Некоторые физические, физико-химические и физико-механические свойства грунтов

Чтобы правильно оценить грунты для использования их в качестве строительного материала плотин, необходимо знать свойства грунтов и их показатели. Свойства грунтов можно разделить на три группы: физические, физико-химические и физико-механические. Ниже будут даны определения зерновому, или гранулометрическому, составу (физическое свойство грунтов), пучинистости (физикохимическое свойство грунтов), водопроницаемости и прочности (физико-механические свойства грунтов).

Гранулометрический состав грунтов

Прежде чем дать строгое определение гранулометрического состава грунта, представим песчаный пляж, образованный водой в результате вековой обработки течениями. Как было указано раньше, частицы песка такого пляжа будут иметь размер от 0,05 до 2 мм. Поскольку учесть все разнообразие размеров песчаных частиц невозможно, частицы грунта делят на группы определенного размера, называемые фракциями. Например, при помощи набора сит с соответствующими диаметрами отверстий можно выделить песчинки диаметром 2, 1, 0,5, 0,25 и 0,1 мм. Таким образом, разделение частиц грунта по размерам, выраженное в процентах от веса исследуемого образца, называют гранулометрическим составом грунта. Табличные данные гранулометрического состава неудобны для пользования. В инженерной практике применяют графическое изображение гранулометрического состава (рис. 4.3).

Наименование песчаных грунтов необходимо дополнять указанием о неоднородности гранулометрического состава, характеризуемого соотношением

где К60до — коэффициент неоднородности; d60 — диаметр частиц, меньше которого в данном грунте содержится 60 % частиц (по массе); d10 — диаметр частиц, меньше которого в данном грунте содержится 10 % частиц (по массе).

Понятие о коэффициенте неоднородности грунта используется при проектировании дренажей грунтовых плотин.

Водопроницаемость грунтов

Грунты в зависимости от их вида и сложения могут пропускать воду по трещинам (например, скальные породы), по порам или по тем и другим одновременно. Способность грунта фильтровать (пропускать) через себя воду называют водопроницаемостью грунтов. Показателем водопроницаемости грунтов служит коэффициент фильтрации Кф. Очевидно, что самым проницаемым для воды является крупнообломочный грунт, состоящий из валунов, щебня, галечников и гравия. Наименее проницаемыми для воды являются глины.

Кривая гранулометрического состава грунта

Рис. 4.3. Кривая гранулометрического состава грунта

В табл. 4.2 приводятся коэффициенты фильтрации для некоторых грунтов [15].

Таблица 4.2

Коэффициенты фильтрации

Наименование грунта

Коэффициент фильтрации, см/с

Гравий, галька

10-1—Ю

Песок крупнозернистый

10-2—10-1

Песок мелкозернистый

10-4—10-2

Супесь

10-6—10-3

Суглинок

10-7—10-5

Глина

< 10-7

Движение воды, находящейся под влиянием сил тяжести или давления (фильтрация), может происходить по различным направлениям: вертикально вниз или вверх и горизонтально. В грунтовых плотинах передвижение воды происходит под влиянием силы тяжести в результате создаваемого напора.

Первые опыты по изучению фильтрации в грунте были проведены французским ученым А. Дарси в середине XIX в. Дарси изучал фильтрацию в водонасыщенном песке в приборе, в котором фильтрация происходила сверху вниз под влиянием сил тяжести. Дарси установил, что скорость фильтрации Уф подчиняется зависимости

где — коэффициент пропорциональности, являющийся физико-механической характеристикой грунта, отражающей его водопроницаемость в полностью водонасыщенном состоянии и называемой коэффициентом фильтрации грунта; АН — разность напоров или действующий напор, м; L — длина пути фильтрации, м. AH/L = tg а = I — гидравлический уклон, или гидравлический градиент фильтрации. Гидравлическим градиентом называют безразмерную величину, равную отношению разности гидравлических напоров на входе и выходе фильтрационного потока к длине пути фильтрации (рис. 4.4).

Из формулы (4.2) видно, что коэффициент фильтрации грунтов имеет размерность скорости фильтрации и представляет собой скорость фильтрации при гидравлическом уклоне 7=1.

Следует отметить, что скорость фильтрации — некоторая воображаемая скорость, которую имели бы частицы жидкости, если бы движение воды происходило не только через поры, а через всю площадь «фильтра» как через некоторую фиктивную непрерывную среду. Однако практически важно, что произведение скорости фильтрации на площадь фильтра дает фактический расход фильтрации Q.

Схема фильтрации воды в грунтовом массиве (а — угол наклона фильтрационного потока)

Рис. 4.4. Схема фильтрации воды в грунтовом массиве (а — угол наклона фильтрационного потока)

При равномерном движении грунтовых вод среднюю по сечению скорость фильтрации Уф и расход фильтрации Q справедливо определять по зависимостям

В формуле (4.4) о) — площадь живого сечения потока при равномерном движении, равная площади всего поперечного сечения фильтра.

Формула (4.3) известна как закон ламинарной фильтрации Дарси, который можно сформулировать следующим образом: скорость фильтрации прямо пропорциональна гидравлическому градиенту. При установлении зависимости Дарси рассматриваются такие скорости и такой режим движения жидкости, при которых отсутствует пульсация скорости и перемешивание частиц жидкости. Такое движение характеризуется как спокойное, или ламинарное (от латинского слова lamina — слой).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >