Плывун — грунт, теряющий несущую способность¶
Плывун — насыщенный водой песчаный или пылеватый грунт, который при механическом воздействии (тряске, вибрации, разработке) переходит в полужидкое состояние и теряет несущую способность. Явление плывучести обусловлено избыточным поровым давлением воды в порах грунта: при сотрясении структура песка разрушается, связь между зёрнами исчезает, и масса начинает вести себя как вязкая жидкость. Плывуны представляют серьёзную опасность при строительстве котлованов, тоннелей, свайных работах и любых подземных разработках.
¶Природные условия возникновения
Плывуны формируются преимущественно в песчаных и пылевато-супесчаных грунтах с высокой водонасыщенностью. Наиболее подвержены плывучести:
- мелкие и пылеватые пески с коэффициентом фильтрации от 2 до 50 м/сут;
- пески, содержащие до 15–40 % пылеватых частиц;
- грунты, залегающие ниже уровня грунтовых вод или в зоне капиллярного подъёма.
Ключевое условие — наличие свободной воды в порах и низкая плотность укладки песка. В природных условиях такие грунты часто встречаются в речных поймах, дельтах, на побережьях, в зоне подтопления. В России плывуны характерны для аллювиальных отложений крупных рек (Волга, Обь, Енисей), а также для районов с высоким уровнем грунтовых вод в Западной Сибири, на Северном Кавказе и в пойменных равнинах Центральной России.
¶Механизм плывучести
При статической нагрузке поровое давление воды уравновешивает часть внешнего давления, и грунт сохраняет прочность. Механическое воздействие — удар, вибрация от трамбовки или копра, разработка забоя — вызывает кратковременный рост порового давления. Вода не успевает фильтроваться, давление разобщает зёрна песка, и грунт теряет когезионную прочность. Формально состояние описывается соотношением:
τ = c + (σ − u) · tg φ,
где τ — сопротивление сдвигу, c — сцепление, σ — нормальное напряжение, u — поровое давление, φ — угол внутреннего трения. При росте u эффективное напряжение (σ − u) стремится к нулю, и грунт перестаёт сопротивляться сдвигу.
После прекращения воздействия поровое давление постепенно рассеивается, грунт «схватывается» и частично восстанавливает прочность, однако структура его уже нарушена, а плотность снижена.
¶Виды плывунов
По гранулометрическому составу различают:
| Вид | Состав | Особенности |
|---|---|---|
| Истинные плывуны | Мелкие и пылеватые пески | Наиболее опасны, полный переход в текучее состояние |
| Ложные плывуны | Пески с примесью глинистых частиц | Проявляются при вибрации, быстрее восстанавливаются |
| Просадочные грунты | Лёсс, лёссовидные суглинки | Потеря прочности при увлажнении без вибрации |
Отдельно выделяют так называемые «стекающие» пески — грунты, которые при разработке обрушиваются в котлован струей, заполняя его до верха.
¶Проявление при строительных работах
Наиболее опасные ситуации возникают при разработке котлованов ниже уровня грунтовых вод без водоотлива. Типичные проявления:
- самопроизвольное заполнение котлована песчано-водяной смесью;
- обрушение боковых откосов и стен выработки;
- «выдавливание» грунта из-под основания забоя (пучение);
- оплывание забоя при проходке тоннелей;
- потеря устойчивости свай при их погружении.
Исторически плывуны были одним из главных препятствий при строительстве подземных сооружений. При проходке тоннелей в плывучих песках применяют гермостворы, замораживание грунта, силикатизацию. В XIX веке при строительстве тоннелей под Темзой в Лондоне и при прокладке первых метрополитенов неоднократно возникали аварии, вызванные обвалами плывучих песков.
¶Методы борьбы с плывунами
Основные инженерные решения:
- Водоотлив и дренирование — снижение уровня грунтовых вод ниже дна выработки с помощью насосных станций, дренажных скважин, иглофильтров. Наиболее универсальный способ.
- Замораживание грунта — создание ледяного ограждающего контура вокруг выработки. Применяется при проходке тоннелей и стволах шахт.
- Химическое закрепление — силикатизация (введение растворов силиката натрия с кислотой или солями), цементация, смолизация. Реагенты связывают зёрна и снижают фильтрацию.
- Уплотнение — виброуплотнение, трамбование, виброкатки. Повышает плотность песка и снижает вероятность плывучести.
- Гидрозатворы и опусскуры — герметичные ограждения, исключающие контакт рабочей зоны с водой.
- Ограждающие конструкции — шпунтовые стенки, диафрагмы, буровые сваи-опоры, формирующие несущий контур котлована.
При проектировании в районах распространения плывунов геологические изыскания обязательно включают определение гранулометрического состава, коэффициента фильтрации, критического градиента и виброустойчивости грунта.
¶Опасность для существующих сооружений
Плывуны опасны не только на стадии строительства. Вибрация от транспорта, промышленного оборудования, землетрясений может вызвать плывучесть грунта под действующими фундаментами. Это приводит к неравномерной осадке зданий, трещинам в стенах, а в тяжёлых случаях — к обрушению. В сейсмоопасных районах с водонасыщенными песками этот фактор учитывается при расчёте оснований: применяются свайные фундаменты, заглублённые ниже зоны потенциальной плывучести.
Источники:
- ГОСТ 25100-2020. Грунты. Классификация
- Толковый словарь строительных терминов
- Справочник по геотехнике и фундаментостроению
- «Грунтоведение» — учебник для вузов (под ред. В. А. Мамонова)