Материал: 2060
6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ Основные положения
Процесс движения свободной (гравитационной) воды в двухфазной системе называют фильтрацией. Характеризуют этот процесс коэффициентом фильтрации k f (м/сут).
Различают движение воды в полностью водонасыщенных грунтах (двухфазная с стема – твердая и жидкая фазы) и в не полностью насыщенных (трехфазная система – твердая, жидкая и газообразная фазы). В первом случае говорят о водопроницаемости грунтов и
фильтрац воды, а во втором – о влагопереносе в грунтах. |
||
С |
|
|
Водопрон цаемостью называется способность водонасыщенно- |
||
го грунта пропускать воду за счет градиента напора. Водопроницае- |
||
мость связана с |
льтрацией воды. |
|
Механ змы водопереноса в грунтах разнообразны и состоят из |
||
вязкого течен я |
д |
пара, вязкого течения жидкого конденса- |
ффузии та и пленокб. Эти потоки характеризуются единым коэффициентом
влагопроводности К (м/сут), отражающим способность ненасыщенного грунта проводить влагу. Коэффициент К равен количеству влаги, переносимой в грунте в единицу времени через единицу площади при единичном градиенте потенциала влаги*).
Коэффициент влагопроводности К по мере увеличения степе-
|
|
|
|
|
|
ни заполнения пор водой Sr не- |
|
K |
|
|
Алинейно возрастает и в состоя- |
||||
|
|||||||
|
|
|
kf , м/сут |
|
нии |
полного водонасыщения |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
достигает значений, равных ко- |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Kw |
|
|
|
|
эффициенту фильтрации данного |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
грунта (рис. 17). |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Д |
||
|
|
|
|
|
|||
|
KП |
|
|
|
|
|
В общем случае К склады- |
|
|
|
|
|
вается из двух составляющих: |
||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Sr |
|
переноса воды в форме жидкости |
|
|
|
|
|
|
|||
|
1 |
|
|||||
|
|
КW |
и в форме пара КП . |
||||
Рис. 17. Общий вид зависимости коэффи- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
И |
Коэффициент паропроводности КП достигает максимального
значения, а затем снижается по мере перехода системы из двухфазной
в трехфазную.
Для песчаных грунтов имеют место корреляционные связи между коэффициентом фильтрации и диаметром частиц. Зачастую используется зависимость
k Cd 2 |
, |
С |
|
f 10 |
|
где – коэффициент гидравлической проводимости, зависящий от зер-
нового состава песка, ориентировочно равен 8 108 м-1сут-1; d10 – расчетный д аметр част ц, соответствующий 10 % по массе, определяемый
работки |
|
|
|
|
|
|
по кривой гранулометр ческого состава. |
|
|
|
|||
Для земляных сооружений, глинистый грунт которых после раз- |
||||||
уплотнен, значение коэффициента фильтрации (мм/сут) можно |
||||||
оценить по корреляц онной зависимости. |
|
|
|
|||
б |
|
0,24I p ) 4,29 |
||||
k f |
0,0174 |
|
е 0,027(IL |
|||
|
(1 е) |
|
|
I p |
|
|
где е – коэфф ц ент пористости; IL – показатель текучести; Ip – число пласт чности.
,
Снижения коэффициента фильтрации глинистых грунтов можно достигнуть их обра откой химическими методами и, в частности, иньекцией водяного раствора гидроксида натрия NаОН с добавкой негаше-
ной извести СаО. Исследования, выполненные в |
И, показали, что |
|||
степень снижения коэффициентаСибАфильтрации глинистого грунта (с чис- |
||||
лом Ip от 5 до 21) при его обработке раствором NаОН (с концентрацией |
||||
от 2,5 до 7,5 н – нормальность) составляет [7,8] |
|
|||
N |
|
k f |
27,16 10,11н 0,17I p 3,33н2 0,12I p2 |
0,90нI p , |
|
k Nf |
|||
где k f , k Nf |
|
Д |
||
– коэффициенты фильтрации грунта до и после его обработки |
||||
раствором NаОН; н – концентрация раствора, выраженная числом грамм- |
|
эквивалентов растворенного вещества, содержащегося в 1 литре раствора |
|
(5 н– 200 г на 1 л раствора). |
И |
Согласно этому выражению степень снижения N коэффициента фильтрации глинистого грунта после его обработки раствором NаОН составляет от 45 до 285 раз.
Способность грунтов пропускать через себя воду под действием гидростатического напора называется фильтрацией.
47
Согласно закону Дарси*) при ламинарном движении воды в полностью водонасыщенном грунте количество воды q, фильтрующейся через него в единицу времени, пропорционально площади А, разности напоров воды H H2 Н1, под действием которой происходит фильтрация, и
обратно пропорционально длине пути фильтрации L (рис. 18):
С |
q k f A HL 1 |
, |
|
(44) |
|
HL 1 J |
|
|
|
где k f – коэффициент фильтрации; |
– гидравлический |
|||
градиент напора. |
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
Рис. 18. Схема установки для определения |
|
||
|
коэффициента фильтрации песка |
|
|
|
Скорость фильтрации определяется как расход воды, протекаю- |
||||
щей через единицу площади поперечного сечения потока: |
|
|||
|
Д |
|
||
|
v f q A 1 k f J , |
|
|
(45) |
т.е. скорость фильтрации зависит линейно от гидравлического |
||||
|
|
И |
||
градиента. Знак минус указывает, что движение воды направлено в сторону уменьшающихся напоров.
