Определение коэффициента фильтрации

Для хорошо фильтрующих грунтов k_f определяют с помощью прибора (рис. 7, а), состоящего из трубы длиной L, заполненной грунтом, и двух трубок – подводящей и отводящей воду. При разности напоров Н₂–Н₁ вода будет фильтроваться под действием градиента i. Определив объем воды в колбе V, профильтровавшейся за время t, можно найти

где А — площадь поперечного сечения образца грунта.

При пылевато-глинистых грунтах для определения коэффициента фильтрации приходится создавать большой напор. Тогда значение можно определять с помощью прибора конструкции Б. И. Далматова (рис. 7, б). В этом приборе образец грунта 5 помещается в кольцо 1, устанавливаемое на фильтрующее днище 6. Сверху располагается фильтрующий поршень 4. Вода поступает со значительным давлением под фильтрующее днище, проходит через образец грунта, заполняет пространство нал поршнем и выливается в колбу. Для ускорения процесса фильтрации камера над поршнем заранее заливается водой. Как установлено опытами, вследствие образующегося выпуклого мениска вода поступает в колбу периодически и сразу в относительно большом количестве. Для устранения мениска на уровне сливного отверстия устанавливается пластинка 3 с вырезом в месте отверстия. Это способствует капельному поступлению воды в колбу. Для исключения испарения воды прибор герметизируется завинчивающейся крышкой 2.

Рис. 7. Схемы установок для определения коэффициента фильтрации: а – песка; б – пылевато-глинистого грунта

Для предотвращения движения воды вдоль стенок кольца к фильтрующему поршню прикладывают внешнюю нагрузку, большую, чем структурная прочность грунта. Если это по каким-либо причинам нежелательно, берут образец, имеющий диаметр на 8...10 мм меньше внутреннего диаметра кольца, и зазор между грунтом и стенками кольца заполняют нефильтрующим вязким веществом.

С помощью такого прибора можно устанавливать коэффициент фильтрации суглинков и глин при k_f≤ 10^-9 см/с. Коэффициент фильтрации песков и супесей для расчета притока воды в котлованы рекомендуется определять в полевых условиях методом пробных откачек или путем налива воды в скважины.

Модель водонасыщенного грунта

Для лучшего понимания процесса уплотнения грунта во времени рассмотрим механическую модель грунтовой массы.

В стакан 1 (рис. 8) поставим пружину 5 и до ее верха нальем практически несжимаемую (не содержащую воздуха) воду 4. На поверхность воды и верх пружины поставим поршень 2 с отверстием малого диаметра и приложим к поршню нагрузку 3, создающую давление р.

В первый момент времени после загружения (при t = 0), пока несжимаемая вода не успела выйти из отверстия, поршень еще не переместился по вертикали. Следовательно, пружина не получила деформацию, и усилие в ней, отнесенное к единице площади поршня р_z, будет равна нулю ( р_z = 0). В воде же возникает давление р_w= р. Таким образом, в первый момент времени давление полностью передается на воду.

Рис. 8. Модель деформации во времени грунта, полностью насыщенного водой

Грунтовая масса

По мере выдавливания воды из стакана через отверстие в поршне последний будет опускаться, что вызовет развитие все большей деформации пружины. В течение этого процесса значение р_w, уменьшается, а значение р_z увеличивается. В результате будет сохраняться равенство

(**)

После выдавливания определенного количества воды из-под поршня давление р будет полностью передано на пружину, т. е. при t=∞ с давление р_w=0 и р_z=р.

Эта механическая модель в известной степени иллюстрирует деформацию полностью насыщенного водой грунта, не обладающего структурной прочностью и ползучестью скелета. При сжатии образца водонасыщенного грунта, помещенного в одометр, в поровой воде возникает давление р_w, по мере выдавливания воды из образца давление в поровой воде падает, а давление p_z в деформирующемся скелете грунта увеличивается. Таким образом, давление в пружине моделирует давление в скелете, а давление в воде соответствует давлению в поровой воде.

Если в поровой воде содержится воздух в растворенном виде или в виде пузырьков, то она мгновенно деформируется сразу после приложения нагрузки. Это можно исследовать с помощью той же модели (см. рис. 8). В данном случае вследствие сжатия воды после приложения нагрузки часть давления будет передаваться на воду, а часть на скелет, т. е. справедливо выражение (**). Чем большей сжимаемостью обладает поровая вода, тем большая часть усилия в начальный момент времени передается на скелет. Во все последующие отрезки времени после загружения давление в воде станет уменьшаться вследствие выдавливания ее из грунта. Этот процесс развивается до тех пор, пока все давление не будет передано на пружину (скелет грунта).

В водонасыщенном грунте, обладающем ползучестыо, деформации развиваются во времени как в результате постепенного выдавливания воды из пор грунта, так и вследствие ползучести самого скелета.