5.4Водопроницаемость грунтов

Д вижение воды в грунте происходит в соответствии с законом ламинарной фильтрации Дарси (рис. 16).

Закон Дарси: скорость фильтрации V_ф прямо пропорциональна гидравлическому градиенту i

V_ф = k_ф· i ,

где k_ф – коэффициент фильтрации.

Физический смысл коэффициента фильтрации k_ф – это скорость фильтрации при гидравлическом градиенте равном 1.

Коэффициент фильтрации k_ф зависит от вида грунта. Он определяется в лабораторных условиях с помощью специальных приборов (компрессионно-фильтрационные приборы Ф-1, трубки Спецгео и др.), в полевых условиях – путем откачек воды из скважин или путем нагнетания воды в скважины. Для приближенной оценки используются специальные таблицы, эмпирические формулы, связывающие k_ф с гранулометрическим составом, пористостью, однородностью и т.д.

У большинства глинистых грунтов k_ф лежит в пределах 0,1…0,001 м/сутки, но у некоторых видов глин он может быть и меньше 0,001 м/сутки. У крупных и средних песков (не заиленных) он обычно составляет 10…100м/сутки. У хорошо проницаемых галечников он может превышать 1000м/сутки.

В глинистых грунтах из-за наличия связной воды и замкнутых пор фильтрация воды становится возможной лишь при гидравлических градиентах превышающих некоторую величину, называемую «начальным градиентом» i_н (рис. 17). Практически это означает, что при малых градиентах (i< i_н) глинистый грунт ведет себя как полностью водонепроницаемый материал.

Начальный градиент i_н зависит примерно от тех же факторов, что и коэффициент фильтрации, т.е. гранулометрического состава, пористости, размеров, физико-химической активности глинистых частиц и т.д.

Все природные грунты водопроницаемы. Понятие «водоупор» – условность, под ним подразумевают пласт грунта достаточной мощности, с низким коэффициентом фильтрации. Четких критериев для идентификации водоупора действующие нормы не устанавливают. Решения, принимаемые по этому вопросу, могут зависеть от условий конкретной задачи. Чаще всего за водоупор принимают пласт грунта с коэффициентом фильтрации 0,01…0,001 м/сутки, толщиной более 5м.

5.5Гидродинамическое давление в грунте

Г идродинамическим (фильтрационным) давлением называется давление, которое создает движущаяся в грунте (фильтрующаяся) вода на твердые частицы этого грунта. На рис. 18 представлена схема, поясняющая механизм действия этого давления. В воображаемой трубе находится грунт, через который движется (фильтруется) вода. Вода оказывает давление на твердые частицы (гидродинамическое давление), которое можно представить в виде равномерно распределенной продольной нагрузки w (на схеме она представлена последовательностью тонких стрелок). Твердые частицы оказывают сопротивление движению этой воды, которое тоже можно представить в виде такой же, но противоположно направленной нагрузки w_s (на схеме она показана большими серыми стрелками). В результате этого сопротивления напор Н по мере движения падает: в сечении 1 он равен Н_1, в сечении 2 – (плюс) Н₂. Давление воды на твердые частицы грунта w будет равно сопротивлению твердых частиц w_s (как действие и противодействие).

Поперечное сечение трубы считаем одинаковым по всей ее длине, площадь его принимаем равным А.

В сечении 1 гидростатическое давление равно γ_wH₁, (γ_w – удельный вес воды). Действуя на площадь А, оно создает горизонтальную силу γ_wH_1·A. Аналогичным образом в сечении 2 горизонтальная сила составит γ_wH_2·A. Разность этих сил должна быть равна суммарному сопротивлению твердых частиц на участке между сечениями 1 и 2 (на длине L), т.е. величине w_sLA:

γ_wH_1·A – γ_wH_2·A = w_sLA.

Разделив обе части уравнения на LA, получаем

.

Так как величина есть гидравлический градиент, а давление воды w равно сопротивлению твердых частиц w_s, то следует, что

. (11)

Полученная величина w и есть искомое гидродинамическое (фильтрационное) давление.

Учет гидродинамического давления имеет большое значение для проектирования объектов природообустройства, так как гидродинамическое давление является причиной суффозионных процессов, в том числе процессов вымывания твердых частиц из-под подошв плотин, оно создает дополнительные сдвигающие силы на склонах, повышая оползневую опасность. Гидродинамическое давление, направленное сверху вниз уплотняет грунт, снизу вверх – разуплотняет его. Если разуплотняющее вертикальное давление достигает давления от собственного веса грунта, песчаный грунт начинает вести себя как жидкость, в которой тонут все тяжелые предметы. Такое явление иногда встречается на океанских берегах во время приливов («зыбучие пески»).