Водні властивості ґрунтів

1. Коефіцієнт фільтрації

У наведених вище рівняннях, які описують рух підземних вод, головною розрахунковою величиною є коефіцієнт фільтрації. Він кількісно характеризує фільтраційні властивості гірських порід і тому його часто застосовують при вирішенні багатьох практичних питань.

Коефіцієнт фільтрації визначають такими способами:

а)      польовими дослідно-фільтраційними роботами – відкачками, наливанням, нагнітанням та інфільтрацією з шурфів;

б)      різноманітними приладами;

в)      емпіричними формулами.

Серед польових методів найпростішим є метод проф. Болдирєва. Його застосовують для визначення коефіцієнта фільтрації в зоні аерації. Необхідно відрити шурф на потрібну глибину для досягнення ґрунту, який досліджують. При цьому відстань до рівня ґрунтових вод повинна перевищувати 0,5 м. В одному з кутів дна шурфу додатково відривають зумпф з такими розмірами: довжина 25-30 см; ширина 25-30 см; глибина 30-35 см. Біля шурфу встановлюють бак з водою. За допомогою шланга воду подають до зумпфа. Лінійка, яка встановлена на дно зумпфа дозволяє визначати рівень води. Кран на шланзі допомагає добитися такої подачі води, щоб її рівень був постійним. Тобто кількість води, яка прибуває з бака до зумпфа, дорівнює кількості води, яка фільтрується крізь ґрунт дна. Після встановлення постійного рівня води в зумпфі тричі заповнюємо водою із шланга мірний циліндр відомого об’єму V. При цьому визначаємо час, необхідний для його заповнення. Для подальших розрахунків знаходимо середнє арифметичне з трьох вимірів часу t. (рис. 5.5).

Визначимо постійну витрату води за формулою (5.5)

 .                                                   (5.5)

Рис. 5.5. Визначення коефіцієнта фільтрації методом проф. Болдирєва

Площу фільтрації визначаємо з врахуванням розмірів дна зумпфа. Приймаємо, що гідравлічний градієнт І=1.

Таким чином, з формули (5.2) одержуємо значення коефіцієнта фільтрації

                                                (5.6)

У випадку, коли треба визначити вид ґрунту якщо відомий його коефіцієнт фільтрації, користуються таблицею (табл. 5.1).

Таблиця 5.1

Значення коефіцієнта К_ф для деяких ґрунтів

2. Водно-фізичні властивості

Водно-фізичні властивості ґрунтів визначаються їхньою вологістю та водопроникністю.
Вологістю ґрунту називають співвідношення маси води, яка міститься в порах ґрунту, та маси сухого ґрунту. Вологість є однією з найважливіших характеристик фізичного стану ґрунту, що визначає масланистість, деформацію та інші його властивості.
Вагова (природна) вологість ґрунту (W) – це співвідношення маси води в ґрунті до маси твердих часток:

де mг – загальна маса ґрунту, ms – маса мінеральних часток, mw – маса води в порах.
Повна вологомісткість ґрунту (Wn) – це вологість за повного заповнення пор водою:

де γw = 10 кН/м3 – питома вага води.
Ступінь вологості (коефіцієнт водонасичення) ґрунту (Sr) – співвідношення об’єму води, яка вміщується в ґрунті, та об’єму пор:

Ця величина характеризує ступінь заповнення пор ґрунту рідиною і змінюється від 0 до 1, характеризуючи значення коефіцієнта водонасичення.
Значення ступенів вологості великоуламкових ґрунтів та пісків (згідно з ДСТУ Б В.2.1-2-96) наведено в табл. 9.13.

Таблиця 9.13

Ґрунти, які вміщують достатню кількість глинистих часток, характеризуються пластичністю – здатністю змінювати свою форму під впливом зовнішніх сил. Цю властивість ґрунти мають лише за певної вологості.
Величина вологості ґрунту, за якої ґрунт втрачає пластичність і переходить у текучий стан, близький до стану в’язкої рідини, має назву межі текучості ґрунту WL .
Величина вологості ґрунту, за якої ґрунт втрачає властивості пластичності і переходить у твердий стан (близький до стану твердих тіл), називається межею пластичності, або межею розкатування Wp.
Згадані вище величини встановлюються за допомогою практичних лабораторних вимірювань.
Пластичність характеризується числом пластичності (IP), обчислювання якого зводиться до визначення меж текучості і розкатування:

Чим більшим є інтервал вологості, в якому ґрунт зберігає пластичні властивості, тим пластичнішим він вважається.
В піщаних непластичних ґрунтах вміст глинистих часток зазвичай не перевищує 3 %. Класифікація глинистих ґрунтів за числом пластичності. (згідно з ДСТУ Б В.2.1-2-96) наведена в табл. 9.14.

За наявності у глинистих ґрунтах часток, крупніших за 2 мм, у кількості 15–20 % необхідно до назви ґрунту, відповідно, додавати «з галькою» або «з гравієм», а за вмісту цих часток від 25 до 50 % – «гальковий» або «гравійний».
Порівняння природної вологості ґрунту з вологістю на межі пластичності та межі розкатування дозволяє встановити його стан за консистенцією. Для цього використовують показник текучості (IL):

Класифікація глинистих ґрунтів за показником текучості (згідно з ДСТУ Б В.2.1-2-96) наведена в табл. 9.15.

Глинистий ґрунт, який сформувався як осад у воді і характеризується вологістю (що перевищує вологість на межі текучості з коефіцієнтом пористості більшим за 1,0 для супісків і суглинків і більшим за 1,5 для глин), називають мулом.
За здатністю пропускати (фільтрувати) воду ґрунти характеризуються величиною водопроникності.
Водопроникністю називають здатність ґрунту пропускати через себе воду під дією різниці тисків. Вона обумовлюється фізичною будовою і складом ґрунту.
Водопроникність ґрунтів оцінюється за допомогою коефіцієнта фільтрації kф. Для добре фільтруючих ґрунтів (піски, супіски та ін.) коефіцієнт фільтрації (kф)визначають за допомогою спеціального приладу (рис. 9.8).

Рис. 9.8. Схема приладу КФ для визначення коефіцієнта фільтрації: 1 – ґрунт; 2 – вода; 3 – сітка; 4 – мірна посудина

За результатами випробувань зразка ґрунту на водопроникність коефіцієнт фільтрації визначається за формулою

де v – об’єм води, зібраної у колбу; А – площа поперечного перерізу зразка ґрунту; t – час, за який через зразок ґрунту профільтровувався певний об’єм води; I – гідравлічний градієнт.
Гідравлічний ухил визначається за формулою
. (9.25)
Орієнтовні значення коефіцієнта фільтрації для різних ґрунтів наведено у табл. 9.16.

На відміну від піщаних, у глинистих ґрунтах швидкість руху води є невеликою за рахунок внутрішнього опору, що утворюється через малі розміри пор і водносуспензійні плівки. Отже, у глинистих ґрунтах фільтрація можлива лише за досягнення такого відносного градієнта тиску, який забезпечуватиме подолання водою внутрішнього опору.
Рух (фільтрація) води у глинистих ґрунтах, на відміну від піщаних (рис. 9.9, крива а), починається лише за досягнення певного градієнта напору (рис. 9.9, крива б), що долає внутрішній опір руху води.

Рис. 9.9. Залежність швидкості фільтрації у ґрунті від гідравлічного градієнта: а – для піщаних ґрунтів, б – для глинистих ґрунтів

Для глинистих ґрунтів (рис. 9.9, крива б) розрізняють три ділянки: I – швидкість фільтрації практично дорівнює нулю (Vf = 0); ІI – перехідна криволінійна; ІІІ – прямолінійна, що характеризує процес сталої фільтрації.
Таким чином, у глинистих ґрунтах (особливо у щільних) за відносно невеликих значень градієнта напору фільтрації може і не виникнути (рис. 9.9, ділянка I, крива б). Збільшення градієнта напору призводить до поступового, дуже повільного розвитку фільтраційного ефекту (рис. 9.9, ділянка II). Нарешті, за певних значень гідравлічного градієнта встановлюється постійний режим (рис. 9.9, ділянка III).
Напірний градієнт, до досягнення якого фільтрація у ґрунті не спостерігається, називається початковим градієнтом (J`0). У багатьох випадках із розгляду виключають ділянку I–II (рис. 9.9, крива б), а закон ламінарної фільтрації для глинистих ґрунтів приймають у вигляді

     (9.26)
де J`0 – початковий градієнт напору, тобто ділянка на вісі J, що відсікає продовження відрізку прямої II–III до перетину з цією віссю. Для піщаних ґрунтів фільтрація починається відразу після отримання масою води напору (рис. 9.9, крива а).