книги из ГПНТБ / Абелев М.Ю. Слабые водонасыщенные глинистые грунты как основания сооружений 8-й междунар. конгресс по механике грунтов и фундаментостроению

онных испытаний целесообразно проводить опыты с по­ стоянным напором. Для увеличения постоянного напора можно создавать вакуум, который, кроме того, устраня-

Рис. 1.17. Фильтрационный прибор конструкции П. А. Аргунова

ет защемление воздуха в образце грунта и приборе (рис. 1.17).

Для предотвращения осмотических явлений в образ­ цах засоленных грунтов в качестве фильтрующей жид­ кости целесообразно применять водную вытяжку засо-

60

эффициент фильтрации грунта равен коэффициенту про­ ницаемости, деленному на коэффициент вязкости жид^ кости).

В исследованиях, проводимых на стадии рабочих чертежей, необходимо определять фильтрационные ха­ рактеристики грунтов данного слоя в процессе их уп­ лотнения до ожидаемых значений пористости (опреде­ ляется по эпюрам распределения напряжения в основа­ нии фундаментов, полученным на стадии проектного задания).

Опыты следует проводить по методике с постоянным напором. Величину и градиент напора (градиентом на­ пора называется отношение величины действующего на­ пора к высоте образца) устанавливают в зависимости от моделируемой работы грунтов в основании данного со­ оружения. Особое внимание следует обратить на выбор градиента напора при исследовании пылеватых (макро­ пористых), лёссовых и других грунтов, в которых при определенных значениях напора происходят суффозионные процессы, резко искажающие действительную водо­ проницаемость образца. При испытании малопрони­ цаемых глинистых грунтов (коэффициент фильтрации меньше Ю - 7 см/сек) для увеличения напора целесооб­ разно применять вакуум.

Опыт проводится следующим образом. После уста­ новки образца в прибор и проверки герметичности всех соединений удаляют воздух из прибора и образца ис­ следуемого грунта. Затем перемещением напорного ре­ зервуара устанавливают нужный напор (при этом на­

следует зажать арретиром. Когда подготовка окончена, через образец без приложения внешней нагрузки про­ пускают воду, расход которой измеряют мензуркой. Первоначально воду пропускают несколько раз до по­ лучения постоянного начального коэффициента филь­ трации (в связи с длительностью проведения опыта для предотвращения испарения воды из приемной мензур­ ки в нее помещают 0,2—0,5 см3 жидкого масла).

61

После определения начального коэффициента филь­ трации при данном напоре его увеличивают в два раза и снова определяют коэффициент фильтрации. Затем на­ пор повышают в четыре раза (по сравнению с началь­ ным) и вновь определяют коэффициент фильтрации.

Если при каком-то напоре в инфильтрате, собирае­ мом в мензурку, обнаружится осадок, опыт следует прекратить, а напор уменьшить.

Чтобы выяснить возможность осмотической филь­ трации, искажающей явление начального градиента на­ пора, необходимо определить концентрацию солей в во­ де до и после фильтрации через образец. Для учета влияния температуры на фильтрационные характеристи­ ки не менее трех раз в сутки производят контрольный замер температуры фильтрующейся воды.

Результаты трех опытов с разными напорами нано­ сят на график зависимости скорости фильтрации от гра­ диента напора (рис. 1.18). Если прямая линия, соединя­ ющая экспериментальные точки, не проходит через начало координат, то на оси «градиент напора» она от­

при градиентах напора, меньших начального, фильтра­ ция или отсутствует, или происходит со скоростью, во много раз меньшей скорости фильтрации при градиен­ тах напора, больших начального.

После проведения опытов с образцом грунта природ­

грунта обжимают определенными ступенями вертикаль­ ного давления (компрессия). Величины максимального вертикального давления и ступеней давления определя­ ются фактической работой грунта в основании соору­ жения.

После стабилизации деформации образца глинисто­ го грунта под каждой ступенью вертикального давления определяют коэффициент фильтрации грунта данной по­ ристости (при трех разных градиентах напора) и на­ чальный градиент напора по схеме, указанной выше. На основании этих опытов можно установить изменение коэффициента фильтрации и начального градиента на­ пора от изменения пористости или давления.

