Водопроницаемость грунтов

В строительстве фильтрационные свойства грунта (его водопроницаемость) связаны:

• С инженерными задачами (фильтрация берегов в результате строительства плотин).
• С вопросами временного понижения уровня грунтовых вод (У.Г.В.) для осушения котлованов.

Для определения коэффициента фильтрации песчаных грунтов рассмотрим схему прибора, используемого в условиях лаборатории.

Схема лабораторного метода определения коэффициента пористости песчаного грунта.

Лабораторный прибор для определения фильтрационных свойств грунтов представляет собой сосуд с пористым днищем (см. схему), в который помещается песок. Сверху заливается вода и измеряется ее расход (фильтрация через образец песка) с различными интервалами времени.

Из законов гидравлики известно, что движение воды в грунтах в основном является ламинарным и подчиняется закону "Дарси", при этом количество профильтровавшей воды θ может быть определено следующим выражением:

Количество профильтровавшейся воды прямо пропорционально зависит от: времени фильтрации, площади, коэффициента фильтрации и гидравлического градиента.

Обозначения принятые в формуле:

• t – время;
• F – площадь;
• K_ф – коэффициент фильтрации;
• I – гидравлический градиент.

- определяется, как отношение напора (Н-Н₁) к пути фильтрации L.

Введем понятие скорости фильтрации, как количество профильтровавшийся жидкости в единицу времени на единицу площади, или аналитически:

Зная скорость фильтрации, не трудно дать определение коэффициенту фильтрации:

K_ф – коэффициент фильтрации – это скорость фильтрации при I = 1 (см/сек; м/сут).

Коэффициент фильтрации для различных грунтов имеет значительный диапазон изменений, так средние значения K_ф для песков и глин может отличаться на несколько порядков (см. ниже).

K_{ф.песок} = n 10^–2 см/сек

K_{ф.глина} = n 10^–8 см/сек

Для глинистых грунтов в отличие от песков, фильтрация начинается только при определенном – начальном гидравлическом градиенте I_н (см. график)

Графики зависимости скорости фильтрации от гидравлического градиента для песчаного и глинистого грунтов.

Если в глинистом грунте создается гидравлический градиент меньше начальной величины, фильтрации в грунте нет и такой грунт является водоупором.

Фильтрационные характеристики грунтов используются при:

1. Расчёте дренажа.
2. Определении дебита источника подземного водоснабжения.
3. Расчёте осадок сооружений (оснований) во времени.
4. Искусственном понижение У.Г.В.
5. Расчёте шпунтового ограждения при откопке котлованов, траншей.

Рассмотрим в качестве примера откопку котлована в песчаном водонасыщенном грунте.

Для решения данной геотехнической задачи обычно используется шпунтовое ограждение, удерживающие стенки котлована в вертикальном состоянии. Шпунт не допускает проникновение воды в котлован через стенки, однако вода будет поступать в такой котлован в обход шпунта – через днище котлована (см. схему).

Количество поступающей воды в котлован можно уменьшить (обоснованно подобрать насос для водоотлива), только изменяя гидравлический градиент , в нашем случае он определиться выражением (см. обозначения на представленном рисунке).

Схема устройства котлована в водонасыщенном песчаном грунте, с использованием шпунтового ограждения.

Тогда из выражения может быть определена длина шпунта L, обеспечивающего минимальное поступление воды в котлован.

Другая геотехническая задача – определение возможности осадки возводимого сооружения на водонасыщенных глинистых грунтах. Под фундаментом возводимого сооружения возникает область напряженного состояния в которой, если гидравлический градиент превысит значение начального гидравлического градиента для данных грунтов I > I_н, то возникнет возможность фильтрации и будут развиваться осадки.

В случае значительных гидравлических градиентов в глинистом основании возникают условия развития фильтрации, а, следовательно, осадок данного сооружения.

Если образовавшийся гидравлический градиент не превысит значение начального гидравлического градиента для данных грунтов I < I_н, то фильтрации в грунте не произойдет, а, следовательно, не возникнет и осадка данного сооружения (используется теория фильтрационной консолидации).