Закон ламинарной фильтрации грунта

Водопроницаемость характеризуется способностью грунта пропускать через себя воду и обуславливается физическим строением и составом грунта. (см.ранее)

Скорость напорного движения грунтовых вод зависит от размеров пор грунта, сопротивлений по пути фильтрации и величины действующих напоров (илл.5)

Закон ламинарной фильтрации устанавливает зависимость скорости фильтрации поровой воды от градиента гидравлического напора.

Ламинарное движение воды происходит с тем большей скоростью, чем больше уклон поверхности уровня грунтовых вод (так называемый «гидравлический градиент»).

 

Гидравлическим напором называют давление в поровой воде, выраженное в единицах высоты эквивалентного водяного столба:

H = p /γ _w,

где γ _w – удельный вес воды.

Градиентом гидравлического напора называют безразмерную величину, равную отношению разности гидравлических напоров на входе и выходе фильтрационного потока к длине пути фильтрации поровой воды:

i = (Н_{вх .} – Н_{вых .)} / L = tg j

 

L – длина пути фильтрации; Н = Н_вх – Н_вых – потеря напора или «действующий напор».

Закон ламинарной фильтрации: расход воды в единицу времени через единицу площади поперечного сечения грунта (скорость фильтрации) прямо пропорционален гидравлическому градиенту i:

v_ф = k_ф × i;

где k_ф - коэффициент фильтрации, равный скорости фильтрации при градиенте i = 1 [см/сек, см/год]. Коэффициент фильтрации зависит от типа грунта и определяется экспериментально.

Определение напряжений в массивах грунтов

Напряжения в массивах грунтов, служащих основанием, средой или материалом для сооружения, возникают под воздействием внешних нагрузок и собственного веса грунта. Знание напряжений необходимо для расчетов деформаций грунтов, обуславливающих осадки и перемещения сооружений, для оценки прочности, устой­чивости грунтов и давления на ограждения. Кроме того, для рас­четов конструкций фундаментов сооружений необходимо знать ре­активные напряжения, возникающие в контакте между фундамен­том и основанием.

Распределение напряжений в грунтовой толще зависит от мно­гих факторов. Прежде всего к ним относятся характер и режим нагружения массива, инженерно-геологические и гидрогеологичес­кие особенности площадки строительства, состав и физико-механи­ческие свойства грунтов. Формирование напряжений в грунтовой толще происходит не мгновенно при приложении нагрузки, а может развиваться весьма длительное время. Это связано со скоростью протекания деформаций и особенно сильно проявляется в пылевато-глинистых грунтах, где процессы ползучести развиваются очень медленно.

Под действием собственного веса в массивах грунтов всегда формируется начальное напряженное состояние. Поэтому напря­жения, возникающие в массивах грунтов от действия сооружения, накладываются на уже имеющиеся в нем собственные напряжения.

Это приводит к формированию сложного поля напряжений в грун­товой толще. Таким образом, определение напряжений в массиве грунтов представляет собой сложную задачу. Во многих случаях при ин­женерных расчетах решение этой задачи основывается на ряде упрощающих допущений, рассм ранее.

Определенное с помощью теории упругости поле напряжений соответствует конечному, стабилизированному, состоянию гру­нтов, т. е. тому моменту времени, когда все деформации, вызванные приложением нагрузок, уже завершились. В особых случаях, при проектировании наиболее ответственных -сооружений, а также при строительстве в сложных грунтовых условиях, применяются и более сложные модели, позволяющие определять изменение поля напря­жений в процессе деформирования грунтов.

Одним из важнейших следствий применения теории упругости к расчетам напряжений в грунтах является постулирование при­нципа суперпозиции, т- е. независимости действия сил. Это позволяет рассчитывать напряжения в массиве от действия со­бственного веса грунта и нагрузок, вызываемых сооружением, неза­висимо друг от друга и, суммируя полученный результат, опреде­лять общее поле напряжений.

 

 

Основные схемы лабораторных испытаний.

Режимы испытания образцов

Под механическими свойствами грунтов понимают их способность сопротивляться изменению объема и формы в результате силовых (поверхностных и массовых) и физических воздействий. Механические характеристики грунтов, в зависимости от действующих напряжений, разделяют на: деформационные, при допредельном по прочности напряженном состоянии грунта, которые определяют способность грунта сопротивляться развитию деформаций; прочностные, при предельном по прочности напряженном состоянии грунта, которые определяют способность грунта сопротивляться разрушению; фильтрационные, для случая грунтовой массы, которые определяют развитие процессов деформирования и разрушения грунта во времени.

Основные схемы лабораторных испытаний представлены на рис.

Основные схемы испытаний образцов:

а – одноосное; б – компрессионное; в – сдвиговое; г – трехосное в стабилометре; д – трехосное в приборе с независимыми главными напряжениями; F_x, F_y, F_z – нормальные силы; Т – сдвигающая сила; σ – нормальные напряжения; τ - касательные напряжения

 

Схему одноосного сжатия (возможно и растяжения) образца применяют только для испытаний прочных связных грунтов (скальные, мерзлые, плотные маловлажные глины). Особенностью данной схемы является отсутствие в образцах боковых напряжений и возможность неограниченного развития боковых деформаций. Схема может быть использована для определения деформационных и прочностных характеристик.

Схема компрессионных испытаний применяется для определения деформационных характеристик сыпучих и связных грунтов. Особенностью данной схемы является невозможность развития боковых деформаций образцов, поскольку испытания грунта происходят в жесткой обойме в виде кольца.

Измерение возникающих боковых напряжений в стандартном компрессионном приборе невозможно.

Схема одноплоскостного сдвига применяется для определения прочностных характеристик сыпучих и связных грунтов. Особенностью данной схемы является наличие фиксированной поверхности разрушения образца и изменчивость значений нормальных и сдвигающих напряжений в процессе сдвига.

Схемы трехосных испытаний применяются для наиболее точного определения деформационных и прочностных характеристик сыпучих и связных грунтов. Различают схемы стабилометрического нагружения цилиндрического образца и нагружения кубического образца независимыми нормальными напряжениями. Особенностями данных схем является возможность разрушения образца по произвольной площадке, где будет предельное соотношение между нормальными и сдвигающими напряжениями.

Испытания образцов проводят по режимам статического и динамического нагружения. Статическое нагружение заключается в медленном изменении прикладываемых к образцам ступеней нагрузки после стабилизации деформаций от предыдущих ступеней. Динамическое нагружение имитирует импульсное или вибрационное воздействие, например от механизмов.