2.3. Грунттардың суөткізгіштігі. Ламинарлық сүзілу заңы

Грунттардың суөткізгіштігі деп олардың өздерінің кеуектері (қуыстары) арқылы сүзіліп су өткізу қабілетін атайды. Бұл қасиеттің сандық көрсеткіші сүзілу (фильтрация) коэффициенті k_f . негізінде грунттың су өткізгіштігі оның кеуектілік дәрежесіне, түйіршікті құрамына, ішкі құрлымдық байланыстарына, су аңынының гидрабликалық еңістігіне тәуелді кең аралықтағы мәндерге ие болуы мүмкін. Жалпы борпылдақ тау жыныстарынан тұратын кәдімгі грунттардың барлығы суөткізгіш. Осындай грунттарды олардың суөткізгіштік дәрежесінің азаю реті бойынша шартты түрде мынадай тізбекпен көрсетуге болады: құмдар, құмдақтар, саздақтар, балшықтар. Сүзілу коэффициенті (k_f) суға шылқыған грунттарға орнатылған іргетастардың шөгу жылдамдығын, су жинайтын скважиналар мен құлықтарға жан жақтан ағып құйылган және грунттан үйілген бөгеттер арқылы сүзіліп өтетін судың шығынын есептеу үшін пайдаланылады. Грунт арқылы сүзілетін судың ағыстары бір бірімен қилыспайтын болғандықтан мұндай ағынның жылжуын судың ламинарлық қозғалысы деп атайды. Зерттеулердің нәтижелері көрсеткендей, грунттардың кеуектері арқылы ағатын судың қозғалысы ламинарлық сүзілу заңымен сипатталады. Осындай заңдылықты зерттеу үшін 2.3-суретте көрсетілген I-I және II-II екі тік қиманың 1-аралығындағы су ағынының қозғалысын қарастырамыз. Бұл жағдайда судың ламинарлық қозғалысының жылдамдық ағынын беткі жазықтығының еңістігіне, яғни гидровликалық градиентке байланысты болады:

; (2.13)

2.3-сурет. Грунттардағы судың сүзілуі

Егер су ағынының көлденең қимасының орташа мәнін F деп белгілесек, бірлік уақытқа сәйкес осы қима арқылы 1 ара қашықты ағып өтетін судың шығыны мына формуламен анықталады:

Q=K_f ·F· I (2.14)

Енді су ағынының сүзілу жылдамдығын V_f = деп белгілесек (2.14) теңдеуінен эксперименттік жолмен анықталған Дарси заңының, яғни ламинарлық сүзілу заңының тәуелдігін шығаруға болады. (2.4-сурет):

V_f =K_f · I (2.15)

Негізінде осындай заңдылық құмды (сусыма) грунттарға тән. Алайда балшықты (сазды) грунттардағы судың қоғалысы эксперимент жүргізу арқылы анықталған. Дарси заңдылығының мынадай теңдеуімен сипатталады:

V_f = K_f ·( I - I₀ ) (2.16)

Мұнда I₀-зерттеуден өткен балшықтың бастапқы гидравликалық градиенті 2.4-суретте көрсетілгендей 0-1 аралықта, яғни балшықтың сыртқы қысымының әсерінен нығыздалуы кезінде кеуек суында туындайтын арын I₀ шамасына дейін өссе де су ағыстарының грунт арқылы сүзіліп жылжуы байқалмайды. Эксперименттердің нәтижелері грунттан судың сүзіліп қозғалуы тек қана кеуек суындағы арынның шамасы

I₀ - ден асқанда ғана басталатынын көрсетеді. Өйткені сусыма, құмды грунттармен салыстырғанда, балшықты грунттар арқылы су ағыстарының жылжуына олардың кеуек тесіктерінің өте тарлығы, қатты түйіршіктерінің сулы - коллоидты қабыршаларының тұтқыр кедергісі ерекше қарсы әсер тудырады. Сондықтан балшықты грунттарда судың сүзіліп қозғалуын мүмкін ету үшін, яғни айталмыш кедергілерді жеңу үшін кеуек суында шамасы I₀ - ге тең қосымша арын тудыру қажет. Сөйтіп тек қана осы шарт орындалғанда ғана балшықты грунттан сүзіліп жылжуы басталады.