64

Д ля решения ряда инженерных задач, связанных с уплотнением сильносжимаемых глинистых грунтов при дренировании (песчаные сваи, вертикальные песчаные дрены, дренаж и т.п.), необходимо знать возможный вынос частиц при данном напоре (или градиенте напо­ ра) . Для этой цели опыты следует проводить при за­ данном напоре, а собранный инфильтрат выпаривать, чтобы определить количество выносимых частиц (в про­ центах) при данном градиенте напора для грунтов дан­ ной пористости.

Если невозможно обеспечить постоянную температу­ ру в процессе опыта, то следует периодически замерять температуру и приводить фильтрационные характери­ стики, например к +15° С — наиболее характерной тем­ пературе большинства толщ слабых водонасыщенных глинистых грунтов или к заданной температуре.

Исследования проницаемости слабых водонасыщен­ ных глинистых грунтов. Фильтрационные явления в сла­ бых водонасыщенных глинистых грунтах изучены мало. Наиболее интересные экспериментальные исследования проницаемости некоторых видов слабых глинистых грун­ тов были проведены в последние 15 лет Г. В. Сорокиной [48], изучавшей илы Черного моря, В. М. Павилонским [37] на глинистых грунтах в гидротехнических сооружениях, Е. Ф. Мосьяковым [49] на аллювиальных глинистых грунтах и др.

Среди многих специалистов распространена точка зрения, что коэффициенты фильтрации глинистых грун­ тов могут быть получены только очень приближенно, и поэтому во многих случаях геологи используют таблич­ ные значения коэффициентов фильтрации. Однако на­ ши исследования фильтрационных свойств сильносжи­ маемых глинистых грунтов, а также исследования упо­ мянутых выше авторов убедительно показали, что при современной методике исследований можно получить значения параметров фильтрации через грунт с высокой точностью. Так, по данным В. М. Павилонского и авто­ ра, коэффициент фильтрации сильносжимаемых грунтов можно определять на фильтрационных приборах до зна­ чений Ю - 1 1 см/сек.

Изучая проницаемость черноморских илов, Г. В. Со­ рокина установила, что между коэффициентом пористо­ сти грунта и его коэффициентом фильтрации существу­ ет логарифмическая зависимость.

эффициентов фильтрации глинистых грунтов), для составления достаточно обоснованного суждения о прони­ цаемости грунта необходимо в каждом опыте произво­ дить не менее 10 определений коэффициентов фильтра­ ции. Поэтому в наших опытах все исследования прово­

онно-фильтрационный прибор, заполненный дистиллиро­ ванной водой. Так как испытания, проведенные В. Г. Бу­ лычевым [47], показали, что на величину фильтрацион­ ных характеристик существенно влияет количество воздуха, растворенного в воде, в наших экспериментах дистиллированную воду перед заливкой в фильтрацион­ ные приборы и напорный резервуар помещали в специ­ альный сосуд, где с помощью вакуум-насоса ее дегази­ ровали в течение 3 ч.

Б. В. Дерягин, Б. Ф. Рельтов [23] и другие отмеча­ ли, что фильтрационные свойства глинистых грунтов из­ меняются в зависимости от содержания «пыли» (услов­ ное наименование, данное авторами) в фильтруемой во­ де. Д а ж е незначительное содержание глинистых частиц (менее 0,01%) приводит к образованию в порах струк­ турированных систем и значительно изменяет фильтра­ ционные характеристики. Чтобы исключить попадание пыли в напорный резервуар, его покрывали крышкой, в которой были оставлены отверстия только для термо­ метра и пропуска воздуха. Напорный резервуар был соединен с пьезометрической трубкой.

Большинство длительных опытов по исследованию фильтрации слабых водонасыщенных глинистых грунтов проводилось в специально оборудованных помещениях £ регулированием температуры (термореле). Колеба­ ния температуры во время длительных опытов (в тече­ ние 5 месяцев) не превышали + 2 ° . Для уменьшения влияния температурных колебаний при окончательной обработке экспериментального материала все результа­ ты были приведены к / = 15° С.

