Фильтрационные свойства грунтов

Фильтрационные свойства грунтов

Способность грунтов пропускать сквозь себя воду называется водопроницаемостью. Водопроницаемость дисперсных (нескальных) грунтов обусловлена наличием в грунте пор, сообщающихся между собой и образующих поровые каналы. Водопроницаемость скальных грунтов обусловлена в основном наличием пересекающихся трещин, образующих систему каналов. Движение свободной воды по этим каналам называется фильтрацией.

Для проведения фильтрационных расчетов вводят понятия скорости фильтрации u, определяемой как расход Q воды через единицу площади геометрического сечения грунта, т.е.

и = , (2.11)

где А – суммарная площадь сечения, включающая площадь сечения пор Ап и твердых части Ат, А = Ап + Ат. В действительности вода движется по поровым каналам и действительная средняя скорость ее движения ū = Q/Ап.

Первые опыты были выполнены Дарси в 1854 г., исследовавшим фильтрацию воды через песок. Полученная экспериментальная зависимость для скорости u получила название формулы (закона) Дарси и в последующем была распространена на глинистые грунты.

Для схемы фильтрации на рис. 2.24 формула Дарси имеет вид

ифkФI, (2.12)

т.е. скорость фильтрации u пропорциональна разности напоров ΔН и обратно пропорциональна длине пути фильтрации Δs или u пропорциональна градиенту напора I. В теории фильтрации принимается, что напор определяется зависимостью (поскольку u2/2g 0):

H = z + р/γв ,

где р – давление в воде, имеющей удельный вес γв; z – высота точки потока над плоскостью сравнения 0 – 0 (рис. 2.24).

В дифференциальной форме закон Дарси имеет вид

u=-кф, (2.13) причем знак минус указывает на направление движения воды в сторону уменьшающихся напоров. Коэффициент пропорциональности kф в зависимостях (2.12, 2.13) называют коэффициентом фильтрации. Он численно равен скорости фильтрации (см/с, м/сут) при градиенте напора I = 1.

Рис. 2.24. Схема испытания грунта на фильтрацию

Лабораторное определение kф выполняется по нескольким схемам и на приборах различной конструкции. В лабораториях гидравлики, механики грунтов широко используются приборы и методики испытаний, в которых при определении kф не учитывается и не предусматривается создание внешнего давления на грунт. К ним относятся способы определения kф несвязных грунтов в приборах Дарси (рис. 2.24), Тима, трубке Каменского и др. .

Коэффициент фильтрации дисперсных грунтов меняется в широком диапазоне и определяется грансоставом грунта. Если для песков kф = = 10-1…10-3 см/с, то для глин он снижается до 10-9 см/с. С увеличением плотности грунта коэффициент фильтрации уменьшается, причем в глинистых грунтах значительно. В песчаных грунтах на его величину влияет форма частиц: окатанные пески более водопроницаемые, чем пески с угловатыми частицами. На проницаемость грунта существенно могут влиять процессы растворения или выделения газа при увеличении или уменьшении давления в поровой воде.

В скальных грунтах на величину kф существенно влияет трещиноватость грунта (см. раздел 2.5) и степень заполнения трещин дисперсным грунтом – продуктом выветривания скального грунта.

Зависимость Дарси имеет верхний и нижний пределы ее применимости. Верхний предел определяется нарушением линейной зависимости между u и I и оценивается числом Рейнольдса Re. Закон Дарси применим, если Re < 7…9, что обычно бывает выполнено в случае глинистых и песчано-гравийных грунтов, в крупнозернистых грунтах (например, в каменной наброске) закон Дарси нарушается.

Нижний предел применимости закона Дарси устанавливается существованием у грунта начального градиента напора i0, определяющего отсутствие фильтрации при действующих градиентах I < i0.

В случае применимости закона Дарси график u = u(I) представлен прямой 1 (рис. 2.25), выходящей из начала координат.

Рис. 2.25. Зависимости скорости фильтрации от градиента:

1 — по закону Дарси; 2, 3 — с учетом начальногоградиента

напора для глинистого грунта средней и большой плотности;

4 — с учетом нелинейной зависимости u от I.

