Навігація
Головна
 
Головна arrow Географія arrow Грунтознавство
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

ГІДРОФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ГРУНТІВ

Гідрофізичні властивості ґрунтів проявляються в результаті дії на грунти гідродинамічних полів (водопрочность, водопроникність) або характеризують що відбуваються в них зміни, викликані збільшенням або зменшенням вмісту вологи (усадка, набухання).

Водопроникність грунтів

Водопроникністю називається здатність водонасичених грунтів пропускати крізь себе воду за рахунок градієнта напору (відносини різниці гідростатичних напорів води до довжини шляху фільтрації). Водопроникність пов'язана з одним з найважливіших процесів масопереносу в грунтах - фільтрацією води або інших рідин), вивчення якої має велике значення в інженерної геології.

Ступінь водопроникності кількісно виражається в коефіцієнтах фільтрації. Коефіцієнтом фільтрації Кф, м / сут, називається швидкість фільтрації води в грунті при градієнті напору, що дорівнює одиниці. Коефіцієнти фільтрації використовуються для розрахунків опади у часі, приток в вироблення, втрат на фільтрацію в каналах і водосховищах і розрахунків дренажних систем.

Водопроникність характеризується також коефіцієнтом проникності Кф см 2 . Співвідношення між коефіцієнтами фільтрації і проникності випливає з виразу

де - щільність води, г / см 3 ; ц - динамічна в'язкість води, сПз.

Більш вживаною одиницею проникності є дарсі, причому 1 д приблизно дорівнює 10 до см ". Для води з кінематичною в'язкістю v = 0,010 смг / с при 20 ° С з формули Кф = gfv -А ,, отримаємо 1 д = 10 х ■ 980 / 0,01 см / с = 10 3 см / с = 0,9 м / добу, т. е. для води коефіцієнт проникності, виражений в дарсі, близький до коефіцієнту фільтрації, що виражається в м / сут. В даний час використовують його часткову частина - квадратний мікрометр, т. Е. 10 " 12 м 2 .

Фільтрація води крізь ґрунти здатна здійснюватися лише через сполучені порожнечі, в скельних грунтах це наскрізні і сполучені каверни, тріщини і відкриті пори, в дисперсних - відкриті пори. Будь нескельний грунт, що складається з твердих мінеральних часток, можна розглядати, в залежності від ступеня його водонасичення, як дво- або трифазну систему з ефективною об'ємною масою (густиною). рівній сумі мас частинок води і повітря в одиниці об'єму грунту. У практичних розрахунках частіше використовують поняття щільності сухого ґрунту При відомої щільності частинок p s можна визначити пористість і коефіцієнт пористості грунту.

Пористість різних грунтів у природному заляганні зазвичай змінюється від 0,2 (разнозерністие алювіальні грунти) до 0,6 (м'яка моренная глина). Для оцінки фільтраційних властивостей нескельних грунтів найбільш важливою є характеристика, що виражає зміна відносного змісту в ґрунті часток в залежності від їх крупності (характеристика вагового розподілу часток по фракціях). Цю характеристику представляють у вигляді графіка зернового складу (рис. 5.1), побудованого в напівлогарифмічному масштабі, щоб більш точно висловити частку дрібних частинок, наявність яких в грунті сильно впливає на його фільтраційні властивості.

Неоднорідність зернового складу грунту прийнято характеризувати коефіцієнтом разнозерністимі, або неоднорідності, - З і . Ця характеристика грунтів вперше була запропонована А. Хазен. Зерновий склад грунту слід вважати неоднорідним, якщо коефіцієнт С і перевищує 10. Хазен також показав, що водопроникність незв'язного грунту в першому наближенні залежить від величини цього коефіцієнта і розміру г / ю, що отримав назву ефективного розміру часток. Пізніше для оцінки водопроникності грунтів І.І. Зауербей запропонував використовувати розмір часток так як кореляції між коефіцієнтом фільтрації і структурними параметрами грунту при цьому виходять більш стійкими (95)

Криві розподілу гранулометричного складу грунтів [95)

Мал. 5.1. Криві розподілу гранулометричного складу грунтів [95)

Водопроникність зернистих ґрунтів (виключаючи глинисті) також залежить від форми їх часток. Вплив форми частинок враховують, вводячи в розрахункові залежності коефіцієнт форми перетинів Попових каналів Ф:

де КФВ - коефіцієнт фільтрації грунту з добре окатанного частинками, за формою наближаються до кулі; Ф = 0,45 (1 + 0,3Б), де Б - бал окатанности за шкалою А.В. Хабакова, згідно з якою частки незграбної форми, характерної для щебнистого грунту, мають нульовий бал, частинки з рівномірно і добре окатанной поверхнею - чотири бали.

