Общие сведения о закономерности фильтрации воды в грунтах

Поры грунтов как дисперсных тел образуют непрерывные ходы по которым может перемещаться несвязанная вода под действием разности напоров. Перемещение воды в поровом пространстве под действием разности напоров получило название фильтрации. Показатели фильтрации зависят от крупности зерен скелета грунта, плотности сложения, наличия связанной воды, от величины действующего напора ( ). В большинстве задач по механике грунтов в строительной практике характеризуются плавным ламинарным движением без пересечения струй и создания зон завихрений.

В сыпучих грунтах при связанная вода практически отсутствует, фильтрация воды начинается при создание гидравлического градиента

Скорость фильтрации зависит от крупности зерен породы, составляющих скелет грунта, плотности его сложения и изменяется пропорционально градиенту напора.

к_ф – коэффициент фильтрации, скорость фильтрации при i=1;

Рис. 7.1 зависимость изменения скорости фильтрации для сыпучих грунтов.

1,2,3 –грунты отличающиеся по крупности

D₁<D₂<D₃ (D- показатель дисперсности)

или по плотности сложения e₁>e₂>e₃

Орентировочные значения коэффициентов фильтрации сыпучих грунтов:

Таблица 7.1.

Наименование грунта	кф м/сут(см/сек)
-Галечник крупный чистый (без заполнителя) -Гравий чистый -Песок гравелистый -Песок крупнозернистый -Песок среднезернистый -Песок мелкозернистый -Песок пылеватый	200÷500(0,23÷0,58) 100÷200(0,115÷0,23) 50÷100(0,058÷0,115) 20÷75(0,023÷0,087) 5÷20(0,006÷0,023) 1÷5(0,001÷0,006) 0,5÷1(0,0005÷0,001)

В глинистых грунтах пленки связанной воды перекрывают поры и затрудняют фильтрацию воды, чем плотнее водно-колойдные пленки обволакивают скелет грунта, тем большее сопротивление они оказывают напорному движению воды.

Фильтрация воды в глинистых грунтах начинается при достижении некоторой величины градиента напора, получившего название начального (i₀).

Рис. 7.2. Зависимость скорости фильтрации от градиента напора для глинистого грунта.

Участок 2-3 установившаяся фильтрация

Ориентировочное значение коэффициентов фильтрации глинистых грунтов:

Таблица 7.2.

Наименование грунта	кф ,м/сут(см/сек)
Супеси Суглинки Глины	0,1÷0,7(1,1÷8,1 ) 0,05÷0,005(5,8 ÷5,8 ) <0,001(1,1 )

Сопоставление ориентировочных показателей коэффициента фильтрации для разных по связности грунтов показывает, что глинистые грунты значительно менее водопроницаемы. Грунты с коэффициентом фильтрации к_ф≤1 см/сек являются водонепроницаемыми. Для практических расчетов водоупорами принято считать грунты с к_ф≤1 см/сек.

При обжатии водонасыщенных грунтов влияние давления их уплотнения возможно только в процессе выдавливания воды из порового пространства, которое будет проходить под действием давлений создаваемых на неё. Таким образом в процессе уплотнения часть внешних давлений передается на воду, другая часть на скелет грунта. Давления в поровой воде получили название нейтральных, давления воспринимаемые скелетом грунта – эффективных. В процессе уплотнения поровое давления уменьшается, а эффективные растут. После окончания уплотнения внешние давления воспринимаются скелетом грунта, нейтральные давления равны 0.

Процесс уплотнения грунта по мере фильтрации воды из его порового пространства получил название фильтрационной консолидации. В процессе уплотнения грунта в условиях одномерного обжатия изменение объема порового пространства определяется законом уплотнения, а изменение расхода воды выдавленной из пор определяется законом фильтрации.

Рис 7.3. Эпюры распределения давлений в скелете грунта (Р_z) и в поровой воде ( ) в водонасыщенном слое грунта в условиях односторонней фильтрации выдавливаемой воды в разные промежутки времени (t_i).

Из схемы изменения давлений в скелете грунта и поровой воды (Рис 7.3), очевидно, что в начальный момент времени бóльшая доля внешней нагрузки передавалась через поровую воду, в процессе её выдавливания увеличивается доля нагрузки воспринимаемая скелетом грунта, при этом осадка поверхности слоя (S_ti) постепенно увеличивается.

Доля давлений в поровой воде и интенсивность его снижения будет различной в разных грунтах. При полной передаче внешних нагрузок на скелет грунта достигается стабилизация деформаций, осадка поверхности слоя достигает конечной величины S. Отношение величины осадки (S_t) за период времени t к конечной осадке характеризует степень консолидации грунта

Зависимость изменения коэффициента консолидации во времени называется кривой консолидации и отличается для каждого вида грунта и его состояния. Особенности развития уплотнения и фильтрационного движения выдавливаемой воды в разных грунтах характеризуется коэффициентом консолидации:

где - коэффициент относительной сжимаемости.

При ≤10⁷ см²/год в грунтах может создаваться нестабилизированное состояние в процессе уплотнения из-за избыточного давления в поровой воде.

Степень фильтрационной консолидации грунта является функцией фактора времени N и характера распределения давлений по глубине слоя грунта после стабилизации деформаций . Фактор времени определяется:

Где h – высота слоя грунта соответствующая пути фильтрации выдавливаемой воды при уплотнении грунта. Для условий односторонней фильтрации (рис 7.3) ; Если в этой задаче обеспечить дренирующий слой над подошвой уплотняемого слоя то .

В практике строительства наиболее часто встречаются схемы распределения конечных величин уплотняющих давлений по глубине слоев грунта можно свести к 5 случаям.

Рис 7.5 Случаи распределения уплотняющих давлений по высоте

слоя для условий одномерной задачи.

Расчет коэффициентов консолидации грунта во времени выполняется в табличной форме:

Таблица 7.3

	Величина N для случаев		Величина N для случаев
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50	0,005 0,02 0,04 0,08 0,12 0,17 0,24 0,31 0,39 0,49	0,06 0,12 0,18 0,25 0,31 0,39 0,47 0,55 0,63 0,73	0,002 0,005 0,01 0,02 0,04 0,06 0,09 0,,13 0,18 0,24	0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00	0,59 0,71 0,84 1,00 1,18 1,40 1,69 2,09 2,80 ∞	0,84 0,95 1,10 1,24 1,42 1,64 1,93 2,35 3,17 ∞	0,32 0,42 0,54 0,69 0,88 1,08 1,36 1,77 2,54 ∞

Таблица 7.4

Случай 0-1			0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
К		0,84	0,69	0,56	0,46	0,36	0,27	0,19	0,12	0,06
Случай 0-2			1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	5,0	7,0
К’		0,83	0,71	0,62	0,55	0,50	0,45	0,39	0,30	0,23	0,13

Расчет времени консолидации грунта до требуемого уровня осуществляется путем задания степени консолидации по величине которой определяется величина соответствующего N_t, далее при известной высоте слоя грунта и схеме фильтрации выдавливаемой воды определяется , при известной величине коэффициента консолидации определяют время достижения заданной степени консолидации.

Показатели консолидации водонасыщенных грунтов могут быть получены по результатам компрессионных испытаний путем измерения деформаций грунта во времени на каждой ступени нагрузки. При этом фильтрация воды обеспечивается в две стороны поэтому . По результатам компрессионных испытаний образцов грунта можно прогнозировать время консолидации слоя грунта:

- время достижения заданного уровня консолидации грунта ( ) в условиях компрессионных испытаний в слое грунта;

- расчетная высота образца грунта и слоя грунта.

В условиях реальных строительных площадок скорость уплотнения глинистых грунтов в твердом, полутвердом, туго пластичном состоянии, в особенности не полностью водонасышенных в значительной мере определяется их вязким сопротивлением. В таких условиях время консолидации грунта по данным лабораторных испытаний его образцов может быть определено из зависимостей:

где n – показатель консолидации грунта ≤2; -время консолидации образцов грунта высотой .