Гидродинамическое давление. Суффозия и кальматаж.

Гидродинамическим давлением называется давление движущейся воды на скелет грунта. По величине гидродинамическое давление равно сопротивлению движению воды, а по направлению — противоположно ему. Гидродинамическое давление является объемным и действует по направлению движения потока, т. е. По линии тока S.

Для определения интенсивности гидродинамического давления рассмотрим равновесие сил

 

рис 2.5 Схема для определения гидродинамического давления действующих на элементарную трубку тока

Пусть площадь поперечного сечения трубки тока постоянна и равна ω. В сечении m-m давление воды обозначим величиной Р. Тогда в сечении n-n давление будет равно Р+dP/dS*dS. Здесь под dS понимается длина трубки тока, а dP/dS*dS означает приращение давления жидкости на длине dS. Равнодействующие давлений в сечениях m-m и n-n обозначим через P₁ и P₂. Величина тормозящей силы, оказываемой грунтом на воду, очевидно будет равна F=F*ω*dS, где F- интенсивность тормозящей силы на единицу объема.

На воду, заполняющую поры, действует сила тяжести Р₃, равная

γ_w*ω*L/(1+L)*dS, где L/(1+L) — объем пор в единице объема грунта. Далее частицы грунта взвешиваются в воде.

Скелет грунта оказывает воздействие на воду величиной силы тяжести Р₄. Величина силы Р₄ равна Р₄₌γ_w/(1+L)*ω*dS, так как объем частиц грунта в еденице объема равен 1/(1+L)

Спроектируем все действующие силы на направление пути фильтрации:

Р*ω-[P+dP/dS*dS]* ω+F*ω*dS-L/(1+L)*γ_w* ω*dS*sinα-1/(1+L)*γ_w*ω*dS*sinα=0

(2.23)

Откуда получим F — гидродинамическое давление (интенсивность тормозящей силы), оно равно

F=dP/dS+γ_w*sinα (2.24)

или

F=γ_w*d/dS*[P/γ_w+z] (2.25)

так как sinα=dZ/dS

Поскольку P/γ_w+z есть величина напора Н, то оканчательное выражение для величины гидродинамического давления

F=γ_w*dН/dS (2.26)

Если напор фильтрации меняется по пути фильтрации линейно, то

F=γ_w*i (2.27)

где i=dH/dS – гидравлический градиент

Последнее выражение можно записать в виде

F=V_ф/k_ф*γ_w (2.28)

Очевидно, чем больше скорость фильтрации, тем больше гидравлическое давление и тем больше гидравлический градиент.

В практическом отношении, гидродинамическое давление имеет большое значение для устойчивости откосов земляных масс, прочности грунтов, взвешивания части сооружения, расположенной ниже уровня грунтовых вод. При этом грунт находится в водонасыщенном состоянии и на него действует гидростатическое давление, равное весу вытесненной воды, т. е. Грунт становится легче. Удельный вес взвешенного в воде грунта

γ_sb=(γ_s-γ_w)/1+L

Если F>γ_sb, то частицы грунта могут перемещаться, т. е. Образуется гидродинамический (или фильтрационный) выпор. Для равновесия необходимо, чтобы F=γ_sb или γ_w*i=γ_sb. Гидравлический градиент, при котором возможен выпор, называется критическим градиентом напора I

i=γ_sb/γ_w (2.29)

При расчетах грунта на выпор вводится коэффициент запаса, чтобы не было выпора от гидродинамического давления, тогда

i=γ_sb/γ_wk (2.30)

где k — коэффициент запаса, принимаемый >1

Движение воды может приводить к процессам, осложняющим строительство суффозии и кальматации грунта.

Суффозия заключается в вымывании частиц грунта движущимся потоком воды.

Кальматация — это отложение мелких частиц вблизи открытой поверхности, вызывающее уменьшение пористости и снижение водонепроницаемости.