Як видно, вплив форми частинок на водопроникність грунту відносно невелика: коефіцієнти фільтрації грунтів з добре окатанного і незграбними частками (при однакових їх розмірах і щільності упаковки) відрізняються приблизно в два рази.

Оскільки частинки різної дисперсності можуть утворювати неоднакові по своїй просторової формі каркаси, пористість або коефіцієнт пористості (визначення яких наведені вище) дають лише початкове уявлення про структуру ґрунту. Якби частки представляли собою однакові кулі, то стійка рівноважна структура грунту, що складається з таких частинок, характеризувалася б пористістю п = 0,395 і близькою до середньої з граничних її значень 0,26 і 0,48, відповідних гранично щільною і пухкої упаковок рівних за розмірами куль. Оскільки пористість зернистого грунту в обсязі дорівнює пористості в будь-якому його перетині, середній діаметр пор грунту дорівнює:

(5.1)

де d c - середній по забезпеченості розмір частинок грунту.

Пористість грунту помітно зменшується в міру збільшення його разнозерністимі. Залежність п (ц х ), отриману досвідченим шляхом, можна представити у вигляді формули

де п і - пористість монофракціонного грунту.

Відповідно, коефіцієнт пористості розраховується за формулою

Так, при нормальному ущільненні різнозернистого грунту з частинками середньої окатанности / ї м = 0.43 і а = 0,135.

Вплив разнозерністимі і щільності ґрунту на розмір діаметрів його пір В.Н. Кондратьєв запропонував враховувати, вводячи у вигляді множника в вираз 5.1 параметр неоднорідності:

де d n і d1-n - розміри частинок, що визначаються по допоміжному графіку (лінія 2 на рис. 5.1) зернового складу фіктивного грунту з логнормальний розподілом часток.

Представляючи фільтраційну модель зернистого грунту у вигляді пучка звивистих капілярів (капілярів Жамeна), неважко зрозуміти, що водопроникність грунту повинна визначатися не середнім діаметром, а розміром do діаметрів порових каналів в місцях їх звужень. Тому розмір do називають гідравлічно еквівалентним діаметром порових каналів грунту, який приблизно в три рази менше середнього d c . Гідравлічно еквівалентний діаметр порових каналів в зернистому ґрунті рекомендується визначати за формулами:

Для монозерністих грунтів (з однаковими по крупності частками) при найбільш вірогідною їх пористості, близькою до 0.4, величина діаметра складе: do = 0,2d50 [95].

Установка для визначення коефіцієнта фільтрації

Мал. 5.2. Установка для визначення коефіцієнта фільтрації

При обгрунтуванні структури основного закону фільтрації необхідно відзначити, що через малих швидкостей фільтраційного потоку можна знехтувати величиною швидкісного напору і вважати основним ламінарний режим фільтрації. Між швидкістю потоку і падінням напору встановлюється лінійна зв'язок, яка вперше була виявлена Дарсі на підставі дослідів по фільтрації в піщаній колоні постійного перетину. Дарсі, який досліджував фільтрацію води через шар піску, використовував в своїх дослідах установку, показану на рис. 5.2. Через вертикальний посудину постійного перетину, заповнений піском. при постійній різниці напорів пропускалася вода.

Товщина шару піску, фракційний склад і різниця напорів були в різних дослідах різні. На основі проведених досліджень Дарсі вивів залежність:

де Q - витрата фільтраційного потоку з поперечним перерізом S при градієнті напору /; кф - коефіцієнт пропорційності, що називається коефіцієнтом фільтрації.

В даний час загальноприйнятим є такий вираз закону Дарсі:

де v - швидкість ламінарної фільтрації рідини; кф - коефіцієнт ламінарної фільтрації.

Коефіцієнти ламінарної фільтрації зернистих ґрунтів слід визначати для незцементовані піщаного ґрунту за формулою

для крупнообломочного) грунту. діаметр пір do якого перевищує 0,2 см.

де

Так, при температурі фільтрується в грунті води t і . = 4 ° С (відповідно при в'язкості v = 0,016 см 2 / с) чисельне значення функції а при t ". = 20 ° С

(v = 0,010 см 2 / с). , Де do - в сантиметрах.

