Водопроницаемость грунтов

Физические представления. Водопроницаемостьюназывается свойство водонасыщенного грунта под действием разности напоров пропускать через свои поры сплошной поток воды. При этом под сплошным потоком воды понимается ее неразрывное движение (фильтрация) по всему сечению активных пор грунта, т. е. той части пор, которая не заполнена связанной водой. Водопроницаемость грунтов зависит от их пористости, гранулометрического и минерального состава, градиента напора.

Фильтрация воды в грунтах представляет собой сложный процесс. Действительно, поры в разнозернистом грунте образуют извилистые каналы переменного сечения, соединяющиеся между собой в различных направлениях. Следовательно, и траектории движения воды в этих каналах будут крайне сложными. В глинистых грунтах пленки связанной воды, окружающие глинистые частицы и связанные с ними силами электростатического притяжения, могут об­разовывать пробки, перекрывающие поровые каналы в некоторых сечениях и затрудняющие движение свободной воды.

Рассмотрим схему фильтрации воды в элементе грунта (рис. 4.8). Пусть в точках 1 и 2 слоя водонасыщенного грунта, удаленных друг от друга на расстояние L, действуют разные пьезометрические напоры: H₁>H₂. Напомним, что из курса гидравлики напор в любой точке движущегося потока воды определяется выражением

H=p/g_w+z+v²/(2g)»p/g_w+z,

где p/g_w— пьезометрическая высота (p— давление в воде; g_w — удельный вес воды); z — высота рассматриваемой точки над некоторой горизонтальной плоскостью сравнения; v²/(2g)— скоростной напор (v — скорость движения воды в потоке; g— ускорение свободного падения). Поскольку в реальных грунтах скорость движения воды мала, скоростным напором в выражении H обычно пренебрегают.

Здесь важно отметить, что давление в воде рможет быть обусловлено не только высотой столба жидкости, как показано на рис. 4.8, но и нагрузкой от сооружения, передающейся на грунты основания через подошву фундамента (поровое давление).

Под действием этой разности напоров может начаться движение воды в порах грунта от точки 1 к точке 2. Примем, что это движение происходит по цилиндрической трубке тока площадью сечения А. Тогда, измерив за некоторое время tобъем воды Q, поступившей из точки 1 в точку 2, можно рассчитать условную скорость фильтрации:

v=Q/(At).

 

Закон ламинарной фильтрации. Коэффициент фильтрации.Первые эксперименты по изучению фильтрации воды в грунте были проведены на песках французским ученым Дарси в 1854 г. Им былс установлено, что скорость фильтрации (или расход воды q, протекающей в единицу времени через единицу площади сечения грунта) прямо пропорциональна разности напоров (DH=H₁-H₂) и обратно пропорциональна длине пути фильтрации L:

v=kDH/L=ki,

где i — гидравлический градиент (градиент напора), равный потере напора по длине пути фильтрации: i=DH/L.

В песчаных и тем более глинистых грунтах при обычных значениях градиента напора скорость фильтрации относительно невелика и движение воды имеет параллельно-струйчатый, т. е. ламинарный, характер. Поэтому уравнение v=ki часто называют законом ламинарной фильтрации Дарси:скорость движения воды в грунте прямо пропорциональна гидравлическому градиенту.

Коэффициент пропорциональности kназывается коэффициентом фильтрации и является основной фильтрационной харак­теристикой грунта. Он численно равен скорости фильтрации воды в грунте при градиенте напора i=1 и имеет размерность см/с, м/сут или см/год. Коэффициент фильтрации грунта всегда определяется экспериментально, и очень сильно зависит от гранулометрического и минерального состава грунта, а также его плотности. Так, для песков его значения колеблются в пределах
k=a·10^-1...a∙10^-4 см/с; для супесей — a·10^-3...a∙10^-6 см/с; для суглинков — a·10^-5...a∙10^-8 см/с; для глин — a·10^-7...a∙10^-10 см/с, где аможет быть любым числом от
1 до 9,9.

Начальный градиент напора.Многочисленные опыты по фильтрации воды в песчаных грунтах подтверждают полную справедливость закона Дарси (кривая 1 на рис. 4.9). Вместе с тем опыты с глинистыми грунтами показывают систематическое отклонение от этого закона (кривая 2). Так, в глинистых грунтах, особенно плотных, при относительно небольших значениях градиента напора фильтрации может не возникать (начальный участок кривой 2). Увеличение градиента приводит к постепенному, очень медленному развитию фильтрации. Наконец, при некоторых значениях гидравлического градиента устанавливается постоянный режим фильтрации.

Во многих случаях исключают из рассмотрениия начальный криволинейный участок Оа на рис. 4.9 и закон ламинарной фильтрации для глинистых грунтов принимают в виде

v=k’(i-i₀)

где k'— коэффициент фильтрации глинистого грунта, определяемый в интервале зависимости между точками а и б: i₀ — начальный градиент напора, т. е. участок на оси i, отсекаемый продолжением отрезка прямой аб до пересечения с этой осью.

Понятие начального градиента напора впервые установлено опытами Б. Ф. Рельтова и С. А. Роза и связывается обычно с проявлением особых свойств воды в глинистых грунтах, отмеченных в начале настоящего параграфа. С. А. Роза показал, что для плотных кембрийских глин начальный градиент напора может достигать очень больших значений, порядка 10...20.

При действующем градиенте напора меньше начального значения (i<i₀) фильтрация в водонасыщенном грунте практически не возникает, а следовательно, отсутствует возможность уплотнения грунта. При расчетах осадок оснований мощность зоны уплотнения иногда ограничивают той глубиной, где выполняется условие i=i_0.

Процессы, развивающиеся в грунтах при фильтрации воды.При движении потока воды в порах грунта между ним и частицами возникают объемные силы взаимодействия. Равнодействующую этих сил в каждой точке можно разложить на две составляющие: направленную вертикально вверх и действующую по направлению движущегося потока. Первая составляющая называется взвешивающей силой (архимедовой силой) и оказывает выталкивающее воздействие на частицы грунта (взвешивание грунта в воде). Вторая — фильтрационная сила — приводит к гидродинамическому давлению движущейся воды на частицы грунта. Взвешивающие силы проявляются даже при отсутствии движения воды и обусловливают уменьшение удельного веса грунта ниже уровня подземных вод. Фильтрационные силы возникают только при движении потока воды в грунте, и их интенсивность зависит от гидравлического градиента.

Движение воды в грунтах может приводить к развитию разнообразных процессов, осложняющих строительство. К ним, в частности, относятся процессы механической суффозии и кольматации грунта. Суффозия заключается в том, что движущийся поток воды в крупных порах песчаных и крупнообломочных грунтов может увлекать мелкие частицы, которые оседают в каких-либо частях массива и кольматируют (закупоривают) поры или выносятся на поверхность. В результате начавшейся суффозии может происходить увеличение пористости грунта, приводящее к возрастанию скорости фильтрации и дальнейшему развитию процесса. При этом скелет грунта оказывается ослабленным и может подвергнуться разрушению. При выходе потока воды на открытую поверхность (например, откос котлована) может развиваться поверхностная суффозия, приводящая к образованию воронок размыва и последующему разрушению (оплыванию) этой поверхности.

Напротив, кольматация, т. е. отложение мелких частиц вблизи открытой поверхности, вызывает уменьшение пористости и снижение водопроницаемости грунта. Кольматация бортов котлована уменьшает приток фильтрующей в него воды. В то же время кольматация дренажных устройств, используемых для отвода воды, приводит к постепенному их выходу из строя.

Суффозионная устойчивость грунта зависит от его гранулометрического состава, градиента напора, скорости фильтрации, напряжений в скелете грунта и определяется экспериментально. Одним из основных путей борьбы с суффозией грунта является уменьшение действующего напора.

В грунтах, содержащих большое количество растворимых минералов (гипс, кальцит, галит и др.), движущийся поток воды может вызывать химическую суффозию — растворение и постепенное вымывание этих минералов. Эти процессы также сопровождаются увеличением пористости и ослаблением грунта. Наиболее опасным здесь является карстообразование — развитие больших воронок и подземных полостей, сильно осложняющих строительство.

Выше отмечалось, что связанная вода в глинистых грунтах практически не принимает участия в фильтрации, вызванной разностью напоров, обычных для условий промышленного и гражданского строительства. В некоторых случаях возникает необходимость откачки поровой воды из глинистых грунтов. Для этого через водонасыщенный грунт пропускают постоянный электрический ток, вызывающий движение катионов, окруженных гидратными оболочками, к отрицательному электроду. Этот процесс называется элек­троосмотической фильтрацией, причем скорость движения воды может увеличиться в 10.. .100 раз по сравнению с напорной фильтрацией в тех же грунтах.

Эффективное напряжение и поровое давление.

Установлено, что полное напряжение в грунте s любой момент времени равно сумме эффективного напряжения в скелете грунта и порового давления в воде u_w

s=+u_w.

Отсюда эффективное напряжение в скелете грунта может быть выражено через полное напряжение и поровое давление: