7. Фильтрационные свойства грунтов

Способность грунтов пропускать сквозь себя воду называется водопроницаемостью. Водопроницаемость дисперсных (нескальных) грунтов обусловлена наличием в грунте пор, сообщающихся между собой и образующих поровые каналы. Водопроницаемость скальных грунтов обусловлена в основном наличием пересекающихся трещин, образующих систему каналов. Движение свободной воды по этим каналам называется фильтрацией.

Для проведения фильтрационных расчетов вводят понятия скорости фильтрации u, определяемой как расход Q воды через единицу площади геометрического сечения грунта, т.е.

и = , (2.11)

где А – суммарная площадь сечения, включающая площадь сечения пор А_п и твердых части А_т, А = А_п + А_т. В действительности вода движется по поровым каналам и действительная средняя скорость ее движения ū = Q/А_п.

Первые опыты были выполнены Дарси в 1854 г., исследовавшим фильтрацию воды через песок. Полученная экспериментальная зависимость для скорости u получила название формулы (закона) Дарси и в последующем была распространена на глинистые грунты.

Для схемы фильтрации на рис. 2.24 формула Дарси имеет вид

и_фk_ФI, (2.12)

т.е. скорость фильтрации u пропорциональна разности напоров ΔН и обратно пропорциональна длине пути фильтрации Δs или u пропорциональна градиенту напора I. В теории фильтрации принимается, что напор определяется зависимостью (поскольку u²/2g 0):

H = z + р/γ_в ,

где р – давление в воде, имеющей удельный вес γ_в; z – высота точки потока над плоскостью сравнения 0 – 0 (рис. 2.24).

В дифференциальной форме закон Дарси имеет вид

u=-к_ф, (2.13) причем знак минус указывает на направление движения воды в сторону уменьшающихся напоров. Коэффициент пропорциональности k_ф в зависимостях (2.12, 2.13) называют коэффициентом фильтрации. Он численно равен скорости фильтрации (см/с, м/сут) при градиенте напора I = 1.

Рис. 2.24. Схема испытания грунта на фильтрацию

Лабораторное определение k_ф выполняется по нескольким схемам и на приборах различной конструкции. В лабораториях гидравлики, механики грунтов широко используются приборы и методики испытаний, в которых при определении k_ф не учитывается и не предусматривается создание внешнего давления на грунт. К ним относятся способы определения k_ф несвязных грунтов в приборах Дарси (рис. 2.24), Тима, трубке Каменского и др. [4,9].

Коэффициент фильтрации дисперсных грунтов меняется в широком диапазоне и определяется грансоставом грунта. Если для песков k_ф = = 10^-1…10^-3 см/с, то для глин он снижается до 10^-9 см/с. С увеличением плотности грунта коэффициент фильтрации уменьшается, причем в глинистых грунтах значительно. В песчаных грунтах на его величину влияет форма частиц: окатанные пески более водопроницаемые, чем пески с угловатыми частицами. На проницаемость грунта существенно могут влиять процессы растворения или выделения газа при увеличении или уменьшении давления в поровой воде.

В скальных грунтах на величину k_ф существенно влияет трещиноватость грунта (см. раздел 2.5) и степень заполнения трещин дисперсным грунтом – продуктом выветривания скального грунта.

По степени водопроницаемости ГОСТ 25100-95 подразделяет дисперсные и скальные грунты на неводопроницаемые – k_ф < 5·10^-6 см/с, слабоводопроницаемые – 5^.10^-6…3^.10^-4, водопроницаемые – 3^.10^-4…3^.10^-3, сильноводопроницаемые – 3^.10^-3…3^.10^-2, очень сильноводопроницаемые – k_ф > 3^.10^-2 см/с.

Зависимость Дарси имеет верхний и нижний пределы ее применимости. Верхний предел определяется нарушением линейной зависимости между u и I и оценивается числом Рейнольдса Re. Закон Дарси применим, если Re < 7…9, что обычно бывает выполнено в случае глинистых и песчано-гравийных грунтов, в крупнозернистых грунтах (например, в каменной наброске) закон Дарси нарушается.

Нижний предел применимости закона Дарси устанавливается существованием у грунта начального градиента напора i₀, определяющего отсутствие фильтрации при действующих градиентах I < i₀.

В случае применимости закона Дарси график u = u(I) представлен прямой 1 (рис. 2.25), выходящей из начала координат.

Рис. 2.25. Зависимости скорости фильтрации от градиента:

1 - по закону Дарси; 2, 3 - с учетом начальногоградиента

напора для глинистого грунта средней и большой плотности;

4 - с учетом нелинейной зависимости u от I.

Опыты с плотными глинами показали, что экспериментальные точки располагаются на прямых (прямые 2 и 3 для глины разной плотности), при продолжении которых на оси абсцисс отсекается отрезок, определяющий величину начального градиента i₀. При этом считается, что при I = < i₀, скорость фильтрации u = 0, т.е. фильтрации нет. Если I > i₀, то вместо зависимости Дарси (2.13) принимают зависимость

u = -к_ф.