2.4- сурер. Судың сүзілу жылдамдығының гидравликалық градиентке тәуелділігі.

Грунт механикасында екі фазалы, яғни қатты түйіршіктер мен судан тұратын суға қаныққан грунттарға сырттан түсетін қысымды P мынадай заңдылықпен тарайды деп қарастырады:

P = + (2.17 )

мұнда - грунттың қаңқасына қатты түйіршіктеріне берілетін «тиімді» қысым; - грунт кеуектеріндегі суға түсетін «бейтарап» қысым. «Тиімді» қысым әдетте грунттың нығыздалуын тудырады. «Бейтарап» қысым кеуек суында арын тудырып, судың грунттан сүзіліп қозғалуын мүмкін етеді. Осындай құбылысты М.Н.Герсеванов 2.5-суретте көрсетілген суға қаныққан грунт моделін қарастыру арқылы былай түсіндіреді. Суға қаныққан грунтқа түсірілген сыртқы қысымды алғшқы сәтте толығмен кеуек суы қабылдайды:

= P ; P

2.5- сурет. Суға қаныққан грунттың сығылуының моделі.

1- «тиімді» қысымның (P_z) түсуін бейнелейтін болат серіппе; 2- «бейтарап» қысымды (P_w) қабылдайтын кеуек суын бейнелеуге арналған су; 3- сыртқы қысымды (P) бейнелейтін жүк; 4- су ағыстары өтетін грунттың кеуек тесіктерін бейнелейтін тесілген поршень; 5- ыдыс;

Сөйтіп 2.5- суреттегі модель бойынша түсірілген жүкті (3) су (2) көтереді, яғни болат серіппе (1) сығылмайды, тесілген поршень (4) төмен жылжымайды және оның тесіктері арқылы ыдыстан (5) сыртқа су сүзіліп немесе шапшып шықпайды. Басқаша айтқанда, осы жағдайда суға қаныққан грунт сығылмайды, нығыздалмайды.

Осы сәттен кейін, уақыт өткен сайын суға қаныққан грунтқа түсірілетін қысым былай таралады:

P = P_z + P_w.

Модель арқылы түсіндірсек, жүктің (3) салмағын серіппе (1) мен су (2) бірігіп көтереді. Болат серіппе сығылады, тесілген поршень (4) төмен жылжып, су оның тесіктері арқылы жоғары шапшып, сүзіліп, ыдыстан (5) шыға бастайды. Осыған сәйкес табиғи грунтты қарастырсақ, оның қаңқасына (қатты түйіршіктеріне) түсетін «тиімді» қысым P_z уақыт өткен сайын біртіндеп көбейіп нығыздалу деформациясын тудырады және бұл процесс кеуек суының сүзіліп сыртқа шығуына тікелей тәуелді болады.Сонымен сыртқы қысымның (P) әсер ету уақыты ұзаққа созылған сайын «бейтарап» қысымның (P_w) үлесті мөлшері біртіндеп азайып, керісінше «тиімді» қысымның (P_z) үлесті мөлшері көбейіп, жалпы грунттың нығыздалу процесі қарқындай түседі. Сөйтіп, іргетастың суға қаныққан (шалқыған) грунттардан тұратын негіздерінің шөгу жылдамдығы сол грунттардан кеуек суының сүзіліп шығуына, яғни олардың су өткізгіштік дәрежесіне байланысты болады. Сондықтан суға қаныққан грунттарға салынатын ғимараттардың іргетастарының шөгуінің әркелкілік дәрежесін бағалау үшін осындай грунт қабаттарының су өткізгіштігін, яғни олардың сүзілу (фильтрация) коэффициенттерін анықтаудың маңызы зор.