Для отработки методики проведения экспериментов вначале были выполнены исследования на искусственно приготовленных пастах глины неокома (Саратов) и хвалынской глины (Волгоград). Однородность паст позво­ лила провести опыты с нужной повторностью и устано-

68

вить закономерности, наблюдаемые при изменении условий экспериментов. Затем по установленной уточ­ ненной методике исследовались глинистые грунты с не­ нарушенной структурой.

Некоторые физико-механические характеристики ис­ следованных грунтов приведены в табл. 1.6.

В связи с тем, что на правильность определения ко­ эффициента фильтрации по схеме, при которой вода фильтруется через образец снизу вверх, существуют различные точки зрения, нами были поставлены опыты на образцах сильносжимаемых глинистых грунтов с не­ нарушенной и нарушенной структурой по схеме, при которой вода проходит через образец сверху вниз. Многочисленные опыты, проведенные на глинистых грунтах с коэффициентом пористости, большим едини-

69

цы, показали тождественность результатов опытов по обеим схемам.

После определения коэффициента фильтрации грун­ та без нагрузки образец нагружали и при каждой сту­ пени нагрузки устанавливали последовательно напор, равный 0,3; 0,6 и 1 м (а в некоторых опытах 1,4 м) для илов и 4, 8 и 12 см для лёссов. На каждой ступени на­ грузки в период стабилизации осадки и после опреде­ ляли коэффициент фильтрации образца грунта. Уста­ навливали зависимость между коэффициентом фильтра­ ции и коэффициентом пористости грунта в процессе уплотнения и зависимость между скоростью фильтрации и градиентом напора для каждой ступени нагрузки. Как

шенной и ненарушенной структурой между коэффици­ ентом пористости и коэффициентом фильтрации дейст­ вительно существует логарифмическая зависимость. Эта зависимость становится особенно четкой (см. рис. 1.19), если коэффициенты фильтрации определяются непосред­ ственно после стабилизации осадки образцов грунта, а фильтрационные испытания проводятся при одинако­ вых постоянных градиентах напора (10 и более).

Изучение полученных в опыте многочисленных зави­ симостей между скоростью фильтрации и градиентом напора показывает, что при уплотнении грунта до опре­

Дарси. Начиная с какого-то значения пористости, филь­

на прямой, которая проходит не через начало коорди­

лось прекращение фильтрации при значениях градиента напора, меньших начального. В ряде других опытов при достижении пористости, характерной для появления на-

70

чалыюго градиента напора, фильтрация наблюдалась при градиентах, имеющих меньшее значение, однако скорость фильтрации при этом резко уменьшалась. Сле­ дует отметить, что в областях малых градиентов напо­ ра, близких по величине к начальному градиенту, наблю­ дается большой разброс значений коэффициента филь­ трации.

В практике исследований глинистых грунтов боль­ шой интерес представляет «явление начального градиен­ та напора». Некоторые исследователи в течение очень длительного времени были против возможности сущест­

экспериментов. Впервые отклонение фильтрации в грун­ тах от закона Дарси было обнаружено в опытах, про­ веденных в 1929 г. Н. П. Пузыревским. В 1935 г. К. П. Лундин установил, что такое отклонение наблю­ дается при фильтрации через торф. В конце 1940 г. С. А. Роза и Б. Ф. Рельтов установили, что отклонение

повышенной вязкостью граничных слоев жидкости. Так, измерение Б. В. Дерягиным и его сотрудниками вязко­ сти граничных слоев жидкости методом сдувания пока­ зало, что вязкость этих слоев около твердых поверхно­ стей изменяется скачком в несколько раз (по сравне­ нию с вязкостью жидкости в большом объеме). Это явление объясняется действием молекулярных сил при­ тяжения «твердой» стенки на граничный слой. Исследо­ вания этого слоя толщиной порядка 0,1 мк при помощи электронных лучей показали, что молекулы в нем рас­

ным расположением молекул в граничном слое и объяс­ няется повышенная вязкость жидкости.

По мнению Б. Ф. Рельтова [39], физико-химическая природа начального градиента напора обусловлена дру­ гими причинами. Основываясь на работах Б. В. Дерягина и его сотрудников, исследовавших «силы прилипа­ ния», Б. Ф. Рельтов считает, что в определенных условиях взвешенные коллоидные частицы, имеющие разме-

71