Из линейного закона фильтрации (45) следует: коэффициент фильтрации k f представляет собой скорость фильтрации воды при
градиенте напора J=1. Измеряется k f в м/сут, см/с.
__________________________________________________________
*) Дарси (1803–1858) – французский инженер-гидравлик и ученый, автор работ по изучению движения жидкости по трубам, каналам и пористым грунтам, водопроводных сетей в Джоне и Париже.
48
vf |
В плотном глинистом грунте, в по- |
рах которого свободная вода отсутствует, |
|
т.е. |
она содержится преимущественно в |
Ссвязанном состоянии, фильтрация воды
1 |
|
|
|
начинается только при градиенте, |
боль- |
||||||||
|
|
|
шем некоторого значения J0 , необходи- |
||||||||||
|
|
|
|
|
В |
|
|||||||
|
|
|
|
|
2 |
мого для преодоления сопротивления ее |
|||||||
|
|
|
А |
движению (рис. 19). |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
J0 |
|
|
J |
|
На |
участке |
установившейся |
|||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
фильтрации ВС её скорость определяет- |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
ся выражением |
|
|
|
|||
|
сти |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Рис. 19. Зав с мость скоро- |
|
|
v f |
k f (J J0 ) , |
(46) |
|
||||||
Сф льтрац воды v f в |
где J0 – начальный градиент. |
|
|
||||||||||
|
грунтах от г дравл |
ческого |
|
|
|||||||||
|
|
градиента J : 1 – пески; 2 – |
|
Величина коэффициента для раз- |
|||||||||
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
гл н стые грунты |
личных грунтов изменяется в широких |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
пределах (табл. 16) и является количест- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
венной характеристикой степени его во- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
допроницаемости (табл. 17). |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
А |
Таблица 16 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
Ориентировочные значения коэффициентов фильтрации грунтов |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
(извлечение из ГОСТ 25100-2011[2]) |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент фильтрации |
|||
|
|
|
Разновидность грунтов |
|
Д |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k f , м/сут |
|
|
|
|
|
Торф |
|
|
|
|
|
0,01…4 |
|
|
||
|
|
|
Глина |
|
|
|
|
0,001…0,01 |
|
|
|||
|
|
|
Суглинок |
|
|
|
|
|
0,01…0,1 |
|
|
||
|
|
|
Супесь |
|
|
|
|
|
0,1…0,5 |
|
|
||
|
|
|
Пески: пылеватый |
|
|
|
И |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
0,5…1,0 |
|
|
||||
|
|
|
|
мелкозернистый |
|
|
|
|
1…5 |
|
|
||
|
|
|
|
среднезернистый |
|
|
|
|
5…15 |
|
|
||
|
|
|
|
крупнозернистый |
|
|
|
|
15…50 |
|
|
||
|
|
|
Песчано-гравийная смесь |
|
|
|
|
50…100 |
|
|
|||
|
|
|
Гравий |
|
|
|
|
|
100…200 |
|
|
||
49
Таблица 17
Подразделения грунтов по степени водопроницаемости (извлечение из ГОСТ 25100-2011[2])
Разновидность грунтов |
Коэффициент фильтрации |
|
k f , м/сут |
||
|
С |
|
|
|
Водонепроницаемый |
<0,005 |
|
лабоводопроницаемый |
0,005…0,30 |
|
Водопроницаемый |
0,30…3 |
|
ильноводопрон цаемый |
3…30 |
|
Очень с льноводопрон цаемый |
>30 |
|
сниженю коэфф ц ента фильтрации. Добавление к песку всего 10% |
|
|
Коэфф ц ент ф льтрации грунтов |
зависит от физических |
свойств грунта ф з ко-химических свойств воды.
М неральный состав влияет на величину коэффициента фильтрации грунтабчерез д сперсность и пористость грунта. В дисперсных грунтах, включая пески, примесь глинистых минералов приводит к
глинистых част ц сн жает водопроницаемость более чем на 50%.
На коэфф ц ент фильтрации влияют: гранулометрический со-
Грунты, обладающиеАанизотропными свойствами (например, ленточные грунты, лессовидныеДгрунты) имеют в отношении водопроницаемости ярко выраженную анизотропию.
став, его однородность, извилистость и размер пор и др.
В однородных по гранулометрическому составу грунтах коэф-
фициент фильтрации ольше, чем в неоднородных.
Водопроницаемость пород резко снижается при их уплотнении, а также при разуплотнении и высыхании.
Глинистые породы при высыхании дают усадку, грунт растрескивается, и водопроницаемость их сильно повышаетсяИ.
Водопроницаемость глинистых пород может увеличиваться и
при растворении и выщелачивании содержащих в их составе солей.
Из внешних факторов существенное влияние на водопроницаемость грунтов оказывает температура. Так как вязкость воды снижается с повышением ее температуры, то полученное в испытаниях значение k f при фактической температуре воды Т приводят к температу-
ре 10 оС путем его деления на поправку: |
|
|
0,70 0,03Т , т.е. k10f |
k f 1 |
(47) |
50