Водопроницаемость грунтов.

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. 5.15,а);

вертикально вниз (рис. 5.15,6);

вертикально вверх (рис. 5.15,в).

Рис. 5.15. Схемы движения воды в фунтах: 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:

V = kfJAt, (5.29)

где kf — коэффициент фильтрации, см/с (м/сут); J — гидравлический градиент (уклон), равный потере напора на пути фильтрации:

(5.30)

где kƒ — площадь поперечного сечения трубки, м2;
t — продолжительность фильтрации, с.

Коэффициент фильтрации

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

Коэффициент фильтрации — это скорость фильтрации при гидравлическом градиенте, равном единице. Он широко используется в практике гидрогеологических расчетов, характеризует водопроницаемость грунтов, зависит от грануломефического 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. 5.5.

Таблица 5.5. Ориентировочные значения коэффициента фильтрации грунтов

Грунт	Коэффициент фильтрации kƒ, м/сут.
Галечниковый (чистый)
Гравийный (чистый)	От 100 до 200
Крупнообломочный с песчаным заполнителем	От 100 до 150
Песок: гравелистый крупный средней крупности мелкий пылеватый	От 50 до 100 От 25 до 75 От 10 до 25 От 2 до 10 От 0,1 до 2
Супесь	От 0,1 до 0,7
Суглинок	0,005 до 0,4
Глина	0,005
Торф: слаборазложившийся среднеразложившийся сильноразложившийся	От 1 до 4 От 0,15 до 1,0 От 0,01 до 0,15

Для хорошо фильтрующих грунтов (песков и супесей) коэффициент фильтрации определяют с помощью прибора (рис. 5.16), 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). Определив объем воды V, профильтровавшейся за время t, можно по формуле

(5.31)

Зависимость скорости фильтрации (Vƒ) от гидравлического фадиента, характеризующего водопроницаемость фунтов, носит название закона ламинарной фильтрации. Математическое выражение этого закона, предложенное Дарси, имеет вид

(5.32)

Рис. 5.16. Схема установки для определения коэффициента фильтрации

Формулируется закон ламинарной фильтрации следующим образом: скорость движения (фильтрации) воды в грунте прямо пропорциональна гидравлическому градиенту.
Фильтрация воды в вязких глинистых грунтах имеет свои особенности, связанные с малыми размерами пор и вязким сопротивлением водноколлоидных пленок, обволакивающих минеральные частицы грунтов.

Движение (фильтрация) воды в глинистых грунтах, в отличие от песчаных (рис. 5.17, кривая а), начинается лишь при достижении некоторого градиента напора (см. рис. 5.17, кривая б), преодолевающего внутреннее сопротивление движения воды.

Рис. 5.17. Зависимость скорости фильтрации в грунте от гидравлического градиента

Для кривой (б) различают три участка:

I — начальный (0—1), когда скорость фильтрации практически равна нулю (Vf = 0);
II — переходный (1—2) криволинейный участок;
III — прямолинейный (2—3), характеризующий процесс установившейся фильтрации.

Таким образом, в глинистых грунтах, особенно в плотных, при относительно небольших значениях градиента напора фильтрация может не возникать (участок 0—1, кривая б). Увеличение градиента напора приведет к постепенному, очень медленному развитию фильтрации (участок 1—2). Наконец, при некоторых значениях гидравлического градиента устанавливается постоянный режим (участок 2—3).

Напорный градиент, до достижения которого фильтрация в грунте не наблюдается, называется начальным градиентом (J'0).
Во многих случаях исключают из рассмотрения участок 0—2 кривой «б» и закон ламинарной фильтрации для глинистых грунтов принимают в виде

(5.33)

где J'0 — начальный градиент напора, т.е. участок на оси J, отсекающий продолжение отрезка прямой 2—3 до пересечения с этой осью. Для песчаных грунтов фильтрация начинается сразу после передачи напора (рис. 5.17, кривая а).