Плывун — грунтовая масса, переходящая в текучее состояние¶
Плывун — это водонасыщенный песчано-илистый грунт, который при нарушении структурного равновесия (вибрации, нагрузке, разработке выемки) теряет сцепление между частицами и переходит в текучее состояние. Явление перехода плывуна из твёрдого состояния в жидкое называют разжижением или флюктуацией. Плывуны представляют серьёзную опасность при строительстве, добыче полезных ископаемых и прокладке тоннелей, поскольку способны затапливать горные выработки, разрушать фундаменты и опрокидывать технику.
¶Состав и механизм
Плывун образуется преимущественно из мелкозернистых песков (пылеватых и мелких), содержащих 30–50 % ила и глинистых частиц в сочетании с высокой степенью водонасыщения. Поровая вода в таком грунте находится под избыточным давлением и удерживает зёрна песка в разобщённом состоянии. В спокойном состоянии межзерновые контакты обеспечивают прочность, но любое динамическое воздействие — удар, вибрация, бурение — разрушает слабую структуру, и грунт начинает вести себя как вязкая жидкость.
Ключевую роль играет избыточный поровый давление воды. Если нагрузка на грунт возрастает быстрее, чем успевает уйти поровая вода, давление растёт, эффективное напряжение падает до нуля, и сцепление между частицами исчезает. Такой процесс лежит в основе разжижения грунтов при землетрясениях.
¶Классификация
По характеру поведения в выработке плывуны делят на:
- Обыкновенные — при вскрытии интенсивно выбрасывают воду с песком, постепенно теряя активность. Встречаются в песчаных пластах с грунтовыми водами.
- Топкие — при вскрытии выбрасывают массу в виде густой сметаны, способны выбрасывать десятки кубометров за короткое время. Распространены в северных районах России (Якутия, Камчатка, Норильск).
- Песчаные — состоят преимущественно из песка с небольшой добавкой глины, текучесть приобретают при вибрации.
- Илистые — содержат много глинистых частиц, обладают высокой вязкостью, движутся медленно, но с большим давлением.
По генезису различают плывуны аллювиальные (в пойменных отложениях), морские (в прибрежных зонах) и озёрно-ледниковые.
¶Распространение в России
Плывуны широко распространены в геологических условиях России. Наиболее опасные скопления приурочены к:
- Западной Сибири — обширные песчано-илистые отложения в зоне распространения многолетнемёрзлых грунтов.
- Якутии и Камчатке — топкие плывуны сопровождают вулканические и криогенные процессы.
- Норильскому промышленному району — при разработке рудных месторождений неоднократно фиксировались выбросы плывунов.
- Московской артезианской котловине — пылеватые пески под строительными площадками Москвы и Подмосковья.
При проходке тоннелей Московского метрополитена в 1930-е годы инженеры сталкивались с плывунами в зоне соприкосновения морены и песков, что потребовало разработки специальных методов борьбы.
¶Методы борьбы и профилактики
Инженерная практика выработала несколько основных способов предотвращения разжижения плывунов:
- Замораживание — создание ледяного ограждения вокруг выемки. Метод энергоёмок, но надёжен; применялся при строительстве тоннелей и шахт.
- Осушение — снижение уровня грунтовых вод дренажными системами, что уменьшает поровое давление.
- Химическое закрепление — нагнетание цементных растворов, силиката натрия или других реагентов, связывающих частицы.
- Обойменная проходка — предварительное закрепление забоя обоймой или крепью до вскрытия плывуна.
- Давление балласта — создание противодавления столбом воды или тяжёлого раствора.
В горном деле при разработке месторождений с плывунами применяют заранее подготовленные водосборники и отбойные устройства.
¶Опасность и последствия
История знает случаи крупных аварий, связанных с плывунами. В 1930-е годы при проходке тоннелей под Москвой несколько раз происходили выбросы песка и воды, угрожавшие затоплением. На шахтах Кузбасса и Донбасса внезапные прорывы плывунов приводили к гибели людей и потере оборудования. При землетрясениях в Японии, Новой Зеландии и США массовые случаи разжижения песчаных грунтов становились причиной опрокидывания зданий и просадок.
¶Исследования
Изучением плывунов занимались русские и советские учёные: В. А. Обручев описал явление в геологических экспедициях, А. Ф. Лебедев разработал классификацию водонасыщенных грунтов. В современной геотехнике проблема плывунов исследуется в связи с освоением шельфа, строительством в сейсмоактивных районах и добычей в условиях вечной мерзлоты.
¶Источники
- ГОСТ 25100-2020. Грунты. Классификация
- Обручев В. А. «Избранные труды» — описания плывунов в Сибири
- Лебедев А. Ф. «Гидрогеология»
- Справочник по проходке тоннелей и шахт / под ред. Е. Ф. Резницкого
- Методические указания по борьбе с плывунами при строительстве подземных сооружений