12.Фильтрационные свойства грунтов, закон ламинарной фильтрации. Начальный градиент напора. Методы определения коэффициента фильтрации.
Вода в грунте оказывает существенное влияние на механические свойства грунта и на процесс его деформирования под нагрузкой;
Вода в грунте может находиться в связанном и свободном состоянии;
Свободная вода может совершать движение через поры грунта;
Деформирование грунтов происходит вследствие уменьшения объема пор, т.е. вследствие его уплотнения.
Общие случаи движения воды через грунт
В общем случае вода может совершать движение через грунт под действием :
Разности давлений водяного пара.
Сил поверхностного натяжения (капиллярное движение воды).
Разности осмотического давления связанной воды.
Разности гидростатических напоров.
Движение воды под действием гидростатических напоров представляет наибольший практический интерес. Именно это движение воды называется фильтрацией.
Фильтрация - движение свободной воды в порах грунта при действии разности гидростатических напоров.
Понятие о гидравлической непрерывности воды в грунте
Гидравлическая непрерывность воды подразумевает достаточно высокую степень водонасыщенности грунта. Действительно, если вода заполняет лишь часть объема пор, то гидравлическая связь между смежными порами будет разорванной.
Согласно новейшим исследованиям, свободная вода будет гидравлически непрерывной при степени водонасыщения грунта Sr>0,85.
Причины возникновения гидростатических напоров
В природных условиях вода в грунте постоянно совершает движение под разностью гидростатических напоров.
Поддержание напора происходит вследствие:
Атмосферных осадков инфильтрующихся в грунт,
движение воды в водоносных горизонтах, выхода на поверхность в виде ключей.
и далее по схеме общего водоворота воды в природе
Фильтрация воды через грунт
Схема фильтрации воды через грунт при
действии разности напоров,
∆H=H2–H1 – разность напоров, Q – расход воды
Другие причины возникновения фильтрации:
Техногенная деятельность человека, способствующая подтоплению или осушению территорий
Фильтрация воды при действии внешних нагрузок
где u - избыточное поровое давление в грунте;
γw - удельный вес воды
Закон ламинарной фильтрации
К
оличественную
оценку процесса фильтрации производят
с использование скорости фильтрации
(U),
представляющей собой расход воды (Q)
через единицу площади (F):
(6.2)
Величина U –имеет размерность скорости
Г
радиент
напора
(i) представляет собой отношение разности
напоров к расстоянию между точками (L),
в которых они были замерены:
Закон Дарси
где
kf
- коэффициент
фильтрации (см/год, см/сут) .
Уравнение носит название закона Дарси:
Скорость фильтрации прямопропорциональна градиенту напора
Коэффициент фильтрации
Коэффициент фильтрации (kf) характеризует фильтрационные свойства грунта. Его величина зависит от типа грунта и в первую очередь от грансостава.
kf > 200 м/сут – для галечниковых грунтов
kf = 2÷100 м/сут – для песков
kf < 0,005 м/сут – для глинистых грунтов
Начальный градиент напора
В
еличина
io
называется начальным градиентом напора.
Закон Дарси с учетом начального градиента напора может быть представлен в виде:
U=0, при i ≤ i0
U=kf · (i-i0), при i > i0
Методы
определения коэффициента
фильтрации.
Лабораторный
метод
В
ходе испытаний замеряется разность
напоров (ΔH)
в пьезометрических трубках и количество
профильтровавшейся воды (Q).
Коэффициент фильтрации определяется
из выражения:
где F – площадь поперечного сечения образца грунта, l- расстояние между пьезометрическими трубками.
Полевые методы определения коэффициента фильтрации Полевые методы определения коэффициента фильтрации грунтов основаны на наблюдении за уровнем грунтовых вод при опытной откачке воды из скважины или при водонасыщении грунта путем наполнения опытной скважины водой.
В
процессе опытной откачки воды из грунта
измеряется приток воды в скважину (Q)
и уровень воды в каждой скважине и
разность напоров (ΔH).
Коэффициент фильтрации определяется
по зависимости:
где L- расстояние между опытными скважинами,
F-поперечное сечение скважины.