Опыты с плотными глинами показали, что экспериментальные точки располагаются на прямых (прямые 2 и 3 для глины разной плотности), при продолжении которых на оси абсцисс отсекается отрезок, определяющий величину начального градиента i0. При этом считается, что при I = < i0, скорость фильтрации u = 0, т.е. фильтрации нет. Если I > i0, то вместо зависимости Дарси (2.13) принимают зависимость

u = -кф.

Существование начального градиента обычно объясняют наличием у глинистого грунта пленок связанной воды, образующей «пробки», препятствующие движению свободной воды по порам. Предполагается, что при I ≥ i0 происходит разрушение этих «пробок» и начинается фильтрация. В случае, если градиент I снижается до I ≤ i0 пленки-пробки восстанавливаются и фильтрация прекращается. В ряде опытов не подтвердилось наличие начального градиента – были получены графики, близкие к кривой 4-2 на рис. 2.25. С учетом этих результатов высказываются сомнения в существовании i0 и предполагается, что зависимость u = u(I) асимптотически приближается к оси абсцисс по точечной кривой 4 и приходит в точку I = 0. Однако, и на точечной кривой 4 условие применимости закона Дарси не выполняется.

Электроосмотическая фильтрация.

При пропускании через глинистый водонасыщенный грунт постоянного электрического тока возникает движение поровой воды в сторону отрицательного электрода – электроосмотическая фильтрация (электроосмос) или электрофильтрация. Это явление было открыто в 1908г. проф.Ф.Рейсом.

Экспериментально было установлено, что скорость электрофильтра-ции uэф =(см/с) может быть определена по зависимости, аналогичной записи зависимости Дарси, т.е.

uэф= — кэф,

где kэф – коэффициент электрофильтрации ( ), — градиент напряжения электрического тока ( ).

Электрофильтрация по (2.14) объясняется движением к отрицательному электроду катионов, входящих в состав рыхлосвязанной воды (см. рис. 1.2), которые переносят на себе гидратные (водные) оболочки и одновременно увлекают за собой свободную воду. Наибольшего эффекта электрофильтрация достигает в глинистых грантах, в песках ее практически нет.

Явления электроосмоса применяются для уменьшения влажности глинистых грунтов. С этой целью в грунт забивают металлические стержни – положительные электроды, а расположенные на некотором расстоянии отрицательные электроды делают из металлических перфорированных труб, из которых откачивают интенсивно фильтрующуюся воду. В результате перехода в грунт ионов, входящих в состав положительного электрода (например, ионов железа и др.), может происходить образование нерастворимых солей, которые закрепляют структуру грунта (электроосмотическое закрепление грунта). Используют электроосмос для облегчения погружения в грунт металлических шпунтов и свай путем подключения их к отрицательному полюсу и в результате этого образования слоя воды – «смазки» на контакте металла с грунтом.

Суффозионные процессы в грунтах.

Под воздействием фильтрационного потока мелкие частицы грунта могут перемещаться по порам, образованным более крупными частицами. Такое процесс называется механической суффозией грунта в отличие от химической суффозии, когда вода растворяет химические элементы (соединения) и выносит их из грунта. Обратный суффозии процесс – кольматация, когда перемещаемые потоком мелкие частицы останавливаются в какой-либо области грунтового массива, закупоривая поры грунта. Различают механическую суффозию внутреннюю и внешнюю.

При внутренней суффозии мелкие частицы, перемещаясь потоком, либо выносятся на поверхность, либо останавливаются в какой-либо зоне массива грунта, кольматируя его. В зоне суффозии пористость грунта возрастает, что может быть причиной дополнительных деформаций (осадки) оснований.

В случае внешней суффозии выносятся частицы поверхностного слоя грунта. В результате пористость поверхностной зоны увеличивается, и суффозия распространяется в глубь массива.