Закон Дарсі має дуже широку сферу застосування і по праву вважається основним законом фільтрації. Разом з тим існують умови, при яких закон Дарсі порушується, причому мають місце верхня і нижня межі його використання. Верхня межа застосування закону Дарсі проявляється в породах високої проникності при великих швидкостях фільтрації. Природа її пов'язана з істотним проявом інерційних і пульсаційних сил, які пропорційні квадрату швидкості фільтрації. Виходячи з принципу незалежності дії в'язкого тертя і пульсаційних сил, можна припускати, що найбільш достовірною формою основного закону фільтрації в цьому випадку є двочленна залежність Проні-Форхгеймера, запропонована в якості загального закону фільтрації і обгрунтована поруч теоретичних і експериментальних досліджень:

(5.2)

Перевагою двучленной залежності є її універсальність, оскільки вона охоплює граничні умови: наступ ламінарного режиму при малих швидкостях

фільтрації, коли член стає дуже незначним в порівнянні з і турбулентного режиму при досить великих швидкостях фільтрації, коли можна знехтувати лінійним членом в порівнянні з квадратним.

З переходом ламінарного течії в турбулентний (що нерідко спостерігається в крупнозернистих грунтах) закон опору різко змінюється і стає квадратичним, т. Е. Втрати напору ростуть пропорційно квадрату швидкості, в зв'язку з чим, визначаючи водопроникність грунту в конкретній галузі підстави напірного споруди, слід перевірити чи збережеться при прогнозованому градіеіте напору і " в цій галузі ламінарний режим фільтрації. Ламінарний режим зберігається за умови:

де - критичний градієнт напору, який вираховується для зернистих ґрунтів за формулою

Відповідно, критична швидкість v K (на початку відхилення фільтрації від закону Дарсі) визначається за формулою:

критичне число Рейнольдса:

де - критеріальне відношення сили тяжіння до сили пружності води (Е "= 2,06 • 10 3 МПа).

Якщо за попередньою оцінкою середня швидкість течії води в порах грунту в даній області підстави буде перевищувати 5 см / с, то фільтраційні розрахунки для даної області необхідно виконувати відповідно до залежності:

де к'ф - коефіцієнт турбулентної фільтрації, який визначається за формулою

Гідравлічні опору сталому руху води в дрібнодисперсному святому матеріалі (глинистому ґрунті). Для зв'язкових (глинистих) грунтів, які не мають макроагрегатной (грудкуватої) структури

(5.3)

де к'о - коефіцієнт, який має розмірність швидкості, середнє значення якого при температурі 20 ° С дорівнює 4-10 11 см / с; е - коефіцієнт пористості (в д. од.) дрібнозернистої компоненти грунту з частинками d < 0,1 см; - показник, що характеризує інтенсивність зниження проникності грунту при його ущільненні [95]. Величину показника β рекомендується обчислювати але формулою

де еї - коефіцієнт пористості грунту на кордоні його плинності, який визначається в частках одиниці для грунтового тесту, що має вологість, рівну w L .

При відсутності цих даних значення ЕІ визначають по експериментально встановленим співвідношенням:

(5.4)

де p s - щільність часток грунту; /> ", - щільність води.

Залежність (5.3) можна представити у вигляді графіків, які показані на рис. 5.3. З цієї залежності випливає, що найбільшою інтенсивністю зниження водопроникності при ущільненні мають нізкопластічние супіщані грунти (е <0,7), а найменшою - важкі глини і розклався торф (е /.> 1,5) [95].

Графіки залежностей між коефіцієнтами пористості і фільтрації глинистих ґрунтів [95)

Мал. 5.3. Графіки залежностей між коефіцієнтами пористості і фільтрації глинистих ґрунтів [95)

Гідравлічні опору сталому руху води в тріщинах . На підставі градієнт- швидкісних характеристик, отриманих при вивченні процесу фільтрації води в тріщинах з різними розкриття 6 і ступенем шорсткості їх стінок, встановлено, що середні швидкості руху води в тріщинах:

при ламінарному режимі:

(5.5)

при турбулентному:

(5.6)

Вплив шорсткості стінок тріщин на опір руху в них води враховується введенням коефіцієнтів і в розрахункові залежності (5.5) і (5.6).

Найважливішою особливістю процесу фільтрації води в тріщинах є те, що при зростанні градієнта напору понад критичної позначки ламінарний режим порівняно швидко змінюється турбулентним. Критичний градієнт напору і швидкість течії води в тріщині обчислюються [95]:

(5.7)

З (5.7) випливає, що при збільшенні розкриття дуже тонких тріщин, для яких А і В "6, критичний градієнт швидко зменшується обернено пропорційно четвертого ступеня розкриття тріщини. Відповідно, критичне число Рейнольдса [95]

Гідравлічні параметри А і В шорсткості стінок тріщини з відомим її розкриттям 6 можна визначити за двома точками на градієнт-швидкісній характеристиці [95]:

в області ламінарного режиму:

в області турбулентного режиму:

Залежність швидкості фільтрації від гідравлічного градієнта

Мал. 5.4. Залежність швидкості фільтрації від гідравлічного градієнта

Великий практичний інтерес представляє аналіз аномалій основного закону фільтрації, що виникають при малих швидкостях фільтрації, характерних для слабопроницаемих порід. У високодисперсних грунтах з низькою водопроникністю (глини, торф) спостерігається відхилення від лінійного закону, а фільтрація в таких грунтах починається лише при перевищенні деякого градієнта напору, званого початковим градиентам фільтрації / о (рис. 5.4).

Природу цих аномалій пов'язують з впливом сил молекулярного взаємодії частинок води і породи. У роботах І.Ф. Бондаренко і С.В. Нерпіна [6] пояснення таких аномалій ґрунтується на уявленнях про вязкопластіческом характер перебігу води в улиратонкіх норових каналах. Розглядаючи для аналізу закономірностей вязкопластіческого режиму фільтрації найпростішу модель пористого середовища,

що складається з однакових капілярних трубок з радіусом г г , можна показати, що в цьому випадку в'язка течія починається при градієнті напору / 0 , який визначається за формулою

де го - початковий опір зрушенню в рідини, яке, за даними Н.Ф. Бондаренко, має порядок 10 4 МПа; р " - щільність води; g - прискорення вільного падіння.

При I> / о основний закон фільтрації описується рівнянням:

При великих градієнтах, коли / >> / о, цей графік має лінійну асимптоту:

Початкові градієнти досліджуються досить давно, але до цих пір немає єдиної думки про їхню природу і навіть про сам факт їх існування. Початковий градієнт виділяється умовно, рух рідини не виключається, але майже не фіксується. Після перевищення / о швидкість фільтрації зростає нелінійно, поступово виходячи на пряму ділянку. Напірний градієнт, при якому швидкість фільтрації стає лінійної, називають граничним.

Причиною існування початкового градієнта фільтрації в глинах є наявність в порах зв'язаної води з аномальними реологическими властивостями (підвищеною в'язкістю). І для того щоб "зрушити" шари зв'язаної води в тонких порах глини, треба подолати їх опір зрушенню. На думку В.М. Гольдберга [13], вплив градієнта напору на проникність глин зумовлено в'язкопластичні властивостями зв'язаної води, неоднорідністю її зв'язку з твердою поверхнею глинистих частинок. В'язкопластичні властивості проявляються в початковому градиенте фільтрації, а неоднорідність енергетичної зв'язку - в тому, що зі зростанням градієнта напору більша частина зв'язаної води втягується в рух. Ці дві особливості - початковий градієнт і неоднорідність зв'язку - взаємозалежні. Значення початкових градієнтів в пісках мають порядок / о = 10, у торфу - до 15, найбільшим початковим градієнтом фільтрації (до 60-70) мають Na-форми монтморіллонітових глин, найменшим каолінові глини. Такі величини, безсумнівно, мають 'реальну значимість, так що в природних умовах прояву вязкопластіческого течії, мабуть, вимагають ретельного аналізу. Важливо враховувати, що вязкопластіческого протягом має релаксаційний характер, що обумовлює можливість течії в пластичної області I </ о, проте ефективна проникність породи тут буде вже значно менше.

На зниження початкового градієнта фільтрації впливають всі фактори, які призводять до руйнування структури шарів зв'язаної води навколо частинок (підвищення температури, підвищення концентрації норовить розчину і ін.). З ростом градієнта напору збільшується діаметр пір внаслідок залучення в рух все більшої частини зв'язаної води і зменшення товщини залишається нерухомо зв'язаної води. Під впливом прикладеного перепаду тисків зв'язана вода продавлюється і вивільняє норовить простір. Зі збільшенням перепаду тисків ефективна пористість повинна зростати. а в області великих напорів - залишитися незмінною. У той же час є дані [53], що відзначають гасіння напору і прояв деформацій випора під дією фільтраційного потоку. При додатку тиску відбувається обтиснення пір. що веде до зниження фільтраційних властивостей. Величина руйнівного градієнта - від 11 до 51.

Визначення коефіцієнта фільтрації. Існують чотири широко поширені методи для визначення коефіцієнта проникності грунту (влагопроницаемости):

  • • методи польових випробувань, такі як визначення проникності шляхом откачек, наливів, пластоіспитаніі або витратометрії;
  • • метод емпіричної зв'язку з гранулометрическим розподілом часток;
  • • метод отримання оціночних показників у випробуванні з використанням компресійного приладу (одометра);
  • • метод визначення проникності грунту на випробувальних зразках в лабораторних умовах [126].

Вибір методу визначення коефіцієнта фільтрації залежить від геологічних (гідрогеологічних) умов ділянки проектованого будівництва і завдань, поставлених перед дослідженнями. Так. в умовах близької до поверхні залягання грунтових вод і відносно високою водопроникності грунтів слід застосовувати метод досвідчених відкачок. При дуже високій водопроникності грунтів, наприклад валунно- галечникових відкладень, використовують методи нагнітання або наливу води в свердловини. Якщо грунтові води знаходяться на глибині більше 4 ... 6 м. То коефіцієнт фільтрації зони аерації краще визначати методом наливу води в шурфи. Визначення коефіцієнта фільтрації грунтів для проектування водовідливу з котлованів слід проводити тільки методом досвідчених відкачок. Загальна оцінка фільтраційних властивостей ґрунтів ділянки проектованого будівництва може бути виконана для піщаних грунтів методом розрахунку по гранулометричному складу або наглядом за відновленням рівня води в свердловинах. При необхідності оцінки прогнозу підтоплення майданчика, складеної грунтами, найкращі результати визначення коефіцієнта фільтрації можуть бути отримані при проведенні дослідів в компрессионно-фільтраційних приладах. Можна оптимізувати оцінку коефіцієнта проникності, якщо використовувати кілька вищеназваних методів в поєднанні один з одним. У табл. 5.1 перераховані основні лабораторні та польові методи визначення коефіцієнта фільтрації і вказані межі їх застосування для різних грунтів.

Таблиця 5.1

Лабораторні та польові методи визначення коефіцієнта фільтрації

лабораторні методи

польові методи

прямі

непрямі

види грунтів

прямі

види грунтів

прилад

Г.Н. Каменського

-

Піщані і глинисті порушеного і ненарушенного складання

Досвідчені відкачування зі свердловин і шурфів

Пса види, крім глин і суглинків

Прилад Г. Тіма

-

Піщані порушеного складу

Досвідчені наливи і шурфи

Піщані і глинисті, крім глин при глибокому заляганні рівня грунтових вод (4 ... 6 м)

трубка

Г.Н. Каменського

-

Піщані порушеного складу

прилад КФЗ

(трубка

"Спецгео")

Піщані і глинисті порушеного і ненарушенного складання

Досвідчені нагнітання води в свердловину

Скельні, напів скельні, тріщинуваті і сухі гранійно-галечникові

прилад ПВ

-

Глинисті порушеного і ненарушенного складання

-

11о результатами грануло- метрнческого аналізу

піщані однорідні

Спостереження за відновленням рівня води в свердловинах

Всі види

За результатами компресійних випробувань

Глинисті порушеного і ненарушенного складання

Коефіцієнт фільтрації піщаних грунтів визначають при постійному заданому градієнті напору з пропуском води зверху вниз або знизу вгору, при попередньому насиченні зразка грунту водою знизу вгору.

Коефіцієнт фільтрації пилуватих і глинистих ґрунтів визначають при заданих тиску на грунт і змінному градієнті напору з пропуском води зверху вниз або знизу вгору, при попередньому насиченні зразка грунту водою знизу вгору без можливості його набухання.

Для насичення зразків грунту і фільтрації застосовують грунтову воду з місця відбору грунту або воду питної якості. У випадках, встановлених програмою досліджень, допускається застосовувати дистильовану воду.

Результати визначення коефіцієнта фільтрації повинні супроводжуватися даними про гранулометричному складі, щільності частинок, щільності сухого гpyнтa, межі текучості і розкочування, ступеня вологості і коефіцієнті пористості. Кількість окремих ухвал коефіцієнта фільтрації для кожного інженерно-геологічного елемента (шару грунту) повинна становити не менше шести, їх встановлюють методом статистичної обробки результатів окремих ухвал [19]. Розрахункові значення коефіцієнтів фільтрації слід приймати рівними нормативним.

Визначення коефіцієнта фільтрації пісків при постійному градієнті напору [35]. Коефіцієнт фільтрації визначають на зразках ненарушенного складання або порушеного складу заданої щільності. Максимальний розмір часток піщаних грунтів не повинен перевищувати 1/5 внутрішнього діаметра приладу для визначення коефіцієнта фільтрації.

У комплект обладнання для визначення коефіцієнта фільтрації повинні входити: прилад КФ-ООМ, КФЗ (рис. 5.5) або прилади КФ-01, ВКФ-3, ФВ-3, трубка СПЕЦГЕО вдосконалена.

Прилад для визначення коефіцієнта фільтрації піщаних грунтів (фільтраційна трубка КФ-1 входить до складу приладу) [35, 143]

Мал. 5.5. Прилад для визначення коефіцієнта фільтрації піщаних грунтів (фільтраційна трубка КФ-1 входить до складу приладу) [35, 143]

Заповнення циліндра випробовуваним грунтом ненарушенного складання виконують в наступному порядку. Заздалегідь зважений циліндр ставлять загостреним краєм на вирівняну поверхню грунту і злегка вдавлюють в грунт, позначаючи межі майбутнього зразка для проведення випробувань; грунт у загостреного краю циліндра (з зовнішньої його сторони) зрізають гострим ножем у вигляді стовпчика діаметром на 0,5 ... 1,0 мм більше діаметра циліндра і висотою приблизно 10 мм. Одночасно у міру зрізання поступово насувають циліндр на грунт, не допускаючи перекосу, до повного заповнення циліндра. У грунт, з якого не вдається вирізати стовпчик, циліндр вдавлюють; верхній торець зразка грунту зачищають ножем врівень з краями циліндра і накривають заздалегідь зваженої платівкою; підхоплюють циліндр з грунтом знизу лопаткою, перевертають його, зачищають нижній торець зразка грунту врівень з краями циліндра і також накривають заздалегідь зваженої платівкою; зважують циліндр із зразком грунту і покривають його пластинками; визначають щільність грунту, потім надягають на циліндр із зразком грунту дно з латунної сіткою, покритою кружками марлі.

Коефіцієнт фільтрації грунту визначають в наступному порядку: обертанням підйомного гвинта встановлюють циліндр з грунтом до суміщення позначки необхідного градієнта напору на планці з верхнім краєм кришки корпусу і доливають воду в корпус до верхнього його краю. Випробування проводять при поетапному збільшенні значень градієнта напору; заміряють температуру води; заповнюють мірний скляний балон водою і, закриваючи отвір, перекидають отвором вниз, підносять можливо ближче до циліндра з грунтом і швидко вставляють в муфту фільтраційної трубки так, щоб його горлечко стикалося з латунної сіткою, а в балон рівномірно піднімалися дрібні бульбашки повітря. Якщо в мірний балон прориваються великі бульбашки повітря, то його необхідно опустити нижче, домігшись появи дрібних бульбашок. Коли рівень води досягне ділення шкали мірного балона 10 (або 20) см 3 , фіксують час, приймаючи його за початок фільтрації води. Надалі фіксують час, коли рівень води досягне відповідно поділів 20, 30, 40, 50 (або 20, 40, 60. 80) см 3 або інших кратних значень. Проводять чотири відліку.

Коефіцієнт фільтрації £ ф, м / сут, приведений до умов фільтрації при температурі 10 ° С, обчислюють за формулою:

де V w - обсяг профільтрувалась води при одному вимірі, см 3 ; t "- середня тривалість фільтрації (по вимірах при однакових витратах води), с; S - площа поперечного перерізу циліндра фільтраційної трубки, см 2 ; / - градієнт напору; Т = (0,7 + 0,03 7ф) - поправка для приведення значення коефіцієнта фільтрації до умов фільтрації води при температурі 10 ° С, де 7ф- фактична температура води при випробуванні, ° С; 864 - перекладної коефіцієнт з см / с в м / сут.

Для розрахунку коефіцієнта фільтрації слід складати таблицю розрахункових даних для постійної витрати води з циліндра певної площі поперечного перерізу при різних градієнтах напору і температурі. Коефіцієнт фільтрації обчислюють до другої значущої цифри.

Визначення коефіцієнта фільтрації глинистих ґрунтів при змінному напірному градієнті [35]. Методика лабораторних випробувань на водопроникність зв'язкових грунтів має ряд особливостей, обумовлених:

  • • дуже низькими коефіцієнтами фільтрації, значення яких зазвичай не перевищують 10 ь см / с і швидко (експоненціально) зменшуються в процесі ущільнення грунту;
  • • здатністю зв'язкових грунтів купувати агрегатную (грудкувату) структуру, істотно впливає на величину водопроникності і характер се зміни в процесі ущільнення грунту;
  • • здатністю багатьох глинистих ґрунтів набухати при замочуванні або, навпаки, ущільнюватися (що характерно для так званих грунтах лесовидних суглинків);
  • • відносно великими потенціалами капілярного всмоктування води;
  • • залежністю уплотняемость грунту (при заданій енергії ущільнення) від його початкової вологості.

Ущільнення зв'язного грунту протікає в два етапи: на першому відбувається руйнування окремих грудок і зникнення внаслідок цього найбільш великих вторинних пір, на другому - зменшення обсягу первинної пористості. У разі якщо початкова вологість грунту менше оптимальної, енергія ущільнення витрачається на руйнування грудок.

У комплект обладнання для визначення коефіцієнта фільтрації глинистих ґрунтів повинні входити: компрессионно-фільтраційний прилад (рис. 5.6), що дозволяє проводити випробування під навантаженням при змінному напірному градієнті; ваги; термометр; секундомір.

