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

Дав-ление, кПа Началь-ная высота напора Н, см Паде-ние напора У, см Вре-мя фильтра-ции t, с Дефор-мация образца δ, мм A= A0 х х((h-δ)/h) B( по табл.8.2) Кф= =(А∙В)/t∙τ), см/с Кф, м/сут
0,01565 0,28769 0,000192408 0,166
0,04 0,01562 0,28769 0,000138268 0,119
0,08 0,01559 0,28769 0,000076668 0,066
0,24 0,01546 0,28769 0,000043862 0,038
0,62 0,01516 0,28769 0,000028674 0,025
0,77 0,01505 0,28769 0,000019251 0,017

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;

τ - поправка на температуру, τ= 0,7+0,03 Т; Т - температура воды, ˚С; d - диаметр мерной трубки, см; D - диаметр образца, см; у - падение напора в см за время t, с.; Н - начальная высота напора, см.

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

Падение уровня воды у, см Величина коэффициента В при начальной высоте напора Н
0,03391 0,06899 0,10537 0,14311 0,18233 0,22315 0,26571 0,02532 0,05130 0,07790 0,10537 0,13354 0,16252 0,19233 0,02021 0,04083 0,06188 0,08339 0,10537 0,12784 0,15083 0,01681 0,03391 0,05130 0,06899 0,08701 0,10537 0,12405
0,31016 0,35668 0,40547 0,22315 0,25490 0,28769 0,17436 0,19846 0,22315 0,14311 0,16252 0,18233

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.

 


Оглавление

 

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