Механическая внутренняя суффозия характерна для песчаных и крупнообломочных грунтов и может наблюдаться только в разнозернистых грунтах. В однородных грунтах внутренняя суффозия невозможна. Наиболее подвержены суффозии несвязные грунты с коэффициентом неоднородности СU = d60/d10 > 10…20. Особой опасностью в отношении суффозии обладают грунты, в составе которых отсутствуют промежуточные фракции и поэтому имеющие на кривой однородности характерную «полку» (см. рис. 1.1, кривая 3).

В случае суффозионного грунта воздействие фильтрационного потока оказывается в состоянии вырвать из скелета грунта слабо защемленную частицу, а характеристики потока и размеры пор таковы, что она перемещается фильтрационным взвесенесущим потоком по массиву грунта. Понятие суффозионного грунта является относительным: при сравнительно больших напряжениях и малых градиентах тот же грунт может оказаться несуффозионным. С увеличением плотности сложения грунта возможность суффозии уменьшается.

Кольматация также может быть внутренняя и внешняя. При внешней, поверхностной кольматации, иногда называемой заилением, мелкие, например, глинистые или пылеватые частицы задерживаются только в самых поверхностных слоях грунта и создают маловодопроницаемую пленку. Это явление используется для уменьшения фильтрации воды из каналов. Кольматация же дренажных устройств постепенно выводит их из строя.

Оценка суффозионности грунтов и исследования их кольматации в зависимости от градиентов напора, скоростей фильтрации, напряженного состояния скелета грунта проводятся в основном экспериментальным путем в больших фильтрационных приборах – трубах. При этом фиксируется в фильтрате наличие твердых частиц и изменение их количества в процессе фильтрации.

Пути борьбы с суффозией и кольматацией следующие: 1) снижение градиентов напора до значений, при которых нет перемещения частиц; 2) использование так называемых обратных фильтров, состоящих из нескольких слоев грунта (материала), подобранных так, чтобы мелкие частицы какого-либо слоя не могли проходить в поры соседнего слоя; 3) уплотнение грунта и увеличение в нем сжимающих напряжений.

Оценка деформаций засоленного грунта при химической суффозии в компрессионно-фильтрационном приборе рассмотрена в разделе 2.1.

ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВ

Характеристикой степени водопроницаемости грунта является коэффициент фильтрации, представляющий собой скорость фильтрации при градиенте напора, равном единице. Скорость фильтрации воды в мелкозернистых грунтах v, м/сут характеризуется законом Дарси:

(1)

где – коэффициент фильтрации, м/сут; I – градиент напора при разности напоров D H (м) и длине пути фильтрации l (м).

Коэффициент фильтрации определяется в лабораторных условиях в фильтрационных приборах и в полевых условиях с помощью опытных откачек, нагнетаний и наливов.

Методы определения рассмотрены в пособии /2/.

Таблица 3.1.

Ориентировочные значения коэффициента фильтрации

некоторых грунтов

№ пп Наименование грунта Коэффициент фильтрации, м / сут
Гравийный 100 – 200
Крупнообломочный с песчаным заполнителем 100 – 150
Щебень 50 – 100
Гравийно-галечниковый 10 – 100
Песчано-гравийный 50 – 100
Песок крупный 25 – 75
Песок средней крупности 10 – 25
Песок мелкий 2 – 10
Песок пылеватый 0,1 – 2
Супесь 0,1 – 0,7
Суглинок 0,005 – 0,4

Таблица 3.2.

Ориентировочные значения коэффициента фильтрации

массива намывных отходов

№ пп Наименование грунта Коэффициент фильтрации, м / сут
Шламы прудковая зона 0,017 –0,22
пляжная зона 1,2 – 1,8
Хвосты прудковая зона 2,5 – 3,5
пляжная зона 4,0 – 6,0
Зола прудковая зона 0,1 – 0,3
пляжная зона 0,5 – 1,0

Рисунок 1 – Расчетная схема. Вариант 1

Рисунок 2 – Расчетная схема. Вариант 2

Рисунок 3 – Расчетная схема. Вариант 3-1

Рисунок 4 – Расчетная схема. Вариант 3-2

Рисунок 5 – Расчетная схема. Вариант 4

5. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ФИЛЬТРАЦИОННЫМ РАСЧЕТАМ (общие положения)

Фильтрационные расчеты выполняются при параметрах накопителя, указанных в задании на проектирование: назначение, тип и основные размеры накопителя; отметка воды в отстойном пруде; варианты ограждающей дамбы, противофильтрационных и дренажных элементов; инженерно-геологические условия площадки; параметры массива отходов – ширина пляжа и толщина слоя донных отложений прудковой зоны; инженерно – гидрогеологические условия и внешние водоемы, фильтрационные характеристики грунтов основания, тела дамбы и массива складируемых отходов в пляжной и прудковой зонах, таблица 4.1.

