Фильтрационные свойства грунтов

Одними из важнейших факторов, определяющих условия фильт­рации в грунте, являются крупность и форма частиц скелета грун­та и, как следствие, пористость. Объемный коэффициент пористости (объемная пористость) есть отношение объема пор W* в образце к общему объему W образца (т = W*/W). Поверхностный коэффициент пористости т оп­ределяется выражением т= ω*/ω, где ω*, ω – площади порового пространства и полного сечения образца соответственно. Однако величины этих характеристик близки между собой и практически могут приниматься одинаковыми.

Известно, что, если грунт состоял бы из шаров одинакового размера, его коэффициент пористости изменялся бы в пределах m = 0,26­  0,48 в зависимости от укладки шаров. Помимо этого, грунты по своему составу разнородны, и соотношения фракций, определяемые с помощью графика гранулометрического состава (см. рис. П. 15 в § П.3.6) существенно влияют на пористость, а также, как следствие, на фильтрационные свойства грунта. В об­щем случае значения коэффициента пористости т зависят от гра­нулометрического состава грунта, характера и степени его уплот­нения, а также от формы частиц.

Наиболее вероятные значения коэффициента пористости:

Мелкозернистые пески (с диаметром частиц <0,25 мм) . . 0,42

Крупнозернистые пески 0,36

Супеси и суглинки 0,35—0,45

Глинистые грунты 0,40—0,55

Известняки 0,015—0,15

Доломиты 0,03—0,20

Мел 0,40—0,50

Лёссы 0,40—0,70

Магматические породы 0,05—0,10

В зависимости от гранулометрического состава, размещения ча­стиц и слоев грунта, их плотности грунты подразделяются на од­нородные, во всех точках которых фильтрационные свойства оди­наковы, и неоднородные, в которых фильтрационные свойства в различных точках неодинаковы. В случае независимости фильтра­ционных свойств от направления движения грунт считается изо­тропным, в противном случае – анизотропным. Однород­ные грунты могут быть изотропными и анизотропными. В расчет­ном отношении вводится понятие «водоупор», под которым пони­мается грунт с пренебрежимо малой водопроницаемостью по срав­нению с соседним слоем.

Виды и состояние воды в грунте

В теории фильтрации рассматривается движение потоков гра­витационных подземных вод, заполняющих практически все поры. Движение потоков происходит в пористой среде под действием сил тяжести и давлений, передаваемых водой. Влияние других сил (например, капиллярных) на гравитационную воду ничтожно ма­ло и на характере ее движения практически не сказывается. Дру­гие виды воды, в которых она может находиться в грунтах: паро­образное состояние, гигроскопическая, пленочная, капиллярная, химически связанная вода и вода в твердом состоянии. Движение и распространение этих видов воды рассматривается в специаль­ных курсах и не является объектом изучения в теории фильтрации.

Расчетная модель и основной закон фильтрации Модель фильтрации

Вследствие исключительно сложного характера движения воды в порах грунта невозможно точно изучить процесс движения хотя бы одной какой-либо жидкой частицы, определить ее действитель­ную траекторию и скорости. Поэтому движение подземных вод и его характеристики рассматриваются обобщенно, не для отдель­ных точек порового пространства или каналов в грунте, а для все­го изучаемого объема в целом. Для этого вводится понятие «рас­четная модель фильтрации», представляющая собой упрощенную фиктивную модель, при которой фильтрационный поток является сплошным и заполняет без разрывов и пустот все пространство, занятое как порами, так и скелетом грунта. Условный сплошной фильтрационный поток заменяет сложное движение в порах грун­та действительного фильтрационного потока и позволяет исполь­зовать применяющийся в гидромеханике математический аппарат, так как параметры, описывающие состояние сплошного фильтра­ционного потока, являются непрерывными функциями координат. Чтобы результаты аналитического решения для расчетной мо­дели соответствовали данным для действительного фильтрацион­ного потока, модель необходимо подчинить следующим условиям.

1. Расходы через одну и ту же площадку в расчетном и дей­ствительном потоках должны быть равны.

2. Скорости фильтрации и в точках расчетного и скорости фильтрации в точках действительного потоков связываются ра­венством: , где т — коэффициент пористости. Это соотношение следует из ус­ловия равенства расходов через произвольное сечение с площадью ω. Тогда для расчетного расхода q = uω, для реального потока , где площадь сечения пор ω' = mω.

3. Давление жидкости на одну и ту же площадку в расчетном и действительном фильтрационных потоках должно быть одина­ково.

4. Силы сопротивления, приходящиеся на один и тот же объ­ем области фильтрации в расчетном и действительном потоках, должны быть одинаковы. Условие базируется на понятии сил сопротивления как массовых (объемных) сил. Это понятие H.E. Жуковский ввел из условия, что силы сопротивления, как и скелет грунта, равномерно распределены и пропорциональны объемам (областям) фильтрации.