Существование начального градиента обычно объясняют наличием у глинистого грунта пленок связанной воды, образующей «пробки», препятствующие движению свободной воды по порам. Предполагается, что при I ≥ i₀ происходит разрушение этих «пробок» и начинается фильтрация. В случае, если градиент I снижается до I ≤ i₀ пленки-пробки восстанавливаются и фильтрация прекращается. В ряде опытов не подтвердилось наличие начального градиента – были получены графики, близкие к кривой 4-2 на рис. 2.25. С учетом этих результатов высказываются сомнения в существовании i₀ и предполагается, что зависимость u = u(I) асимптотически приближается к оси абсцисс по точечной кривой 4 и приходит в точку I = 0. Однако, и на точечной кривой 4 условие применимости закона Дарси не выполняется.

Электроосмотическая фильтрация.

При пропускании через глинистый водонасыщенный грунт постоянного электрического тока возникает движение поровой воды в сторону отрицательного электрода – электроосмотическая фильтрация (электроосмос) или электрофильтрация. Это явление было открыто в 1908г. проф.Ф.Рейсом.

Экспериментально было установлено, что скорость электрофильтра-ции u_эф =(см/с) может быть определена по зависимости, аналогичной записи зависимости Дарси, т.е.

u_эф= - к_эф,

где k_эф – коэффициент электрофильтрации ( ), - градиент напряжения электрического тока ( ).

Электрофильтрация по (2.14) объясняется движением к отрицательному электроду катионов, входящих в состав рыхлосвязанной воды (см. рис. 1.2), которые переносят на себе гидратные (водные) оболочки и одновременно увлекают за собой свободную воду. Наибольшего эффекта электрофильтрация достигает в глинистых грантах, в песках ее практически нет.

Явления электроосмоса применяются для уменьшения влажности глинистых грунтов. С этой целью в грунт забивают металлические стержни – положительные электроды, а расположенные на некотором расстоянии отрицательные электроды делают из металлических перфорированных труб, из которых откачивают интенсивно фильтрующуюся воду. В результате перехода в грунт ионов, входящих в состав положительного электрода (например, ионов железа и др.), может происходить образование нерастворимых солей, которые закрепляют структуру грунта (электроосмотическое закрепление грунта). Используют электроосмос для облегчения погружения в грунт металлических шпунтов и свай путем подключения их к отрицательному полюсу и в результате этого образования слоя воды – «смазки» на контакте металла с грунтом.

Суффозионные процессы в грунтах.

Под воздействием фильтрационного потока мелкие частицы грунта могут перемещаться по порам, образованным более крупными частицами. Такое процесс называется механической суффозией грунта в отличие от химической суффозии, когда вода растворяет химические элементы (соединения) и выносит их из грунта. Обратный суффозии процесс – кольматация, когда перемещаемые потоком мелкие частицы останавливаются в какой-либо области грунтового массива, закупоривая поры грунта. Различают механическую суффозию внутреннюю и внешнюю.

При внутренней суффозии мелкие частицы, перемещаясь потоком, либо выносятся на поверхность, либо останавливаются в какой-либо зоне массива грунта, кольматируя его. В зоне суффозии пористость грунта возрастает, что может быть причиной дополнительных деформаций (осадки) оснований.

В случае внешней суффозии выносятся частицы поверхностного слоя грунта. В результате пористость поверхностной зоны увеличивается, и суффозия распространяется в глубь массива.

Механическая внутренняя суффозия характерна для песчаных и крупнообломочных грунтов и может наблюдаться только в разнозернистых грунтах. В однородных грунтах внутренняя суффозия невозможна. Наиболее подвержены суффозии несвязные грунты с коэффициентом неоднородности С_U = d₆₀/d₁₀ > 10…20. Особой опасностью в отношении суффозии обладают грунты, в составе которых отсутствуют промежуточные фракции и поэтому имеющие на кривой однородности характерную «полку» (см. рис. 1.1, кривая 3).

В случае суффозионного грунта воздействие фильтрационного потока оказывается в состоянии вырвать из скелета грунта слабо защемленную частицу, а характеристики потока и размеры пор таковы, что она перемещается фильтрационным взвесенесущим потоком по массиву грунта. Понятие суффозионного грунта является относительным: при сравнительно больших напряжениях и малых градиентах тот же грунт может оказаться несуффозионным. С увеличением плотности сложения грунта возможность суффозии уменьшается.

Кольматация также может быть внутренняя и внешняя. При внешней, поверхностной кольматации, иногда называемой заилением, мелкие, например, глинистые или пылеватые частицы задерживаются только в самых поверхностных слоях грунта и создают маловодопроницаемую пленку. Это явление используется для уменьшения фильтрации воды из каналов. Кольматация же дренажных устройств постепенно выводит их из строя.

Оценка суффозионности грунтов и исследования их кольматации в зависимости от градиентов напора, скоростей фильтрации, напряженного состояния скелета грунта проводятся в основном экспериментальным путем в больших фильтрационных приборах – трубах. При этом фиксируется в фильтрате наличие твердых частиц и изменение их количества в процессе фильтрации.

Пути борьбы с суффозией и кольматацией следующие: 1) снижение градиентов напора до значений, при которых нет перемещения частиц; 2) использование так называемых обратных фильтров, состоящих из нескольких слоев грунта (материала), подобранных так, чтобы мелкие частицы какого-либо слоя не могли проходить в поры соседнего слоя; 3) уплотнение грунта и увеличение в нем сжимающих напряжений.

Оценка деформаций засоленного грунта при химической суффозии в компрессионно-фильтрационном приборе рассмотрена в разделе 2.1.