В проекте и расчетах могут быть учтены дополнительные факторы, задаваемые индивидуально для реального объекта (например, данные, полученные на производственной практике и используемые далее в дипломном проектировании, или параметры, рекомендуемые заказчиком конкретного сооружения).

Исходные данные, необходимые для проектирования и расчетов, принимаются по проектному заданию (табл. 4.1.).

Предварительно построенные на миллиметровке в масштабе 1:50 или 1:100 расчетные схемы (Рис. 1-5), характеристики грунтов и другие исходные данные необходимо согласовать с руководителем проекта до выполнения расчетов и дальнейших построений.

В первом разделе проекта расчеты выполняются по формулам пособия /1/. При этом для неоднородного основания, сложенного несколькими слоями проницаемых грунтов, принимаем осредненный коэффициент фильтрации, определяемый по пособию /2/. Цель этих расчетов – построение кривой депрессии фильтрационного потока в теле дамбы и ее основании и оценка фильтрационных потерь из накопителя при различных схемах подземного контура. В этомразделе не требуется точное графическое построение эквипотенциалей и линий токов; результаты расчетов рассматриваются как ориентировочные. Отметим, что эти результаты не всегда совпадают с более точными расчетами, выполняемыми численным методом.

Во втором разделе проекта выполняется основной объем расчетов, необходимых для обоснования наиболее экологически приемлемого варианта сооружения. Эти расчеты выполняются с использованием вычислительного моделирования фильтрационной задачи в плоско-вертикальной постановке. Алгоритм и программа расчета основаны на методе конечных разностей, в соответствии с которым на математической модели сплошной грунтовый массив области фильтрации рассматривается как дискретный, разделенный на определенное количество расчетных блоков. Методические рекомендации по выполнению данного цикла расчетов приведены ниже, в гл 7.

В результате должны быть построены полные гидродинамические сетки (Рис. 6-9) с соблюдением следующих закономерностей: ортогональность во всех пересечениях линий тока с эквипотенциалями; ортогональность в пересечениях линий тока с проницаемой поверхностью дна отстойного пруда, внешнего дренажного канала или другого водоема, рассматриваемого как область стока. При этом положение кривой депрессии и участка высачивания определяется как в пределах профиля дамбы, так и ниже, до боковой проницаемой границы области фильтрации, на которой должно быть задано боковое граничное условие (БГУ), определяемое наблюдениями во внешней скважине, расположенной на контуре зоны гидродинамического влияния накопителя.

Рисунок 6 – Результаты расчета. Накопитель без дренажа

Рисунок 7 – Результаты расчета. Накопитель с внутренним дренажом

Рисунок 8 – Результаты расчета. Накопитель с внешним дренажом

Рисунок 9 – Результаты расчета. Накопитель, максимально заполненный водой и отходами

Кривая депрессии и эквипотенциали строятся в процессе математического моделирования, а линии тока – графически, т.е. используется графо-аналитический метод.

По сеткам с использованием известных положений основного закона фильтрации (пособие /2/) определяются:

· расход q, высачивающийся на поверхность низового откоса дамбы и на поверхность основания при отсутствии или отказе дренажа;

· расход q1, поступающий во внутренний или внешний дренаж, направляемый из него в бассейн осветленных и дренажных вод (БОВ) и затем возвращаемый в систему гидротранспорта отходов предприятия ( принимаем, что этот расход не участвует в загрязнении подземных и поверхностных вод).

· расход q2, проходящий транзитом по проницаемому основанию дамбы и определяющий загрязнение подземных и поверхностных вод (при высачивании во внешний водоем, расположенный в нижнем бьефе дамбы);

Фильтрационные расчеты завершаются сравнительным анализом рассмотренных вариантов. В анализе сравниваются:

· положение кривой депрессии;

· параметры участка высачивания;

· расходы потока, поступающего в дренаж, и транзитного потока;

· экранирующий эффект слоя намывных отложений отходов;

· другие факторы, определяющие уровень экологической безопасности объекта; например, формирование эффекта гидравлической завесы (пособие /1/).

Анализ завершается выводом противофильтрационной эффективности сравниваемых вариантов и рекомендациями по альтернативным техническим решениям, направленным на повышение экологической безопасности и эксплуатационной надежности данного объекта (эти решения предлагаются авторами без проведения дополнительных расчетов).

Фильтрационные свойства грунта

Водопроницаемость — способность грунтов пропускать сквозь себя воду. Она зависит от пористости грунтов, а для тугопластичных и полутвердых глин — также и от наличия начального градиента напора, лишь после преодоления которого начинается движение воды.

Скорость движения грунтовых вод зависит от размеров пор грунта, сопротивлений по пути фильтрации и величины действующих напоров. В грунтах в большинстве случаев движение воды ламинарное. Ламинарное движение воды происходит с тем большей скоростью, чем больше гидравлический градиент I:

I= (Н1-Н2) / L= ∆Н / L,(8.1)

где ∆H – падение напора, L – длина пути фильтрации.

Опытным путем установлено, что между скоростью фильтрации и гидравлическим градиентом существует зависимость (закон Дарси)

Vф= Кф ∙ I (м/сут), (8.2)

где Кф — коэффициент фильтрации. Его физический смысл — скорость фильтрации при гидравлическом градиенте, равном единице.

Объем воды Q, протекающий через водопроницаемое тело, пропорционален гидравлическому градиенту I, времени t и площади поперечного сечения тела А:

Q= Kф ∙ А ∙I ∙ t= Vф ∙ А ∙ t. (8.3)

Cкорость фильтрации Vф не есть действительная скорость движения воды в порах. Среднюю скорость движения воды V получим, разделив расход воды через единицу поперечного сечения грунта на площадь сечения пор, которая для единицы объема грунта равна пористости n =е/(1+е) (е — коэффициент пористости):

V= Vф / n= Vф ∙ ((1+е) / е). (8.4)

Графически закон Дарси имеет вид прямой линии (рис. 8.1).

В глинистых грунтах фильтрация воды начинается лишь при достижении градиентов напора некоторой начальной величины I0, т.е. начального градиента напора. Закон Дарси для глинистых грунтов

Vф= Кф ∙ (I-I0). (8.5)

Рис.8.1. Зависимость скорости фильтрации

от градиента напора

1. Методика испытаний

Испытания проводят на установке с переменным напором дистилированной воды — на компрессионно-фильтрационном приборе из полевой лаборатории ПЛЛ системы Литвинова (рис.8.2).

Рис.8.2. Схема компрессионно-фильтрационного

прибора системы Литвинова

На основание прибора 5 устанавливают грунтоотборную гильзу 6 с образцом 3, верхний направляющий цилиндр 7 и всю систему стягивают винтами. Воду наливают в воронку 9, мерная трубка 8 служит для измерения количества воды, прошедшей через образец. Воду отводят через резиновые трубки 2, на одной из которых имеется зажим 4. Для изменения плотности образца к нему через поршень 12 и рычажную систему 11 прикладывают нагрузку. Груз массой 1 кг, положенный на подвеску рычага, оказывает на образец давление 100 кПа. Деформацию образца измеряют индикатором часового типа 10.

