Основные положения и зависимости

При строительстве автомобильных дорог в сложных и неблагоприятных, с позиции повышенного увлажнения, условиях возникает потребность в устройстве специальных сооружений для регулирования уровня грунтовых вод. К таким сооружениям относятся

понижающий и перехватывающий дренаж, обычные и поглощающие колодцы

При сооружении насыпей подхода к мостам через постоянно действующие водотоки важной задачей является рассмотрение их увлажнения в период пропуска паводковых вод.

Явление движения воды в грунтах и пористых средах называется фильтрацией воды. При этом обычно рассматривают движение только гравитационной, т. е. свободной, воды, которая движется под действием силы тяжести.

Грунтовая вода, находясь в движении, образует фильтрационный поток. Движение грунтовых вод может быть как напорным, так и безнапорным. При безнапорном движении фильтрационный поток ограничивается сверху свободной поверхностью, в точках которой давление является постоянным и обычно равно атмосферному.

Эта свободная поверхность называется депрессионной поверхностью, а линия пересечения ее с вертикальной плоскостью называется кривой депрессии.

Объем воды, проходящий через данное живое сечение пористой среды в единицу времени, называют фильтрационным расходом. Под скоростью фильтрации понимают частное от деления расхода на площадь сечения всей пористой среды, через которую происходит фильтрация. Таким образом, скорость фильтрации является фиктивной скоростью течения, отличной от той действительной скорости течения, с которой вода непосредственно перемещается в порах грунта.

Фильтрация может быть ламинарной и турбулентной. Для ламинарной фильтрации основной зависимостью является формула Дарси

(4.1)

где - скорость фильтрации;

- коэффициент фильтрации;

- пьезометрический уклон.

Зависимость (4.1) имеет определенные границы применимости. Для воды обычной температуры () различные авторы рекомендуют применять указанную формулу в случае, если

. (4.2)

где d - диаметр частиц грунта (некоторого среднего размера), см.

Если условие (4.2) не выполняется, то имеет место турбулентная

фильтрация, для которой скорость фильтрации определяется зависимостью

(4.3)

где - коэффициент фильтрации для турбулентного движения грунтовой воды;

m - показатель степени, по опытным данным он находится в пределах наиболее часто принимают m = 0,5.

Формула Дарси (4.1) или зависимость (4.3) дают возможность определять скорость фильтрации в любой точке фильтрационного потока при любом характере движения грунтовых вод.

Особое внимание уделяется коэффициенту фильтрации k, который физически выражает собой скорость фильтрации при уклоне J = 1. Коэффициент фильтрации может быть определен лабораторным, расчетным и полевым методами.

В лабораторных условиях значение k определяется с помощью прибора Дарси для образца интересующего нас грунта.

Расчетный метод основан на использовании различных эмпирических зависимостей. Для равнозернистого песка часто используют формулу Хэзена

(4.4)

где А - коэффициент, учитывающий размерность величины k (если k в м/сут, то А = 1);

с - коэффициент, зависящий от степени засорения песка глинистыми частицами (с увеличением степени засорения с уменьшается), с = 500...1000;

- поправка на температуру воды, - температура в градусах по Цельсию);

- диаметр частиц грунта, мм, вес которых вместе с весом частиц грунта меньше , составляет 10% веса всего грунта; называется эффективным или действующим диаметром частиц грунта.

Величина может быть найдена по кривой гранулометрического состава (рис.4.1). По этой же кривой также находят диаметр , который отвечает 60% веса всего грунта. Величину отношения называют коэффициентом разнозернистости грунта.

Формула Хэзена применима для песков, имеющих от 0,1 до 3 мм, и при коэффициенте разнозернистости менее 5

Рис.4.1. Кривая гранулометрического состава

. Коэффициенты фильтрации грунтов Таблица 4.1

Наименование грунта		Наименование грунта
Глина		Мелкозернистый песок
Суглинок		Среднезернистый песок
Супесь		Крупнозернистый песок
Иловатые грунты		Гравий и галька
Торфянистые грунты

В настоящее время эмпирические формулы для определения k применяются редко. Чаще значения k определяют с помощью прибора X. Дарси или на основании обобщения опытных и натурных данных для различных видов грунтов и материалов. В табл. 4.1 приведены примерные осредненные значения коэффициента фильтрации.

Все методы расчета фильтрации подразделяются на две группы: гидродинамические (гидромеханические) и гидравлические.

Гидродинамические методы основаны на теории функций комплексного переменного и позволяют определять скорости течения, давления и их градиенты в любой точке. Они дают точные решения, так как не связаны с введением грубых допущений. Недостатком этих методов является их трудоемкость и ограниченность применения частными случаями при известных точных начальных данных, для которых решение можно довести до конца. Обычно эти методы используют для расчета особо важных гидротехнических объектов.

Гидравлические методы расчета менее точны, содержат ряд допущений и позволяют, кроме построения депрессионной кривой, определять только осредненные характеристики потока (скорость фильтрации, напоры и глубины). Однако сравнительная простота решения и достаточная точность для практических расчетов способствуют их широкому распространению. Эти методы расчета изложены ниже.

Движение фильтрационного потока может быть равномерным и неравномерным, установившимся и неустановившимся.

При равномерном движении поверхность потока параллельна линии дна потока и, следовательно . Тогда скорость и расход ламинарной фильтрации определяются по формулам

, (4.5, 4.6)

Для плоской задачи расход на единицу ширины русла

, (4.7)

а глубина потока при равномерном движении

. (4.8)

Для неравномерного плавно изменяющегося движения грунтовых вод в случае плоской задачи частым является случай горизонтального русла () и тогда основное уравнение при ламинарном режиме принимает вид

(4.9)

Рис.4.2.Схема для определения кривой депрессии

По этому уравнению, называемому уравнением А. Дюпюи, можно построить кривую депрессии (рис.4.2) и определить фильтрационный расход .

При этом построение кривой депрессии можно выполнить по формуле

(4.10)

где х - расстояние до сечения с глубиной h.

Следует подчеркнуть, что уравнение Дюпюи позволяет получить только осредненные характеристики грунтового потока.

Поиск по сайту: