Закон ламинарной фильтрации грунта

Рис. Графики изменения деформаций от напряжений

 

Тогда относительную объемную деформацию грунта можно записать как

εv = εx + εy + εz

При компрессионных испытаниях имеет вид εv = εz , так как εx= εy= 0.

 

 

В грунтах часть его объема занимают твердые минеральные частицы, а другую часть – поры, которые обусловливают водопроницаемость. Различные виды грунтов обладают разной водопроницаемостью. При прочих равных условиях лучшей водопроницаемостью обладают песчаные грунты и меньшей – глинистые.

Водопроницаемостью грунта называют его способность пропускать через себя свободногравитационную воду под действием разности напоров. От водопроницаемости грунтов зависит ряд процессов, влияющих на устойчивость сооружений, в том числе:

· скорость уплотнения основания (грунтов);

· суффозия грунта – перемещение или вынос мелких частиц по порам, образованным более крупными частицами под воздействием фильтрационного потока;

· оползневые явления – перемещение грунтовых масс под действием силы тяжести или внешней нагрузки.

Движение свободногравитационной воды в грунтах оснований называется фильтрацией. Фильтрация может происходить по различным направлениям:

· горизонтально (рис. а);

· вертикально вниз (рис. б);

· вертикально вверх (рис. в).

 

 

 

Рис. Схемы движения воды в грунтах: l –длина или высота образца грунта; ΔН–разность отметок воды перед входом в образец и выходом из него

 

Таким образом, движение воды в грунте происходит под действием возникающего в нем градиента напора.

Движение воды в песчаных и глинистых грунтах рассматривается как параллельно-струйное, т.е. имеет ламинарный характер движения, так как скорость фильтрации в таких грунтах невелика.

Первые эксперименты по изучению фильтрации воды были поставлены французским инженером А. Дарси в 1854 г. Дарси установил, что объем воды V, профильтровавшийся через заполненную песком трубу, пропорционален площади ее поперечного сечения, потерям напора и продолжительности фильтрации:

 

где k_f – коэффициент фильтрации, см/с (м/сут);

J – гидравлический градиент (уклон), равный потере напора на пути фильтрации:

А – площадь поперечного сечения трубки, м²;

t – продолжительность фильтрации, с.

Коэффициент фильтрации– это скорость фильтрации при гидравлическом градиенте, равном единице. Он широко используется в практике гидрогеологических расчетов, характеризует водопроницаемость грунтов, зависит от гранулометрического состава, плотности и пористости грунта. Коэффициент фильтрации определяется в лабораторных и полевых условиях.

Средние ориентировочные значения коэффициента фильтрации для некоторых видов грунтов приведены в табл.

Таблица– Ориентировочные значения коэффициента фильтрации грунтов

 

 

Для хорошо фильтрующих грунтов (песков и супесей) коэффициент фильтрации определяют с помощью прибора (рис.), состоящего из трубы длиной l, заполненной грунтом, и двух трубок – подводящей и отводящей воду. При разности напоров Н₂ - Н₁ вода будет фильтроваться под действием градиента (J).

Гидравлическим напором называют давление в поровой воде, выраженное в единицах высоты эквивалентного водяного столба:

H = p /γ_w,

где γ_w – удельный вес воды.

Градиентом гидравлического напора называют безразмерную величину, равную отношению разности гидравлических напоров на входе и выходе фильтрационного потока к длине пути фильтрации поровой воды:

J = (Н_вх. –Н_вых.) / L = tg j

L – длина пути фильтрации; Н = Н_вх – Н_вых – потеря напора или «действующий напор».