2.1. Фильтрация в грунтах

Причины передвижения воды в грунтах

Под водопроницаемостью понимают способность грунта про­пускать через себя воду. Вода в порах грунта (пустотах) мо­жет передвигаться под влиянием следующих причин:

1) силы тяжести, обуславливающей гравитационное пере­движение воды;

2) внешнего давления, приложенного к сжимаемому грунту;

3) капиллярных сил, развивающихся при наличии поверхнос­ти раздела вода-воздух;

4) адсорбционных сил, развивающихся не поверхности раз­дела твердых частиц и воды;

5) капиллярно-осмотических сил, обусловленных различной концентрацией растворенных в воде веществ;

6) электрического тока, вызывающего электроосмотические явления;

7) температурных градиентов, вызывающих конвекционные токи, термоосмос и термокапиллярное движение;

8) испарения;

9) промерзания грунтов;

10) давления газов и паров.

Нас будет интересовать главным образом передвижение грави­тационной воды, обусловленное напором.

Закон Дарси и пределы его применимости

Опытами установлено, что движение воды в грунтах, начи­ная со среднезернистых песков, практически можно рассматри­вать как параллельно-струйное, медленное, т.е. ламинарное.

Для этого случая справедлива зависимость (рис.9);

V=kJt ,

где V - объем воды, прошедшей через грунт за время t;

 - площадь поперечного сечения грунта (минераль­ная часть плюс поры)., выбранная перпендикулярно направлению движения воды;

J=H/L — градиент напора Н , определяемый разностью пьезометрических высот H₁– H₂ отнесенной к длине пути фильтрации L ;

k - некоторый коэффициент пропорциональности.

Определяя скорость фильтрации как объем, деленный на

площади сечения и время, получим выражение для скорости

фильтрации:

U=kJ

Здесь k - коэффициент фильтрации.

Слив воды

.

Рис. 14. Схема установки для исследования фильтрации песчаных грун­тов: 1 – стеклянная емкость для воды; 2 – обойма; 3 – рабочий цилиндр;

4 – внутренний стакан; 5 – съемный проницаемый поддон; 6 – сетчатое дно; 7 – наружный стакан; 8 – поддон для слива воды

Из этого выражения которое называется законом Дарси, cледует, что коэффициент фильтрации есть скорость фильтрации при градиенте, равном единице. Ниже приводятся примерные значений величин коэффициентов фильтрации для различных грунтов:

Пески - 10^-2 – 10^-4 см/сек (в среднем 100 м/год).

Супеси - 10^-3 – 10^-6 см/сек (1 м/год).

Суглинки - 10^-5 – 10^-8 см/сек (1 cм/год).

Глины - 10^-7 – 10^-10 см/сек (0,01 см/год).

Необходимо различать фиктивную скорость фильтрации U и фактическую скоростью движения воды V (среднюю). Несколь­ку в грунтах вода передвигается только по порам, величина скорости фильтрации должна быть меньше средней скорости дви­жения воды. Можно показать, что для песчаных грунтов спра­ведлива зависимость:

U=nV,

где n – пористость грунта в долях от единицы;

Для глинистых грунтов такого рассуждения провести нельзя, так как в них большая часть объема пор занята поверхностно

связанной водой, которая неподвижна. Поэтому "пористость" с точки зрения фильтрационной способности грунта оказыва­ется значительно меньше. Этим и объясняется существенная разница в коэффициентах фильтрации для песчаных и глинис­тых грунтов. Иногда все поры глинистого грунта могут быть заняты связанной водой. Тогда фильтрации вообще не должно быть. Однако известно, что связанную воду, а точнее, внеш­нюю, наименее связанную часть, можно заставить передвигать­ся, прикладывая к ней нагрузку. Градиент тоже есть своего рода нагрузка. Характер фильтрации в этом случае будет дру­гим (рис.15), т.е. процесс фильтрации начнется при каком-то значении градиента, называемого начальным. Наличие начального градиента J_H можно объяснить повышенной вязкостью связанной воды, что доказывает уменьшение величины J_H при длительной действии.

Рис. 15. Зависимость скорости фильтрации воды от градиента в песчаных грунтах и глинистых грунтах с начальным градиентом фильтрации.

Способы определения коэффициента фильтрации

Коэффициент фильтрации можно определить как в полевых условиях, так и в лабораторных.