня грунтовых вод , отметки, ниже которой все поровые пространства насыщены. Профиль гидростатического давления имеет отношение к этой деятельности, потому что он определяет давление, необходимое на глубине для запуска разжижения. В обычных обстоятельствах эффективное напряжение увеличивается с глубиной, потому что поровое давление увеличивается гидростатически (то есть, поскольку вода имеет удельный вес, равный единице), в то время как общее напряжение увеличивается более чем гидростатически, поскольку насыщенный грунт имеет удельный вес больше , чем единицы. .Поскольку общее напряжение увеличивается быстрее, чем поровое давление, их разница — эффективное напряжение — также увеличивается. Если бы поровое давление на глубине было намного больше гидростатического — достаточно большим, чтобы соответствовать общему напряжению, — тогда произошло бы разжижение.
3. Обратная промывка: Ожижение является ключевым элементом водоподготовки. Обеспечение безопасной питьевой водой — одна из важнейших задач, возложенных на муниципалитеты, и инженеры играют важную роль. На многих водоочистных сооружениях фильтрация через песок является важным этапом очистки.Песочные фильтры довольно просты: после предварительной обработки вода пропускается вниз через слой песка глубиной 1-2 м. Взвешенные твердые частицы, в том числе патогенные микроорганизмы, прилипают к поверхности песка, в то время как вода проходит дальнейшую очистку перед отправкой в ​​водопроводную сеть. Однако после примерно 24 часов работы эти песочные фильтры забиваются отложениями и требуют очистки. Это достигается с помощью обратной промывки , где используются насосы большой мощности для нагнетания чистой воды вверх через песочный фильтр.Эти насосы обеспечивают достаточное поровое давление для сжижения. После разжижения вращающиеся песчинки трутся друг о друга, что удаляет отложения и собирает их как сточные воды.
4. Оползни: Оползни не являются проявлением разжижения, но они зависят от некоторых из тех же переменных. В частности, оползни возникают, когда напряжение сдвига (см. Выше), приложенное к почве, превышает ее прочность на сдвиг. Вот почему оползни часто следуют за дождями.Дождь заполняет часть порового пространства в почве, тем самым утяжеляя почву и увеличивая напряжение сдвига. Между тем, дополнительная вода увеличивает поровое давление, что снижает эффективное напряжение, а также снижает прочность почвы на сдвиг. Увеличение нагрузки и уменьшение прочности — рецепт разрушения любого материала

использованная литература

Дас, Браджа и Собхан, Халед. Принципы геотехнической инженерии , 8-е издание, Стэмфорд, CT Cengage Learning, 2014.

Крамер, Стивен. Разжижение в Энциклопедии природных опасностей . Роттердам, Нидерланды, Springer, 2013 г. По состоянию на 2016 г. DOI: https://doi-org.aurarialibrary.idm.oclc.org/10.1007/978-1-4020-4399-4_219

Авторские права

© 2018 Регенты Университета Колорадо; оригинал © 2016 Колорадский университет в Денвере

Авторы

Дж. Патрик Кафлин; Малинда С.Зарске; Дэвид С. Мэйс

Программа поддержки

Департамент гражданского строительства, Колорадский университет в Денвере

Благодарности

Это мероприятие было разработано в рамках Департамента гражданского строительства Университета Колорадо в Денвере при поддержке Национального научного фонда под номерами грантов EAR-1417005 и EAR-1417017. Любые мнения, выводы, выводы или рекомендации, выраженные в этом материале, принадлежат авторам и не обязательно отражают точку зрения Национального научного фонда.

Последнее изменение: 20 июля 2021 г.

Quicksand не может засосать вас под водой: Nature News

Эксперименты показывают, что люди не погружаются полностью в зыбучие пески.

Пластиковая игрушка, как и человек, недостаточно плотна, чтобы полностью погрузиться в массу зыбучих песков. © Daniel Bonn

Хотя фильмы ужасов часто изображают жертвы, исчезающие в зыбучих песках, правда гораздо более укротительна. Люди не могут полностью погрузиться в этот тип почвы, и лабораторные симуляции теперь подтверждают этот малоизвестный факт.

Quicksand — это обычный песок, который настолько насыщен водой, что трение между частицами песка уменьшается, что делает их неспособными выдержать какой-либо вес.

Смесь чаще всего появляется у дельт могучих рек. Он также может образоваться после того, как землетрясение высвободит воду из подземных резервуаров. Эксперты говорят, что когда зыбучие пески вызывают обрушение мостов и зданий, это действительно может быть опасно.

«Настоящая опасность зыбучих песков заключается в том, что вы можете застрять в них во время прилива.”

Даниэль Бонн,
Амстердамский университет, Нидерланды

С другой стороны, вероятность того, что человека полностью затянет в песок, равна нулю. «Голливудская версия просто неверна», — говорит Томас Зимми, эксперт по механике грунта из Политехнического института Ренсселера в Трое, штат Нью-Йорк.

Голландское мужество

Но ученые не устали опровергать миф. Квест Даниэля Бонна по воссозданию

зыбучих песков в лаборатории началось с поездки в Иран.

Исследователь из Амстердамского университета увидел знаки, предупреждающие посетителей об опасности этой зернистой почвы возле озера Намак, расположенного на севере страны. Бонн также слышал поучительные рассказы от местных пастухов.

Предупреждения возбудили его любопытство и вдохновили его взять образец обратно в Нидерланды, где он и его коллеги проанализировали его состав.

После того, как они определили пропорции мелкого песка, соленой воды и глины в зыбучих песках, они смешали большие партии того же самого.

Прогулка по воде

Бонн и его коллеги затем поместили алюминиевые бусины той же плотности, что и у среднего человека, поверх самодельного зыбучего песка. Команда встряхнула систему и наблюдала, как это действие частично затопило бусинки.

Падение объекта в зыбучие пески может привести к тому, что частицы песка, поддерживаемые водой, потеряют свою устойчивость и текут вниз в жидком виде. Бонн сравнивает беспокойство с опрокидыванием стопки аккуратно разложенных апельсинов.

«Чрезвычайно небольшое изменение напряжения может привести к полному разрушению этого материала», — говорит он. Согласно измерениям, проведенным в ходе экспериментов с шариками, увеличение физической нагрузки на частицы всего на 1% может привести к увеличению их скорости потока в миллион раз, создавая тягу вниз. Бонн добавляет, что выбраться из зыбучих песков сейчас сложно; сила, необходимая для того, чтобы вытащить ногу, равна силе, необходимой для подъема автомобиля среднего размера.

ОБЪЯВЛЕНИЕ

«Настоящая опасность зыбучих песков заключается в том, что вы можете застрять в них, когда поднимутся приливы», — говорит Бонн.Но терпение может быть добродетелью, спасающей жизнь. Если вы подождете достаточно долго, частицы песка осядут, и плавучесть смеси заставит вас подняться наверх.

В качестве доказательства, бусинки в эксперименте действительно плавали и никогда не погружались более чем на половину в песок. Хотя каждая бусина имела диаметр всего четыре миллиметра, Бонн говорит, что полученные результаты все еще применимы к людям, поскольку они имеют одинаковую плотность. Результаты исследования появятся на этой неделе в журнале Nature ¹ .

Амстердамский университет, Нидерланды

• Список литературы

  1. Халдун
     А.,

     Эйзер
     E.,

     Wegdam
     G.H.,

     Бонн
     Д.

     Природа , 437 . 635 (2005). | Статья | PubMed |

Зыбучие пески

2

Инженеры демонстрируют «пузыри» из песка

Апр.22, 2019 — Новое исследование показывает, как два типа песка могут вести себя как легкие и тяжелые жидкости, проливая свет на геологические процессы от оползней до вулканов и потенциально открывая новые технологии из …

Шерстистым звездчатым растениям, чтобы выжить, нужны катастрофы

19 марта 2019 г. — Вулли-звезда Санта-Ана, находящаяся под угрозой исчезновения, зависит от катастрофических наводнений. Благодаря огромной плотине естественных наводнений на его территории больше нет. Исследователи используют различные имитации обработки почвы…

Чем отличаются ил и песок при движении по течению?

16 декабря 2019 г. — Песок и ил в реках резко меняют свои транспортные средства на четкой границе между размерами зерен, независимо от скорости течения реки. Универсальный транспортный алгоритм выявил …

Урбанизация лишает жизнеобеспечение водно-болотных угодий Нью-Йорка

24 сентября 2018 г. — Используя керны отложений для отслеживания эволюции водно-болотных угодий залива Ямайка, группа исследователей обнаружила, что урбанизация ослабляет береговую линию и лишает болота жизненно важных минералов…

Влияет ли холодный дым лесных пожаров на формирование водоотталкивающих свойств почв на выжженных территориях?

25 мая 2021 года — после лесных пожаров почвы на выжженных территориях часто становятся водоотталкивающими, что приводит к усилению эрозии и наводнений после дождя — явление, которое многие ученые связывают с дымом и …

Утилизация миндального сада в рамках стратегии, не влияющей на климат

1 апреля 2020 г. — Переработка садовых деревьев на месте может улавливать углерод, экономить воду и повышать урожайность сельскохозяйственных культур, что делает ее экологически безопасной практикой для орошаемых миндальных садов Калифорнии…

Лесные пожары низкой интенсивности воздействуют на почвы больше, чем предполагалось ранее

10 сентября 2018 г. — Лесные пожары низкой интенсивности и предписанные ожоги долгое время считались учеными и распорядителями ресурсов безвредными для почв, но это может быть не так, как показывают новые исследования. Согласно …

Экспериментальная марсианская грязь: 20 долларов за килограмм, плюс доставка

28 сентября 2018 г. — Группа астрофизиков разработала научно обоснованный стандартизированный метод создания марсианской и астероидной почвы, известной как…

Проникновение на поверхность почвы с помощью радара

17 октября 2018 г. — Георадар быстро и легко измеряет количество влаги в почве. Расчеты исследователей на основе данных говорят об использовании воды в сельском хозяйстве и климате …

Модифицированная глина может удалить гербицид из воды

12 февраля 2020 г. — Создав аккуратно расположенные щели в глинистом минерале, ученые смогли фильтровать воду, чтобы удалить токсичный гербицид.После удаления загрязняющего вещества путем нагревания материала глина может быть …

(PDF) Исследование явления зыбучих песков в геотехнической лаборатории

ABNT NBR 6502: 1995 классифицирует песок как мелкий (от 0,06 мм до 0,2

мм), средний песок (от 0,2 мм до 0,6 мм) и крупный песок ( От 0,6 мм до 2,0 мм).

Таким образом, песчаный грунт состоит из минеральных частиц гранулометрического состава от

0,06 мм до 2.0 мм видно невооруженным глазом. Одной из основных характеристик

является отсутствие сцепления между зернами, то есть их зерна

легко отделяются друг от друга, обеспечивая высокую проницаемость в этих типах почв, обеспечивая легкую циркуляцию воды

в этих условиях. Согласно Капуто (1988), проницаемость

— это способность почвы пропускать воду через нее, а коэффициент проницаемости

количественно определяет это свойство.

Явление зыбучих песков возникает, когда большой поток воды заполняет

пустот в песке, устраняя трение между зернами (Freitas, 2017). Эта ситуация

встречается на берегах рек, озер, пляжей, болот и в регионах, близких к

источникам подземных вод.

В Бразилии зыбучие пески получают обозначение «areia moveiça»

, что в буквальном переводе означает движущийся песок. Этот термин используется потому, что отсутствие трения между зернами

позволяет песку приобретать свойства жидкости

, когда он становится подвижным.

Это явление происходит, когда песок находится в состоянии постоянного восходящего потока

таким образом, что он испытывает определенное напряжение

, в результате чего сопротивление грунта равно нулю. При этом баланс зерен

нарушен, что делает грунт неустойчивым (Cavalcante, 2006).

В этом исследовании была разработана структура, способная моделировать явление

зыбучих песков в уменьшенном масштабе, чтобы облегчить понимание

этого природного явления.Исследование может быть применено как дидактическая форма

усвоения зерновой насыщенности и понимания того, как поток воды

может вызвать явление зыбучих песков в песчаных почвах.

2. Методология

В исследовании использовались количественные и качественные методологии. Для анализа

были собраны данные о гранулометрии песчинок, коэффициенте проницаемости

(K) и наблюдении процента погружения (I) во время явления

.

Оборудование, способное моделировать явление зыбучих песков,

было разработано для проведения испытаний на проницаемость использованного грунта. Оборудование

имеет механизмы, которые могут контролировать ситуацию при возникновении явления зыбучих песков

и позволяют понять его возникновение.

Чтобы понять и проанализировать моделирование, необходимо знать системные переменные

, используемый ресурс, какие процессы выполняются и что такое моделируемое событие

.Переменными являются разные типы песка и их различная проницаемость

. Процесс представляет собой непрерывный восходящий поток воды. Ресурс

— это путь, по которому будет просачиваться вода, в данном случае — столб песка

. Сумма всех этих компонентов позволяет моделировать и изучать

зыбучих песков.

Чтобы устранить одну из переменных, была разработана система BMA (система

, состоящая из гравия, сетки и песка).Эта система, независимо от типа используемого песка

, может позволить проницаемости оставаться в диапазоне 10-2 см / с с небольшими изменениями

в миллиметровом масштабе. Реализация моделирования зыбучих песков с проницаемостью

в масштабе 10-2 см / с является хорошим вариантом, поскольку эта проницаемость

является одной из наиболее вероятных для возникновения явления. Это утверждение

было выведено путем испытания на проницаемость и моделирования эффекта в лаборатории

.

Характеристика грунта была основана на стандарте ABNT NBR 7181/2016

, а коэффициент проницаемости был получен с использованием оборудования

, разработанного для проекта на основе Caputo (1988), где указано, что коэффициент проницаемости

почва может быть количественно определена с помощью закона Дарси

, выраженного следующим уравнением:

2 Том 5-IAEG_AEG_2018, 026, v3 (финал): «Изучение явления зыбучих песков в.