На основание прибора 5 положить бумажный фильтр, установить гильзу 6 с образцом грунта 3, прикрыть его бумажным фильтром, установить направляющий цилиндр 7 с поршнем 12 и всю систему стянуть винтами. Места соединения гильзы с деталями 5 и 7 тщательно промазать пластилином. Воронку 9 установить в штативе на такой высоте, чтобы расстояние Н от верхней черты на мерной трубке 8 до оси верхней сливной трубки 2 равнялось 30, 40, 50 или 60 см. Образец насытить водой, наливая ее в воронку 9. Воздух, препятствующий поступлению воды в прибор, выпускают, открыв зажим 4. После удаления воздуха зажим 4 следует плотно закрыть.

К проведению опыта можно приступать только после того, как из верхней трубки 2 начнет вытекать вода.

С помощью секундомера замерить время (в секундах), в течение которого уровень воды в мерной трубке падает на у см. Величину у принимают в пределах от 1 до 10 см в зависимости от конкретных условий. Результаты записать в табл. 8.1.

2. Обработка результатов испытаний

Таблица 8.1. Результаты опыта

Не извлекая образца, опыт повторить, приложив к образцу давление 20, 50, 100, 200 и 300 кПа, что соответствует массе груза на подвеске рычага 0.2, 0.5, 1.0, 2.0 и 3.0 кг. Рычаг предварительно должен быть уравновешен. Время выдержки под нагрузкой 2 мин. Коэффициент фильтрации вычисляют по формуле Г.Н. Каменского

Кф= (h/t)∙(1/τ) ∙(d2/D2)∙(-1п(1-(у/Н))), см/с, (8.6)

где h — высота образца (путь фильтрации), см; t — время фильтрации, с;

Так как для данного прибора ряд величин постоянен, то формула упрощается и принимает вид

Кф= (А∙В) / (t ∙ τ), (8.7)

где А=А0 ∙ ((h0-δ) / h0); А0= (h0∙d2/D2= 0,01565.

В= -1n(1-у / Н) принимают по таблице в зависимости от значений у и Н, h0 — начальная высота образца 20 мм, δ — деформация образца, мм.

Таблица 8.2. Значения коэффициента В

Графическая зависимость Кф от давления Р представлена на рис. 8.3.

Рис.8.3. Графическая зависимость коэффициента фильтрации

от величины приложенного давления Р

Вопросы для самопроверки

1. Что понимают под водопроницаемостью грунта?

2. Какими причинами вызывается движение воды в грунтах?

3. Запишите закон Дарси и изобразите его графически.

4. Каков физический смысл коэффициента фильтрации?

5. Объясните физическую сущность начального градиента напора.

6. Поясните общий принцип определения коэффициента фильтрации.

7. Расскажите об устройстве фильтрационного прибора и изложите мето-дику проведения испытаний.

8. Какие другие приборы и методы определения коэффициента фильтра-ции вы знаете?

9. Как изменяется коэффициент фильтрации в зависимости от порис-тости?

10. Для чего нужно знать коэффициент фильтрации?

11. Решить задачи:

— На поверхность грунта приложено давление 100 кПа, при этом эффективное давление составило 70 кПа. Вычислить действующий в воде напор (в м. вод. ст.).

-Через образец сечением 40 см2 профильтровалось 80 см3 воды за 2 минуты при гидравлическом градиенте 5 м. вод. ст/м. Вычислить коэффициент фильтрации, скорость фильтрации.

-Для условий предыдущей задачи вычислить фактическую скорость движения воды в образце, если его пористость равна 0,25.

Предисловие……………………………………………………………………3

Лабораторная работа № 1. Определение физических
характеристик грунтов………………………………………………………………4

Лабораторная работа № 2. Гранулометрический состав
песчаного грунта…….……………………………………………………….….10

Лабораторная работа № 3. Характерные влажности
глинистого грунта…………………………………………………………..…16

Лабораторная работа № 4.Угол естественного откоса
песчаного грунта……………………………………………………………….19

Лабораторная работа № 5. Сопротивление грунта
сдвигу …………………………………………….……………………………………..…21

Лабораторная работа № 6. Компрессионные испытания
грунта…..……………………………………………………………………..…26

Лабораторная работа № 7. Исследование развития
деформации грунтов во времени……..……………………………………..…32

Лабораторная работа № 8. Фильтрационные свойства
грунта…………………………………………………………………………………..……….…..36

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *