Лабораторная работа № 6

Определение коэффициента фильтрации песчаного грунта

 

Естественные грунты представляют собой пористое пространство, способные пропускать гравитационную воду. Эта способность называется водопроницаемостью. Численно водопроницаемость характеризуется скоростью движения гравитационной воды в порах при градиенте, равном единицы.

В условиях ламинарного движения количество воды, протекающей через поровое пространство площадью А в течение времени t по закону Дарси равно:

 

, где:

 

Кф – коэффициент водопроницаемости (фильтрации);

I – гидравлический градиент, равный отношению потери напора на участке фильтрации

 

, где:

 

H1 – напор в начальном сечении фильтрации;

H2 – напор в конечном сечении пути фильтрации.

L -путь фильтрации.

Коэффициент фильтрации (Кф) измеряется в см/с, м/сут, см/год…..

Средние значения КФ в м/сут. для грунтов

Пески 10-1……10-4
Супеси 10-3……10-5
Суглинки 10-5……10-8
Глины 10-7……10-10

 

Коэффициент фильтрации используется в расчетах при определении консолидации водонасыщенных грунтов (времени затухания осадки фундаментов), притока подземных вод к котлованам, дренажам, подземным водозаборным сооружениям, утечек из водохранилищ…

Определение величины коэффициента фильтрации осуществляется полевыми, лабораторными методами, а также расчетами по эмпирическим уравнениям.

В лабораторных условиях для определения Кф песчаных грунтов используют фильтрационные приборы: КФ-00, трубку Спецгео и трубку Г.Н. Каменского (рис 6.1).

Необходимое оборудование: прибор КФ-00, термометр, секундомер, глубокая тарелка.

 

Методика определений:

1. Заполнить фильтрационную трубку 4 грунтом 8 и надеть на нее муфту 2 и упорное дно 5, предварительно положив на торцевые поверхности грунта латунные сетки 3 и 6 (рис. 6.1).

При испытании грунта естественной структуры трубу задавливают в монолит грунта. Грунт с нарушенной структурой засыпают в трубку с послойным трамбованием до получения необходимой пористости.

В опытах с тонкозернистыми песками на дно трубки насыпают буферный слой песка из фракций 0,25….0,5 мм на высоту 2…3 мм.

2. Вставить трубку упорным дном во внешний стакан 7 на кольцо подставку, соединенную со шкалой напорного градиента 10. Винтом 9 установить нужный напорный градиент, следя за совмещением соответствующего деления на шкале 10 с верхом внешнего стакана. Заполнить внешний стакан водой и поставить в широкую емкость.

3. В течение 3….4 минут небольшими порциями осторожно наливать воду на верхнюю сетку 3 , пока вода не начнет выливаться из внешнего стакана. Это будет свидетельствовать о полном водонасыщении грунта трубки.

4. Заполнить мерный баллон 1 водой и измерить ее температуру. Зажав отверстие баллона большим пальцем и, опрокинув, вставить в муфту 2 до соприкосновения с сеткой 3. В таком виде баллон автоматически поддерживает над грунтом постоянный уровень воды 1…2 мм. Когда последний вследствие фильтрации понижается, в баллон прорываются пузырьки воздуха и соответствующее количество воды вытекает из него. Этим достигается постоянство напорного градиента. Если в баллон прорываются крупные пузырьки воздуха, то это свидетельствует о значительном удалении горлышка от поверхности грунта. Следует баллон опустить на 1…2 мм ниже и добиться равномерного просачивания мелких пузырьков воздуха в процессе опыта.

5. В условиях равномерного появления мелких пузырьков воздуха в баллоне определить время t фильтрования Q = 10 мл воды. Опыты проводят при различных первоначальных положениях уровня воды в баллоне.

6. Изменяют напорный градиент винтом 9. Доливают воду во внешний стакан и повторяют операции п.5, а при необходимости п.4.

