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 низким 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.