Мал. 5.6. Прилад для визначення коефіцієнта фільтрації глинистих ґрунтів ПВ конструкції Д.І. Знам'янського - В.І. Хаустон [76]

Зразок грунту насичують водою знизу вгору через пьезометр. Водонасичення слід проводити не менше 2 діб для супісків, не менше 5 діб для суглинків; тривалість водонасичення глин визначають завданням. При ступеня вологості грунту понад 0,98 водонасичення можна не проводити. Заливають зразок грунту водою (до країв насадки або верху кришки), і передають на зразок заданий тиск ступенями. Значення ступенів тиску і час їх витримування призначають відповідно до ГОСТ 12248 [17]. Якщо заданий тиск одно p s " (відповідне структурної міцності), то зразок навантажують ступенями тиску по 0,0025 МПа до початку стиснення.

У приладах, що мають два пьезометра, з'єднаних з кришкою і піддоном, початковий натиск дорівнює різниці рівнів в п'єзометрах. При дослідженні фільтрації в низхідному потоці пьезометр, приєднаний до верхньої частини приладу, повинен бути заповнений до верхньої позначки, а пьезометр, приєднаний до нижньої частини, - до нижньої позначки, і навпаки. Відкриваю! кран, що з'єднує пьезометр з приладом, і відзначають час початку фільтрації води. Заміряють числа поділів, на які опустився (піднявся) рівень води в пьезометр, через однакові проміжки часу і температуру води з точністю до 0,5 ° С. Відлік по пьезометр виробляють в залежності від швидкості фільтрації. Проміжки часу відліків можуть бути 5, 10, 15, 30 хв, 1 ч, при повільній фільтрації - два рази, на початку і в кінці робочого дня. Проводять не менше шести відліків. Якщо рівень води в пьезометр знижується на одну поділку за час, що перевищує 40 с, то слід замінити п'єзометри на більш тонкі трубки.

Коефіцієнт фільтрації грунту (£ ф), м / сут, приведений до умов фільтрації при температурі 10 ° С, обчислюють за формулою

де S - спостережуване падіння рівня води в пьезометр, відраховані від початкового рівня, см; Але - початковий натиск, см; - безрозмірний коефіцієнт, який визначається в залежності від ; / - час падіння рівня води, с; S n - площа перетину пьезометра, см 2 ; S K - площа кільця, см 2 ; h - висота зразка грунту, що дорівнює висоті кільця, см; Т = (0,7 + 0,03 7ф) - поправка для приведення значення коефіцієнта фільтрації до умов фільтрації води при температурі 10 ° С, де ГФ фактична температура води при досвіді, ° С; 864 - перекладної коефіцієнт з см / с в м / сут.

Коефіцієнт фільтрації обчислюють для кожного відліку по пьезометр, за результат приймають середнє арифметичне окремих обчислених значень і висловлюють з точністю до другої значущої цифри [35].

На коефіцієнт фільтрації найбільш суттєво впливають структурно-текстурні особливості грунту: гранулометричний склад, його однорідність (неоднорідність), форма, звивистість, розмір пір і каналів, ширина розкриття тріщин і ін. Залежно від цих чинників коефіцієнт фільтрації різних грунтів змінюється в широких межах. У табл. 5.2 наведені орієнтовні значення коефіцієнтів фільтрації дисперсних грунтів. Класифікація скельних грунтів за ступенем водопроникності дана в табл. 5.3 [84].

Таблиця 5.2

Значення коефіцієнтів фільтрації дисперсних грунтів

Грунт

Коефіцієнт фільтрації до $, м / сут

галечникові

200

гравійний

100 ... 200

Великоуламковий з піщаним заповнювачем

100 ... 150

гравелистий пісок

50 ... 100

крупний пісок

25 ... 75

Середньої крупності пісок

10 ... 25

Дрібний пісок

2 ... 10

пилуватих пісок

0.1 ... 2

супісок

0.1 ... 0.7

суглинок

0,005 ... 0,4

глина

0.005

торф

слаборазложившийся

1 ... 4

среднеразложівшійся

0,15 ... 1,0

сильноразложівшийся

0,01 ... 0,15

Таблиця 5.3

Класифікація скельних грунтів по водопроникності

Характеристика гірських шмагав

Коефіцієнт фільтрації, м / сут

Питомий водопоглощсннс. л / хв

Практично водонепроникні, нетріщинуватих

<0.01

<0.005

Дуже слабоводопроніцаемие і слаботрещіноватие

0,01 ... 0.1

0,005 ... 0,05

Слабоводопроніцасмис і слаботрещнноватис

0.1 ... 10

0.05 ... 5,0

Водопроникні і слаботрещіноватие

10 ... 30

5 ... 15

Сільноводопроніцаемие, сільнотрсщіноватие

30 ... 100

15 ... 50

Дуже сільноводопроніцаемие і сильно тріщинуваті

> 100

> 50

Мінеральний склад впливає на величину коефіцієнта фільтрації грунтів через пов'язану з ним дисперсність і пористість. У дисперсних грунтах, включаючи піски, домішка глинистих мінералів призводить до зниження коефіцієнта фільтрації. Додавання до піску всього 10% глинистих частинок знижує водопроникність більш ніж на 50 ... 60%.

