Плывун как геологическое явление¶

Плывун — это насыщенный водой рыхлый грунт (обычно мелкий песок, реже супесь или пылеватые отложения), который при определённых условиях теряет структурную прочность и начинает вести себя как вязкая жидкость. Такое состояние возникает, когда вода полностью заполняет поры между частицами и гидростатическое давление уравновешивает их вес, а внешнее механическое воздействие — вибрация, удар, откачка воды или прорыв напора — нарушает равновесие. В результате грунт «течёт», заполняя выработки, подвалы, котлованы и траншеи, и способен создавать серьёзную опасность при строительстве и горных работах.

¶Природа явления

Ключевое условие образования плывуна — сочетание мелкозернистого состава и водонасыщения. Частицы песка размером примерно от 0,05 до 0,25 мм слабо связаны между собой; в сухом состоянии они держат форму за счёт трения, но при полном заполнении пор водой трение резко падает. Если вода находится под давлением (напорный горизонт), она стремится вверх и дополнительно разрыхляет массив.

Различают два принципиально разных типа:

• Ложный (структурный) плывун — обычный водонасыщенный песок, который приходит в движение только при внешнем воздействии: вибрации от механизмов, ударах, динамических нагрузках. После прекращения воздействия он быстро восстанавливает устойчивость.
• Истинный (тиксотропный) плывун — грунт, содержащий глинистые и коллоидные частицы, образующие гелеобразную структуру. Такой массив способен разжижаться самопроизвольно, а его восстановление идёт медленно. Истинные плывуны часто связаны с органическими включениями и обладают высокой подвижностью даже без вибрации.

¶Механизм разжижения

Физическая суть процесса — переход системы из состояния «зернистое тело» в состояние «суспензия». Когда поровое давление воды становится равным или превышает давление вышележащих слоёв, эффективное напряжение между частицами падает до нуля. Грунт теряет несущую способность, и любая нагрузка — вес здания, стенка котлована, отвал породы — начинает «тонуть» в нём.

Дополнительный фактор — тиксотропия: свойство некоторых коллоидных систем разжижаться при механическом воздействии и восстанавливать структуру в покое. Именно тиксотропией объясняется поведение истинных плывунов, которые могут «оживать» от проходки тоннеля или забивки сваи.

¶Опасность и последствия

Плывуны — одна из классических проблем инженерной геологии. Наиболее характерные последствия:

В городских условиях плывуны нередко становятся причиной просадок дорог, повреждений коммуникаций и деформаций соседних зданий. В горном деле внезапные прорывы плывунов в выработки относятся к числу наиболее опасных аварий.

¶Методы борьбы

Способы преодоления плывунов делятся на несколько групп.

Водопонижение. Искусственное понижение уровня подземных вод с помощью иглофильтров, скважин и насосов снижает поровое давление и переводит грунт в устойчивое состояние. Метод эффективен для ложных плывунов и ограничен по глубине.

Замораживание. Вокруг выработки создают ледогрунтовый массив: вода в порах замерзает, и грунт приобретает прочность. Применяется при проходке шахт и тоннелей в сложных условиях.

Химическое закрепление. В грунт нагнетают растворы (силикатные, смоляные, цементные), которые связывают частицы и снижают водопроницаемость. Используется для локального укрепления.

Электроосмос. Постоянный электрический ток через грунт заставляет воду перемещаться к катодам, осушая массив. Метод подходит для глинистых и пылеватых разностей.

Конструктивные решения. Применяют шпунтовые ограждения, кессоны, опускные колодцы, «стена в грунте», а также замену слабого грунта на привозной. Часто эти меры комбинируют с водопонижением.

¶Распространение в России

На территории России плывуны встречаются в долинах крупных рек, на заболоченных и озёрных отложениях, в районах распространения лёссовых и аллювиальных пород. Значительные трудности они создавали при строительстве метрополитенов в Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде, при возведении гидротехнических сооружений и мостовых переходов. В Западной Сибири плывунные грунты осложняют прокладку трубопроводов и освоение болотистых территорий.

¶Наблюдение и прогноз

Определение склонности грунта к плывунности выполняют по данным инженерно-геологических изысканий: изучают гранулометрический состав, коэффициент фильтрации, поровое давление, показатели тиксотропии. Лабораторные испытания дополняют полевыми замерами уровня воды и пробными откачками. На основе этих данных проектировщики выбирают способ проходки и крепления, а также оценивают риск осадок для окружающей застройки.

¶Смежные явления

Близкие по механизму процессы — разжижение грунта при землетрясениях, суффозия (вынос мелких частиц потоком воды), оползни водонасыщенных склонов и «кипение» песка на дне водоёмов при выходе напорных вод. Все они связаны с потерей внутренних связей в грунте под действием воды.

Источники: учебники по инженерной геологии и гидрогеологии, нормативные документы по изысканиям и основаниям сооружений, справочники по горному делу и строительству тоннелей.