Меню

Гидродинамическое давление воды на грунт

Водопроницаемость грунтов

Физические представления. Водопроницаемостьюназывается свойство водонасыщенного грунта под действием разности напоров пропускать через свои поры сплошной поток воды. При этом под сплошным потоком воды понимается ее неразрывное движение (фильтрация) по всему сечению активных пор грунта, т. е. той части пор, которая не заполнена связанной водой. Водопроницаемость грунтов зависит от их пористости, гранулометрического и минерального состава, градиента напора.

Фильтрация воды в грунтах представляет собой сложный процесс. Действительно, поры в разнозернистом грунте образуют извилистые каналы переменного сечения, соединяющиеся между собой в различных направлениях. Следовательно, и траектории движения воды в этих каналах будут крайне сложными. В глинистых грунтах пленки связанной воды, окружающие глинистые частицы и связанные с ними силами электростатического притяжения, могут об­разовывать пробки, перекрывающие поровые каналы в некоторых сечениях и затрудняющие движение свободной воды.

Рассмотрим схему фильтрации воды в элементе грунта (рис. 4.8). Пусть в точках 1 и 2 слоя водонасыщенного грунта, удаленных друг от друга на расстояние L, действуют разные пьезометрические напоры: H1>H2. Напомним, что из курса гидравлики напор в любой точке движущегося потока воды определяется выражением

где p/gw— пьезометрическая высота (p— давление в воде; gw — удельный вес воды); z — высота рассматриваемой точки над некоторой горизонтальной плоскостью сравнения; v 2 /(2g)— скоростной напор (v — скорость движения воды в потоке; g— ускорение свободного падения). Поскольку в реальных грунтах скорость движения воды мала, скоростным напором в выражении H обычно пренебрегают.

Здесь важно отметить, что давление в воде рможет быть обусловлено не только высотой столба жидкости, как показано на рис. 4.8, но и нагрузкой от сооружения, передающейся на грунты основания через подошву фундамента (поровое давление).

Под действием этой разности напоров может начаться движение воды в порах грунта от точки 1 к точке 2. Примем, что это движение происходит по цилиндрической трубке тока площадью сечения А. Тогда, измерив за некоторое время tобъем воды Q, поступившей из точки 1 в точку 2, можно рассчитать условную скорость фильтрации:

Читайте также:  Как понизить артериальное давление прополисом

v=Q/(At).

Закон ламинарной фильтрации. Коэффициент фильтрации.Первые эксперименты по изучению фильтрации воды в грунте были проведены на песках французским ученым Дарси в 1854 г. Им былс установлено, что скорость фильтрации (или расход воды q, протекающей в единицу времени через единицу площади сечения грунта) прямо пропорциональна разности напоров (DH=H1-H2) и обратно пропорциональна длине пути фильтрации L:

где i — гидравлический градиент (градиент напора), равный потере напора по длине пути фильтрации: i=DH/L.

В песчаных и тем более глинистых грунтах при обычных значениях градиента напора скорость фильтрации относительно невелика и движение воды имеет параллельно-струйчатый, т. е. ламинарный, характер. Поэтому уравнение v=ki часто называют законом ламинарной фильтрации Дарси:скорость движения воды в грунте прямо пропорциональна гидравлическому градиенту.

Коэффициент пропорциональности kназывается коэффициентом фильтрации и является основной фильтрационной харак­теристикой грунта. Он численно равен скорости фильтрации воды в грунте при градиенте напора i=1 и имеет размерность см/с, м/сут или см/год. Коэффициент фильтрации грунта всегда определяется экспериментально, и очень сильно зависит от гранулометрического и минерального состава грунта, а также его плотности. Так, для песков его значения колеблются в пределах
k=a·10 -1 . a∙10 -4 см/с; для супесей — a·10 -3 . a∙10 -6 см/с; для суглинков — a·10 -5 . a∙10 -8 см/с; для глин — a·10 -7 . a∙10 -10 см/с, где аможет быть любым числом от
1 до 9,9.

Начальный градиент напора.Многочисленные опыты по фильтрации воды в песчаных грунтах подтверждают полную справедливость закона Дарси (кривая 1 на рис. 4.9). Вместе с тем опыты с глинистыми грунтами показывают систематическое отклонение от этого закона (кривая 2). Так, в глинистых грунтах, особенно плотных, при относительно небольших значениях градиента напора фильтрации может не возникать (начальный участок кривой 2). Увеличение градиента приводит к постепенному, очень медленному развитию фильтрации. Наконец, при некоторых значениях гидравлического градиента устанавливается постоянный режим фильтрации.

Читайте также:  Лечение повышенного пульса при пониженном давлении

Во многих случаях исключают из рассмотрениия начальный криволинейный участок Оа на рис. 4.9 и закон ламинарной фильтрации для глинистых грунтов принимают в виде

где k’— коэффициент фильтрации глинистого грунта, определяемый в интервале зависимости между точками а и б: i — начальный градиент напора, т. е. участок на оси i, отсекаемый продолжением отрезка прямой аб до пересечения с этой осью.

Понятие начального градиента напора впервые установлено опытами Б. Ф. Рельтова и С. А. Роза и связывается обычно с проявлением особых свойств воды в глинистых грунтах, отмеченных в начале настоящего параграфа. С. А. Роза показал, что для плотных кембрийских глин начальный градиент напора может достигать очень больших значений, порядка 10. 20.

При действующем градиенте напора меньше начального значения (i

Источник

Гидродинамическое давление. Суффозия и кальматаж.

Гидродинамическим давлением называется давление движущейся воды на скелет грунта. По величине гидродинамическое давление равно сопротивлению движению воды, а по направлению — противоположно ему. Гидродинамическое давление является объемным и действует по направлению движения потока, т. е. По линии тока S.

Для определения интенсивности гидродинамического давления рассмотрим равновесие сил

рис 2.5 Схема для определения гидродинамического давления действующих на элементарную трубку тока

Пусть площадь поперечного сечения трубки тока постоянна и равна ω. В сечении m-m давление воды обозначим величиной Р. Тогда в сечении n-n давление будет равно Р+dP/dS*dS. Здесь под dS понимается длина трубки тока, а dP/dS*dS означает приращение давления жидкости на длине dS. Равнодействующие давлений в сечениях m-m и n-n обозначим через P1 и P2. Величина тормозящей силы, оказываемой грунтом на воду, очевидно будет равна F=F*ω*dS, где F- интенсивность тормозящей силы на единицу объема.

Читайте также:  Регулятор давления прямого действия после себя диаметр 50

На воду, заполняющую поры, действует сила тяжести Р3, равная

γw*ω*L/(1+L)*dS, где L/(1+L) — объем пор в единице объема грунта. Далее частицы грунта взвешиваются в воде.

Скелет грунта оказывает воздействие на воду величиной силы тяжести Р4. Величина силы Р4 равна Р4=γw/(1+L)*ω*dS, так как объем частиц грунта в еденице объема равен 1/(1+L)

Спроектируем все действующие силы на направление пути фильтрации:

Откуда получим F — гидродинамическое давление (интенсивность тормозящей силы), оно равно

так как sinα=dZ/dS

Поскольку P/γw+z есть величина напора Н, то оканчательное выражение для величины гидродинамического давления

Если напор фильтрации меняется по пути фильтрации линейно, то

где i=dH/dS – гидравлический градиент

Последнее выражение можно записать в виде

Очевидно, чем больше скорость фильтрации, тем больше гидравлическое давление и тем больше гидравлический градиент.

В практическом отношении, гидродинамическое давление имеет большое значение для устойчивости откосов земляных масс, прочности грунтов, взвешивания части сооружения, расположенной ниже уровня грунтовых вод. При этом грунт находится в водонасыщенном состоянии и на него действует гидростатическое давление, равное весу вытесненной воды, т. е. Грунт становится легче. Удельный вес взвешенного в воде грунта

Если F>γsb, то частицы грунта могут перемещаться, т. е. Образуется гидродинамический (или фильтрационный) выпор. Для равновесия необходимо, чтобы F=γsb или γw*i=γsb. Гидравлический градиент, при котором возможен выпор, называется критическим градиентом напора I

При расчетах грунта на выпор вводится коэффициент запаса, чтобы не было выпора от гидродинамического давления, тогда

где k — коэффициент запаса, принимаемый >1

Движение воды может приводить к процессам, осложняющим строительство суффозии и кальматации грунта.

Суффозия заключается в вымывании частиц грунта движущимся потоком воды.

Кальматация — это отложение мелких частиц вблизи открытой поверхности, вызывающее уменьшение пористости и снижение водонепроницаемости.

Источник

Adblock
detector