книги из ГПНТБ / Поляков А.В. Водоотвод и дренаж на аэродромах

320

Расчет дренажных систем при любом виде глубинного дренажа

должен выполняться, исходя из условий наиболее влажного перио­

да года. В этом случае наблюдается нанбольвее пополнение грун­

товых вод и наиболее высокий уровень их залегания.

Расчет глубинного дренажа, как это можно было видеть из

вышеизложенного, немыслим без знания водных свойств грунтов

колодцев и скважин приведем в следующем параграфе настоящей

главы основные сведения о водных свойствах грунтов (главным образом о водопроницаемости) и законах движения грунтовых вод.

В конце главы остановимся на рассмотрении весьма важных вопросов подбора и расчета фильтрующих засыпок дрен.

§ 32. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О НЕКОТОРЫХ ВОДНЫХ СВОЙСТВАХ

ГРУНТОВ И ЗАКОНАХ ДВИЖЕНИЯ ГРУНТОВЫХ ВОД

При проектировании и расчете дренажа наиболее часто прихо­ дится иметь в виду и учитывать следующие водные свойства грун­

тов: влагоемкость, капиллярность (водоподъемную способность), и водопроницаемость.

Под влагоемкостью грунта понимается его способность вмещать

и удерживать в себе воду. Различают полную влагоемкость, пол­ ную капиллярную влагоемкость и максимальную молекулярную вла­ гоемкость .

Влагоемкость, при которой все поры грунта заполнены водой, называется полной влагоемкостью. Полную влагоемкость, так же. как и другие виды влагоемкости, выражают в процентах, представ­

ляющих из себя отношение веса воды к весу сухого грунта. Ори­ ентировочно некоторые грунты имеют следующие значения полной

влагоемкости: песок слабоглинистый 18%, супесь 21%, чернозем глинистый зернистой структуры 43% и глина 70%.

Полной капиллярной влагоемкостью называют влагоемкость, при которой вода заполняет в грунте только капиллярные поры. Полная капиллярная влагоемкость достигает следующих значений: для крупнозернистых песков 12 - 16%, для пылеватых грунтов

25 - 30% и для глинистых грунтов 35 - 40% и выше.

321

Максимальной молекулярной влагоенкост&п грунта называется

способность грунта удерживать в себе влагу в виде пленочной

или гигроскопической воды силани молекулярного сцепления между

частицами грунта и воды. Максимальная молекулярная влагоемкость

понимают способность грунта, насыщенного до полной влагоемкости, отдавать часть воды путем свободного ее отекания под дей­

ствием силы тяжести. Большой водоотдачей обладают крупнопесча­ ные, гравийные и галечниковые грунты. Глинистые грунты имеют

ничтожную водоотдачу. Определение водоотдачи имеет большое зна­ чение для расчета дренажа.

Численно водоотдача равна разности между полной и максималь­

ной молекулярной влагоемкостъю.При расчете дренажа величину

водоотдачи обычно подсчитывают по формуле "активной пористости"

г/см 8 или т/н8 .

Подсчет водоотдачи указанным путем справедлив для песчаных,

гравийных, галечниковых грунтов и менее пригоден для связных (глинистых) грунтов, где количество связанной воды превышает

. Для подсчета водоотдачи по приведенной формуле, кроме

данных о максимальной молекулярной влагоемкоети, необходимо иметь сведения о пористости и весе грунтов.

Пористостью грунта, как известно, называют объем пор, вы­

раженный в процентах от общего объема грунта. Пористость грун­

322

тов зависит от их дисперсности. Чем мельче частицы грунта,тем

больше бывает его пористость. Пористость песчаных грунтов мо­

жет составлять 28 - 35%, а пористость глинистых грунтов дости­

гает 60 - 75%. Значительной пористостью обладают также лессо­

вые грунты.

Среднее значение пористости различных грунтов в процентах

ких пределах в зависимости от влажности, пористости и минерало­

гического состава грунтов. Для примера можно привести следую­

щие цифры. Объемный вес песка ориентировочно равен 1 ,4 -1 ,6 т/и3 супеси 1 ,1 -1 ,6 т/м3; суглинка легкого 1,3 -1 ,6 т/м3; суглинка тяжелого 1,6-1,75 т/м8; глины 1,8-2 т/м3 . Объемный вес торфа

полностью зависит от его увлажнения. Сухой торф может иметь

объемный вес менее I т/м3 .

Значения удельных весов для различных грунтов изменяются

в небольшом диапазоне. В среднем удельный вес грунтов принима­ ются: песчаных - 2,65 г/см 3; суглинистых - 2,70 г/см 3 и глини­ стых - 2,75 г/см 3 .

Для выражения количественной характеристики пустот в грун­

те , кроме понятия пористости, часто пользуются также понятием

323

коэффициента пористости. Под коэффициентом пористости ( £ )

понимают отношение объема пор к объему только твердой фазы

грунта (а не ко всему объему грунта, в отличие от пористости).

Коэффициент пористости выражается в долях единицы. Между вели­

чиной пористости ( п %) и коэффициентом пористости (в долях единицы) легко может быть установлена связь:

ние испытывает жидкость при своем движении в грунте. Поэтому

в глинах скорость движения воды меньше, чем в песках, несмотря на большую пористость глинистых грунтов.

Сведения d пористости, объемном и удельном весах грунтов

устанавливаются в лаборатории.

