Водопроницаемость грунтов. Законы движения воды в грунте

Экспериментальными исследованиями (Пуазейля, Дарси, Павловского) доказано, что в грунтах можно применять закон ламинарной фильтрации, несмотря на их зернистую структуру (если линии токов воды – движения частиц воды – потоки нигде не пересекаются, это ламинарное движение, при наличии пересечений и завихрений – движение будет турбулентным).

Закон Дарси Закон ламинарной фильтрации или закон Дарси (Дарси, 1885) записывается виде:

где υ_ф – скорость фильтрации (см/сек, см/год и т. п.);

К_ф – коэффициент фильтрации (см/сек, см/год и т. п.);

I – гидравлический градиент (уклон) – это отношение потери напора (Н₁ – Н₂) к длине пути фильтрации L;

Н= Н₁ - Н₂ – действующий напор.

Формулировка закона Дарси: Расход воды в единицу времени через единицу площади поперечного сечения грунта, или так называемая скорость фильтрации υ_ф, прямо пропорционально гидравлическому градиенту I.

В механике грунтов движение воды изучается, главным образом, при действии напоров, вызываемых в поровой воде внешней нагрузкой, которая также выражается высотой столба воды, пользуясь зависимостью:

где γ_ω=10 кН/м³ – удельный вес воды.

Например:

Внешней нагрузке (давлению) P_ω=15 кН/м² ( ≈ 0,15 МПа) соответствует действующий напор, равный

Важным показателем при расчете осадок во времени является коэффициент К_ф фильтрации.

Он сильно различается для разных грунтов:

песок - К_ф≈10^-1…10^-4 см/с

супеси - К_ф≈10^-3…10^-6 см/с

суглинки - К_ф≈10^-5…10^-8 см/с

глины - К_ф≈10^-7…10^-10 см/с

1см/сек = 3·10⁷см/год.

К_ф определяется в лабораторных условиях с помощью специальных приборов (компрессинно-фильтрационные приборы Ф-1, трубки Спецгео и др.), в полевых условиях – путем откачек воды из скважин или путем нагнетания воды в скважины. Для приближенной оценки используются специальные таблицы, эмпирические формулы, связывающие К_ф с гранулометрическим составом, пористостью, однородностью и т.д.

У большинства глинистых грунтов К_ф лежит в пределах 0,1…0,001м/сутки, но у некоторых видов глин он может быть и меньше 0,001м/сутки. У крупных и средних песков (не заиленных) он обычно составляет 10…100м/сутки.

В глинистых грунтах из-за наличия связной воды и замкнутых пор фильтрация воды становиться возможной лишь при гидравлических градиентах превышающих некоторую величину, называемою «начальным градиентом» I_н (рис.3.12.1). Практически это означает, что при малых градиентах (I < I_н) глинистый грунт ведет себя как полностью водонепроницаемый материал.

зависимость скорости фильтрации от гидравлического градиента

Начальный градиент зависит примерно от тех же факторов, что и коэффициент фильтрации, т.е. гранулометрического состава, пористости, размеров, физико-химической активности глинистых частиц и т.д.

Все природные грунты водопроницаемы. Понятие «водоупор» – условность, под ним подразумевают пласт грунта достаточной мощности, с низ ким коэффициентом фильтрации. Четких критериев для идентификации водоупора действующие нормы не устанавливают. Решения, принимаемые по этому вопросу, могут зависеть от условий конкретной задачи. Чаще всего за водоупор принимают пласт грунта с коэффициентом фильтрации 0,01…0,001 м/сутки, толщиной более 5м.