Меню

Гидродинамическое давление воды в грунтах

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:  Какое давление в летних шинах должно быть на калине

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.

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

Читайте также:  Компрессор для воздушного сигнала давление

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

М.5.6. Что называется гидродинамическим давлением и какова его размерность?

Гидродинамическим давлением называется сила, передаваемая перемещающимся потоком воды единице объема грунта. Эта сила совпадает с направлением движения воды и равна:

Гидродинамическое давление имеет размерность объемной силы кН/м 3 .

М.6. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ГРУНТОВЫХ МАССИВАХ

М.6.1. Как вычислить вертикальные напряжения в массиве грунта от его собственного веса и чему они равны?

Вертикальное напряжение от собственного веса грунта s z представляет собой вес столба грунта над рассматриваемой точкой с площадью поперечного сечения, равной единице. Таким образом, если в точке M на глубине z грунт однородный, получаем s z = g z, если имеются различные слои (рис.М.6.1), то

Рис.М.6.1. Определение давления в грунте от его собственного веса и наличия уровня грунтовой воды

Удельный вес грунта ниже горизонта воды принимается с учетом действия выталкивающей силы за счет взвешивания в воде, поэтому получаем

Давление s z в водоупорном слое принимается с учетом полного веса водонасыщенного грунта (то есть выталкивающая сила не учитывается), который расположен выше:

На границе водоупора в эпюре s z имеет место скачок на величину , причем в данном случае .

М.6.2. Следует ли учитывать деформации грунта от его собственного веса и в каких случаях?

Деформации грунта от его собственного веса обычно не учитываются, так как они давно завершились. Однако в том случае, если в силу обстоятельств изменяется структура грунта, то сила собственного веса грунта вызывает в нем дополнительные деформации (например, при увлажнении лессового грунта, изза которого растворяются жесткие цементационные связи, или оттаивания вечномерзлого грунта).

Читайте также:  Какие препараты принимают при почечном давлении

М.6.3. Чему равны боковые напряжения от собственного веса грунта? Что называется коэффициентом бокового давления грунта в условиях естественного залегания? Может ли коэффициент бокового давления грунта в условиях естественного залегания быть более единицы?

Боковые напряжения s х составляют обычно долю от вертикальных, то есть s х=x s z. Коэффициент бокового давления грунта в условиях его естественного залегания x равен отношению бокового давления s x к вертикальному s z. (а не отношению приращений этих давлений), то есть не следует путать x и x . Коэффициент x может быть как больше, так и меньше единицы.

М.6.4. Как связаны между собой коэффициент бокового давления грунта x и коэффициент бокового давления в условиях естественного залегания x ? От чего зависит величина x ?

Значение x может лишь совпадать с величиной x . Для сыпучего грунта, у которого удельное сцепление c отсутствует, можно назвать следующие пределы для x :

Для связного грунта эти пределы еще больше и поэтому можно считать, что

то есть практически коэффициент x может быть любым. Величина x зависит от условий образования массива и тех геологических процессов, которые протекали в течение длительного времени. Опытное определение величины x затруднительно. Часто считается, что x =1, так как все тела «текут» с определенным, часто весьма малым коэффициентом вязкости.

М.6.5. Начертите эпюру распределения вертикальных напряжений в массиве грунта от собственного веса:

— если сверху более легкий грунт;

— если сверху более тяжелый грунт;

— при наличии в слое уровня грунтовой воды;

— при наличии водоупора;

см.также ответы на вопрос М.6.1.

1. Если сверху более легкий грунт, то график сверху более крутой, в нижней — более пологий.

2. При более тяжелом грунте сверху в верхней части график более пологий, в нижней — более крутой.

3. При наличии грунтовой воды, так как g sb

Последнее изменение этой страницы: 2016-04-19; Нарушение авторского права страницы

Источник

Adblock
detector