Всилу наличия в грунтах сложной системы капиллярных*пор

сразличными диаметрами, грунты обладают капиллярными (водоподъемными) свойствами. Водоподъемной способностью называют

способность грунтов перемещать капиллярную воду вверх от уров­ ня свободной поверхности (уровня грунтовых вод ). Водоподъемная

способность грунтов подчиняется следующим законам:

-передвижение воды по капиллярам не зависит от силы тяже­ сти воды;

-вода по капиллярам движется в направлении, противополож­ ном уровню воды;

-высота капиллярного поднятия воды обратно пропорциональ­ на диаметру капилляра; чем меньше диаметр капилляра, тем больше высота капиллярного поднятия;

-перемещение воды по капиллярам происходит тем медленнее, чем меньше диаметр капилляра;

- капиллярное поднятие воды зависит от ее вязкости, поэтому

с повышением температуры высота капиллярного поднятия воды

уменьшается, а скорость движения воды увеличивается.

Высота капиллярного поднятия зависит от гранулометрического

и минералогического состава, структуры, сложения и первоначаль­ ного увлажнения грунта. В предварительно увлажненном грунте вы­

324

сота капиллярного поднятия увеличивается. Высоту капиллярного поднятия определяют опытный путей в лаборатории на грунтовых

супеси 100 - 200 см, суглинки, лессовые и пылеватые грунты

200 - 400 см, глинистые грунты 100 см и более. В глинистых грунтах сравнительно малая высота капиллярного поднятия обу­

словливается сильным набуханием частиц.

Исключительно важной характеристикой грунтов применительно к проектированию и расчету дренажа является водопроницаемость

грунтов.

Водопроницаемостью называют способность грунтов пропускать через свои поры воду. Степень водопроницаемости зависит от гранулометрического состава грунтов, их уплотнения и темпера­ туры. Наибольшей водопроницаемостью обладают гравийные и пес­

чаные грунты. Значительной водопроницаемостью обладают также и трещиноватые скальные породы.

Наииеньяую водопроницаемость имеют связные грунты - глини­ стые, суглинистые и пылеватые. Водопроницаемость тесно связа­ на с образованием, пополнением и перемещением грунтовых вод.

Движение воды в грунте (грунтовых вод) при сплошь заполнен­

ных порах водой называют фильтрацией. В отличие от фильтрации,

движение воды при частичном заполнении пор водой ( в части пор

325

содержится воздух) именуют инфильтрацией. Примером фильтрации является движение грунтовой воды в водоносных пластах, а при­

мером инфильтрации - движение воды от атмосферных осадков вниз, через аэрируемую зону грунтов. В последующем изложении будет рассматриваться только фильтрационное движение воды в грунтах.

Так же как и движение наземных вод, движение грунтовых вод может быть ламинарнш и турбулентным, равномерны! и неравномер­

ным, установившимся и неустановивоимся.

При ламинарном движении (ламинарной фильтрации) струи воды

движутся параллельно и с небольшой скоростью, а при турбулент­ ном движении (турбулентной фильтрации) струи движутся с больши­

ми скоростями и с вихревыми перемещениями. На основании много­

численных исследований установлено, что движение грунтовых вод

впесчаных и тонкотрещиноватых породах является ламинарным. Турбулентная фильтрация грунтовых вод может встретиться только

вкарстах и крупных трещинах. В.связи с этим вся современная теория движения грунтовых вод разработана почти исключительно

на законах ламинарной фильтрации.

Движение грунтовых вод может происходить с постоянной по длине потока скоростью и переменной. Если движение происходит

с постоянной скоростью, оно называется равномерным, и если с переменной скоростью - неравномерным.

Под наименованием установившегося движения грунтовых вод

понимают движение такого грунтового потока, параметры которо­

го - скорость, давление, расход в любом сечении потока - не изменяются во времени. Для неустановивиегося движения харак­ терно изменение во времени этих параметров грунтового потока.

Аналогично движению наземных вод, движение грунтовых вод может,быть также безнапорным и напорным. При безнапорном дви­ жении фильтрационный поток ограничивается сверху свободной по­

верхностью, о всех точках которой.давление является постоян­

ным (обычно оно равно атмосферному). Свободная поверхность грунтового потока называется депрессионной поверхностью, а ли­ ния пересечения этой поверхности с вертикальной плоскостью -

депрессионной кривой или кривой депрессии. В частных случаях "кривая" депрессии может быть прямой линией. Безнапорное дви­

жение имеет место в подавляющем большинстве случаев расчета

дренажа. При напорном движении грунтовых вод фильтрационный поток ограничивается сверху поверхностью, во всех точках ко­ торой давления различны. Напорное движение возникает, например,

гидравлическим уклоном или гидравлическим градиентом и обозна­

кон Дарси) имеет вполне определенные пределы применимости. В

породах из крупных фракций, в крупных трещинах, карстах и в крупнозернистых засыпках ламинарное движение переходит в тур­ булентное. Скорость, при которой ламинарное движение перехо­

дит в турбулентное, называетсякритической. Если скорость фильтрации V превосходит критическую, то прямая пропорцио­ нальность между скоростью фильтрации и гидравлическим уклоном

Как правило, для турбулентного движения значение показателя степени т при / принимается равным 0,5 (аналогично форму­

ле Шези).

Пределы применимости закона Дарси для некоторых пород

приведены на графике рис.128. На графике кривая AAj ограничи­

вает область применения основного закона, так как выше этой

где V - скорость фильтрации, в см/сек; d - диаметр зерен грунта в см;

/- гидравлический уклон.

виях с помощью заливки шурфов или пробных откачек воды из

скважин. Первый способ наименее точный и применяется лишь для

ориентировочных расчетов. Второй способ более точный и часто

применяется. Третий способ (полевой) наиболее точен, но вви­ ду трудоемкости применяется главным образом в крупном гидротех­ ническом строительстве, водоснабжении и т .д . В аэродромном строительстве этот способ обычно не применяется.