Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ФИЛЬТРАЦИИ ПЕСЧАНОГО ГРУНТА




 

Способность грунтов пропускать сквозь себя воду называется водопроницаемостью. Водопроницаемость дисперсных грунтов обусловлена наличием в грунте пор, сообщающихся между собой и образующих поровые каналы. Движение свободной воды по этим каналам называется фильтрацией.

Выполненные еще в XIX столетии опыты с фильтрацией в песчаных и глинистых грунтах позволили установить, что скорость фильтрации u определяется зависимостью, называемой формулой Дарси:

, (8.1)

где kф – коэффициент фильтрации; ΔH – разность напоров; Δs – длина пути фильтрации; I – градиент напора.

Скорость фильтрации представляет собой расход воды через единицу площади геометрического сечения грунта, т.е.

u = Q/А, (8.2)

где Q – расход воды через сечение площадью А, включающeй в себя площадь пор и твердых частиц в данном сечении.

Согласно (8.2) скорость фильтрации является условной (фиктивной) величиной, поскольку в действительности вода фильтруется через поры грунта.

Коэффициент фильтрации kф (коэффициент пропорциональности в формуле Дарси (8.1)), имеющий размерность скорости см/с или м/сут, представляет собой скорость фильтрации при градиенте напора I=1.

Коэффициент фильтрации является одной из основных характеристик грунта. Он используется в расчетах притока грунтовой воды в котлованы, осадок (консолидации) водонасыщенных оснований, утечек воды из водохранилищ и др. Oпределение коэффициента фильтрации kф осуществляется лабораторным, полевым и расчетным методами.

Лабораторное определение kф выполняется по нескольким схемам и на приборах различной конструкции. В лабораториях гидравлики, механики грунтов широко используются приборы и методики испытаний, в которых при определении kф не учитывается и не предусматривается создание внешнего давления на грунт. К ним относятся способы определения kф несвязных грунтов в приборах Дарси, Тима, трубке Каменского и др.

Прибор Дарси (рис. 8.1, а) представляет собой цилиндр площадью поперечного сечения А, в котором на сетку укладывается образец грунта высотой l. Через грунт при соответствующей разности напоров ΔH фильтруется вода (на рис. 8.1, а сверху вниз, также применяется фильтрация и снизу вверх). На выходе потока замеряют объем воды, прошедшей за определенное время, и находят расход Q за единицу времени. Затем по формулам (8.1), (8.2), принимая Δs=l, определяют коэффициент фильтрации:

. (8.3)

Обычно к цилиндру подключают пьезометры, позволяющие фиксировать пьезометрические уровни воды в различных сечениях образца (см. рис. 8.1, а). Замеряя разности уровней ΔH1, ΔH2и расстояния Δl1, Δl2 между пьезометрами, по формуле (8.3) для определенного участка образца (ΔHHi , lli, i=1, 2, …) рассчитывают kф.

Заметим, что при испытании грунта в приборе Дарси и ему подобных разность напоров ΔH и градиент I в конкретном опыте остаются постоянными, но могут меняться от опыта к опыту.

В отличие от прибора Дарси в приборе, называемом «трубка Каменского» (рис. 8.1, б), испытание на фильтрацию выполняется при изменяющихся в течение опыта значениях ΔH и I в формуле (8.1). B этом

 

 

Рис. 8.1. Определение коэффициента фильтрации с использованием

прибора Дарси (а) и трубки Каменского (б)

 

приборе вода фильтруется сверху вниз, и для цилиндра (трубки) постоянного сечения скорость фильтрации u в каждый момент времени t будет равна скорости снижения уровня воды в цилиндре SW, т.е.

. (8.4)

По закону Дарси (8.1)

.

С учетом (8.4) получаем

или .

 

Интегрируя дифференциальное уравнение, в итоге находим зависимость для определения коэффициента фильтрации:

, (8.5)

где t – время снижения уровня воды в цилиндре на величину SW, т.е. время изменения разности напоров от начального значения h до h - SW.

Для сравнения результатов нескольких опытов, учитывая зависимость вязкости воды от температуры, в соответствии с ГОСТ 25584-90 опытные значения kф приводят к температуре 100 С, вычисляя коэффициент фильтрации kф,10 по формуле

,

где t - температурная поправка,

t = 0,7 + 0,03 Тф, (8.6)

Тф – фактическая температура воды при испытании.

Коэффициент фильтрации песчаных грунтов в зависимости от крупности может меняться в широких пределах: от А·102см/с (для крупнозернистых) до А·10-3см/с (для мелких), где 1 £ А £ 9. С увеличением плотности песка коэффициент фильтрации значительно уменьшается.

В действующем ГОСТ 25584-90 и Изменении №1 к нему от 23.04.97 рекомендуется при определении коэффициента фильтрации песка использовать прибор КФ-ООМ, работающий по схеме прибора Дарси, и прибор Союздорнии, реализующий схему трубки Каменского. В лаборатории механики грунтов СПбГПУ непосредственно используется трубка Каменского, обеспечивающая простоту выполнения опыта с необходимой точностью определения искомого коэффициента фильтрации.

 

Определение коэффициента фильтрации песков в трубке Каменского

 

Согласно ГОСТ 25584-90 для определения коэффициента фильтрации песчаного грунта нарушенного сложения следует применять образцы, высушенные до воздушно-сухого состояния.

Подготовка и проведение испытания. Самая простая конструкция прибора «трубка Каменского» включает в себя стеклянную трубку диаметром примерно 3см, длиной 25см с нанесенными сверху вниз делениями через 1см. На нижнем торце трубки укрепляется сетка либо обвязка из марли.

Трубка монтируется на штативе и помещается в пустой батарейный стакан, при этом нижний конец приподнят на 1см над дном стакана. Образец сухого песка (100 г) взвешивают и с помощью воронки рыхло засыпают в трубку, заполняя ее на высоту примерно 10см. Песок насыщают водой путем постепенного наполнения ею батарейного стакана. При этом уровень воды в песке за счет капиллярного поднятия должен превышать уровень воды в стакане (рис. 8.2, а).

После насыщения песка осторожно наполняют трубку водой почти до ее верха (рис. 8.2, б), поднимают трубку и закрепляют на штативе так, чтобы ее торец располагался на 1-2см ниже поверхности воды, заполняющей батарейный стакан до краев (рис. 8.2, в). По шкале трубки фиксируется уровень воды в стакане (отметка 1) и начальный уровень при проведении опыта (отметка 2). При необходимости в трубку доливают воду, поднимая ее уровень выше отметки 2. В момент снижения уровня до отметки 2 включают секундомер, фиксируя начало процесса контролируемой фильтрации, а далее - и время падения уровня воды в трубке от отметки 2 на величину SW = Si (i = 1, 2, 3, …), при этом последовательно берут не менее трех–четырех отсчетов при падении уровня S,i на 2, 4, 6 см и т.д. (рис. 8.2, в).

Зная высоту слоя песка l, начальную разность напоров h, снижение уровня воды SW,i за время ti, по зависимости (8.5) подсчитывают частные значения коэффициента фильтрации kфi. При этом используется составленная Г.Н. Каменским таблица значений ln(1 - SW /h) (табл. 8.1).

По частным значениям kфi определяют среднее значение и вводят поправку на температуру, вычисляемую по формуле (8.6). Для этого несколько раз замеряют температуру фильтрующей воды.

Коэффициент фильтрации последовательно определяют для рыхлого песка, для средней плотности и для плотного песка. С этой целью снимают трубку со штатива, постукиванием по ней резиновым молоточком уплотняют песок до необходимых состояний и определяют новую высоту песчаного образца. Во время уплотнения необходимо поддерживать уро-

 

 

 

Рис. 8.2. Определение коэффициента фильтрации при различной

плотности сухого грунта: а – насыщение грунта водой;

б – заполнение трубки водой; в – режим фильтрации


 

Таблица 8.1







Дата добавления: 2015-07-04; просмотров: 1202. Нарушение авторских прав

codlug.info - Студопедия - 2014-2017 год . (0.007 сек.) русская версия | украинская версия