7. Занести данные измерений в журнал (табл. 6.1). Определить значения К1 по таблице 6.2 или по уравнении.:

 

 

, где

 

Q - расход воды, равный 10 мл;

F – площадь поперечного сечения цилиндра, равная 25 см2;

I – напорный градиент;

τ = (0,7 + 0,003t) – температурная поправка;

864 – переводной коэффициент из см/с в м/сут.

 

 

рис. 6.1 Схематический разрез прибора КФ-00 для определения коэффициента фильтрации песчаных грунтов:

1 - мерный баллон; 2 - муфта; 3 и 6 -латунные сетки; 4 – фильтрационная трубка; 5 – упорное дно; 7 – внешний стакан; 8 – образец грунта; 9 – винт для вертикального перемещения фильтрационной трубки; 10 – шкала напорного градиента

 

Таблица 6,1

Результаты определения Кф песка

Номер опыта Напорный градиент Температура воды, С0 Время фильтрации Коэффициент К1 Примечания
1,0       А=25 см2
0,8       Q=10 см3
0,6       Кф=К1/t
          t-время фильтрации

 

 

Таблица 6,2

Величина К1 для определения Кф песков

№№ t0C I = 0.6 I = 0.8 I = 1.0
576.0 432.0 345.6
559.2 419.3 335.5
543.3 407.5 325.9
520.4 396.3 317.0
514.3 384.8 308.6
500.9 375.6 300.4
488.1 366.1 292.9
476.0 359.8 285.6
464.5 348.3 278.6
453.4 340.1 272.1
443.0 332.3 265.8
433.1 324.8 259.8
423.5 317.6 254.1
441.3 310.3 248.6

 

Значение Кф принимается среднеарифметическим из всех опытов.

Примечание: Значения напорного градиента I рекомендуется принимать равным 1,0; 0,8 или 0,6 с целью использования данных табл. 6,2.

Коэффициент фильтрации песков можно вычислить по формуле:

, где - расход воды в мл; t – время в секундах.

 

Лабораторная работа № 7

Определение угла естественного откоса для песков.

 

Углом естественного откоса ψ для песков называется угол, под которым располагается свободно осыпавшийся песок. Под этим углом неукрепленный песчаный откос сохраняет предельное равновесие.

Рыхлые сыпучие пески, кроме пылеватых, глинистых, имеют угол естественного откоса ψ, который близок к их углу внутреннего трения ( в основном ψ‹φ). Угол ψ используется для назначения безопасных откосов без крепления при производстве земляных работ.

Определение величины ψ осуществляется на приборах типа УВТ – 2 (рис 7,1).

Необходимое оборудование: прибор УВТ – 2, совок, шпатель, фарфоровая ступка с резиновым пестиком.

 

Методика определения:

1. Образец песчаного грунта довести до воздушно-сухого состояния и методом квартования отобрать пробу массой около 1 кг.

2. Установить резервуар 2 прибора на ровную поверхность и в его центре поместить мерительный столик 4 с опорами 5 и центральной шкалой 1. На столик 4 надеть обойму 3, заполнить ее сверху отобранной пробой песка с легким постукиванием.

3. Взять большим и средним пальцами горловину обоймы, а указательный упереть в головку шкалы. Осторожно вертикально снять обойму. По вершине образовавшегося песчаного конуса взять отсчет на шкале в градусах и записать его в журнал лабораторных работ.

4. Повторить операции пп.2 и 3. Расхождения между полученными результатами не должно превышать 10. За величину ψ принять среднее арифметическое значение.

Прибор освободить от воды и грунта.

Примечание:

1. Для водонасыщенного песка значение ψ на 20…...30 меньше, чем для сухого.

2. Центральная мерная шкала имеет деления 5…45. Каждое деление соответствует 10 в угловом измерении.

 

рис. 6.1. Схематический разрез прибора УВТ-2 для определения угла естественного откоса песков:

1 – центральная шкала; 2 – резервуар; 3 – обойма; 4 - мерительный столик; 5 – опора; 6 – образец грунта.