Водопроникність грунтів - студопедія
Фізичні уявлення. Водопроникністю називається властивість водонасиченого грунту під дією різниці напорів пропускати через свої пори суцільний потік води. При цьому під суцільним потоком води розуміється її нерозривна рух (фільтрація) по всьому перетину активних пір грунту, т. Е. Тієї частини пір, яка не заповнена пов'язаної водою. Водопроникність грунтів залежить від їх пористості, гранулометричного і мінерального складу, градієнта напору.
Фільтрація води в грунтах являє собою складний процес. Дійсно, пори в разнозерністимі грунті утворюють звивисті канали змінного перерізу, що з'єднуються між собою в різних напрямках. Отже, і траєкторії руху води в цих каналах будуть вкрай складними. У глинистих ґрунтах плівки зв'язаної води, що оточують глинисті частинки і пов'язані з ними силами електростатичного притягання, можуть про-разовивать пробки, що перекривають порові канали в деяких перетинах і ускладнюють рух вільної води.
Розглянемо схему фільтрації води в елементі грунту (рис. 4.8). Нехай в точках 1 і 2 шари водонасиченого грунту, віддалених один від одного на відстань L, діють різні пьезометрические напори: H1> H2. Нагадаємо, що з курсу гідравліки натиск в будь-якій точці рухомого потоку води визначається виразом
де p / gw - пьезометрические висота (p - тиск у воді; gw - питома вага води); z - висота розглянутої крапки над деякою горизонтальною площиною порівняння; v 2 / (2g) - швидкісний напір (v - швидкість руху води в потоці; g - прискорення вільного падіння). Оскільки в реальних грунтах швидкість руху води мала, швидкісним напором в вираженні H зазвичай нехтують.
Тут важливо відзначити, що тиск в воді р може бути обумовлено не тільки висотою стовпа рідини, як показано на рис. 4.8, але і навантаженням від споруди, що передається на грунти основи через підошву фундаменту (поровое тиск).
Під дією цієї різниці напорів може початися рух води в порах грунту від точки 1 до точки 2. Приймемо, що цей рух відбувається по циліндричній трубці струму площею перетину А. Тоді, вимірявши за деякий час t обсяг води Q, що надійшла з точки 1 в точку 2, можна розрахувати умовну швидкість фільтрації:
Закон ламінарної фільтрації. Коефіцієнт фільтрації. Перші експерименти з вивчення фільтрації води в грунті були проведені на пісках французьким вченим Дарсі в 1854 р Їм билс встановлено, що швидкість фільтрації (або витрата води q, що протікає в одиницю часу через одиницю площі перетину грунту) прямо пропорційна різниці напорів (DH = H1 -H2) і обернено пропорційна довжині шляху фільтрації L:
де i - гідравлічний градієнт (градієнт напору), що дорівнює втраті напору по довжині шляху фільтрації: i = DH / L.
У піщаних і тим більше глинистих ґрунтах при звичайних значеннях градієнта напору швидкість фільтрації відносно невелика і рух води має паралельно-струменистий, т. Е. Ламінарний, характер. Тому рівняння v = ki часто називають законом ламінарної фільтрації Дарсі: швидкість руху води в грунті прямо пропорційна гідравлічному градієнту.
Коефіцієнт пропорційності k називається коефіцієнтом фільтрації і є основною фільтраційної харак-теристик грунту. Він чисельно дорівнює швидкості фільтрації води в грунті при градієнті напору i = 1 і має розмірність см / с, м / сут або см / рік. Коефіцієнт фільтрації грунту завжди визначається експериментально, і дуже сильно залежить від гранулометричного і мінерального складу ґрунту, а також його щільності. Так, для пісків його значення коливаються в межах
k = a · 10 -1. a # 8729; 10 -4 см / с; для супісків - a · 10 -3. a # 8729; 10 -6 см / с; для суглинків - a · 10 -5. a # 8729; 10 -8 см / с; для глин - a · 10 -7. a # 8729; 10 -10 см / с. де а може бути будь-яким числом від
1 до 9,9.
Початковий градієнт напору. Численні досліди по фільтрації води в піщаних грунтах підтверджують повну справедливість закону Дарсі (крива 1 на рис. 4.9). Разом з тим досліди з глинистими грунтами показують систематичне відхилення від цього закону (крива 2). Так, в глинистих ґрунтах, особливо щільних, при відносно невеликих значеннях градієнта напору фільтрації може не виникати (початкова ділянка кривої 2). Збільшення градієнта приводить до поступового, дуже повільного розвитку фільтрації. Нарешті, при деяких значеннях гідравлічного градієнта встановлюється постійний режим фільтрації.
У багатьох випадках не враховувати при розгляді початковий криволінійну ділянку Оа на рис. 4.9 і закон ламінарної фільтрації для глинистих ґрунтів приймають у вигляді
де k '- коефіцієнт фільтрації глинистого грунту, що визначається в інтервалі залежності між точками а і б: i0 - початковий градієнт напору, т. е. ділянка на осі i, що відсікається продовженням відрізка прямої аб до перетину з цією віссю.
Поняття початкового градієнта напору вперше встановлено дослідами Б. Ф. Рельтова і С. А. Роза і зв'язується зазвичай з проявом особливих властивостей води в глинистих ґрунтах, зазначених на початку цієї частини. С. А. Роза показав, що для щільних кембрійських глин початковий градієнт напору може досягати дуже великих значень, порядку 10. 20.
При діючому градієнті напору менше початкового значення (i Процеси, що розвиваються в грунтах при фільтрації води. При русі потоку води в порах грунту між ним і частинками виникають об'ємні сили взаємодії. Рівнодіючу цих сил в кожній точці можна розкласти на дві складові: спрямовану вертикально вгору і діючу по напрямку потоку, що рухається. Перша складова називається зважувати силою (архимедовой силою) і надає виштовхує вплив на частинки грунту (зважування грунту в воді). Друга - система фільтрації сила - призводить до гідродинамічного тиску води, що рухається на частинки грунту. Зважують сили проявляються навіть при відсутності руху води і обумовлюють зменшення питомої ваги грунту нижче рівня підземних вод. Фільтраційні сили виникають тільки при русі потоку води в грунті, і їх інтенсивність залежить від гідравлічного градієнта. Рух води в грунтах може призводити до розвитку різноманітних процесів, що ускладнюють будівництво. До них, зокрема, відносяться процеси механічної суффозии і кольматации грунту. Суффозія полягає в тому, що рухається потік води в великих порах піщаних і великоуламкових грунтів може захоплювати дрібні частинки, які осідають в будь-яких частинах масиву і кольматірующіе (закупорюють) пори або виносяться на поверхню. В результаті почалася суффозии може відбуватися збільшення пористості грунту, що приводить до зростання швидкості фільтрації і подальшому розвитку процесу. При цьому скелет грунту виявляється ослабленим і може піддатися руйнуванню. При виході потоку води на відкриту поверхню (наприклад, укіс котловану) може розвиватися поверхнева суффозія, що приводить до утворення воронок розмиву і подальшого руйнування (опливанню) цієї поверхні. Навпаки, кольматація, т. Е. Відкладення дрібних частинок поблизу відкритої поверхні, викликає зменшення пористості і зниження водопроникності грунту. Кольматація бортів котловану зменшує приплив фільтрує в нього води. У той же час кольматація дренажних пристроїв, що використовуються для відведення води, призводить до поступового їх виходу з ладу. Суфозійний стійкість ґрунту залежить від його гранулометричного складу, градієнта напору, швидкості фільтрації, напруг в скелеті грунту і визначається експериментально. Одним з основних шляхів боротьби з суфозія грунту є зменшення чинного напору. У грунтах, що містять велику кількість розчинних мінералів (гіпс, кальцит, галіт та ін.), Що рухається потік води може викликати хімічну Суфозія - розчинення і поступове вимивання цих мінералів. Ці процеси також супроводжуються збільшенням пористості і ослабленням грунту. Найбільш небезпечним тут є карстоутворення - розвиток великих воронок і підземних порожнин, сильно ускладнюють будівництво. Вище зазначалося, що зв'язана вода в глинистих ґрунтах практично не приймає участі в фільтрації, викликаної різницею напорів, звичайних для умов промислового та цивільного будівництва. У деяких випадках виникає необхідність відкачування парової води з глинистих ґрунтів. Для цього через водонасищенний грунт пропускають постійний електричний струм, який викликає рух катіонів, оточених гідратної оболонки, до негативного електроду. Цей процес називається електрон-троосмотіческой фільтрацією, причому швидкість руху води може збільшитися в 10. 100 разів у порівнянні з напірної фільтрацією в тих же грунтах. Ефективне напруга і поровое тиск. Встановлено, що повне напруження в грунті s будь-який момент часу дорівнює сумі ефективного напруги в скелеті грунту і порового тиску в воді uw Звідси ефективне напруга в скелеті грунту може бути виражено через повне напруга і поровое тиск:Схожі статті