Ступінь насиченості деяких типів грунтів може вплинути на коефіцієнт фільтрації аж до трьох порядків величини. Хімічний склад проникаючої речовини може змінити коефіцієнт фільтрації на кілька порядків величини.

Серед зовнішніх чинників найбільш істотний вплив на водопроникність грунтів надає температура. Дослідження Л.І. Кульчицького, І.А. Брилинг, В.А. Королева та інших показали, що з ростом позитивної температури в діапазоні 0 ... 90 ° С відбувається істотне збільшення коефіцієнта фільтрації в глинистих ґрунтах. Причинами цього є: зменшення в'язкості поровой рідини при нагріванні, в тому числі і шарів зв'язаної води з підвищеною в'язкістю, що веде до падіння А'ф; часткове руйнування структури шарів зв'язаної води навколо частинок з аномальними реологическими властивості за рахунок нагріву, переклад частини води з пов'язаної у вільну; збільшення за рахунок нагріву ступеня агрегированности частинок і зростання при цьому розміру межагрегатних пір, що веде до зростання кф. Найбільші структурні зміни зв'язаної води відбуваються в діапазоні температур 65 ... 75 ° С, що виражається в більш різкому зростанні коефіцієнта фільтрації глинистих ґрунтів при цій температурі [50].

Численні експериментальні дослідження показують, що при тривалій фільтрації води кф грунту залишається постійним лише в разі його жорсткої структури, стійкої в часі, що характерно для скельних ґрунтів. У більшості дисперсних грунтів, як показали дослідження, в результаті тривалої фільтрації відбувається порушення їх структури і текстури, пов'язане з розчиненням і винесенням солей, втратою зчеплення між окремими частинками, виносом частинок, кольматації пір і подальшим ущільненням ґрунту. Гідростатичний напір діє як ущільнююча навантаження. В результаті цього коефіцієнт фільтрації в часі поступово знижується і виходить на постійне значення. При цьому процес зниження може бути плавним, що характерно для пластичних глин, або стрибкоподібним.

Різке зменшення швидкості фільтрації виявлено також в органічних грунтах. Багато авторів як причини зниження фільтрації призводять: зміна в процесі досвіду pH і освіту гелів [8, 74], набухання [53], кольматацію пір в процесі досвіду [59], зміна в'язкості [77], сукупність всіх перерахованих факторів [65]. Ф.ГІ. Винокуров зазначає [8], "що жодна з перерахованих причин уповільнення швидкості фільтрації в торф'яних ґрунтах з плином часу не є достовірною, так як кожна з них є скоріше результатом суб'єктивних висновків". За даними Н.Ф. Бондаренко і Н.П. Коваленко [6], в період тривалих термінів коефіцієнтів фільтрації в торфу проходять анаеробні процеси, що призводить до утворення сполук, таких як метан, метилові з'єднання і комплекс альдегідів, що знижують величину витрати в часі. Стабілізація значень витрати відображає рівновагу анаеробних процесів, розчинення, кольматации, суффозии при даному градієнті напору.

Навіть якщо шар грунту однорідний за складом, його коефіцієнт фільтрації може значно варіювати через невеликі змін питомого навантаження, коефіцієнта пустотности, структури, розміру часток і шаруватості. Тому коефіцієнт фільтрації грунту необхідно описувати із зазначенням величин мінімального і максимального граничного рівнів. Визначення коефіцієнта фільтрації однорідного за складом піску можна зробити досить точно, використовуючи взаємозв'язок з гранулометрическим розподілом часток. При використанні результатів одометріческіх випробувань для розрахунку коефіцієнта фільтрації глинистих ґрунтів виходить лише його приблизна оцінка. Одометріческіе випробування з постійною швидкістю забезпечують більш точний вимір проникності. Найвірогіднішим методом для отримання величини коефіцієнта фільтрації є польовий метод випробувань.

 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Аудит та Бухоблік
Банківська справа
БЖД
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Нерухомість
Менеджмент
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
Соціологія
Статистика
Техніка
Страхова справа
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Пошук