Вопрос № 11. Явление фильтрации воды.

Отличительной особенностью грунтов как дисперсных тел является способность фильтровать воду. В механике грунтов практический интерес представляет движение грунтовых вод, т.е. движение грунтовой воды в грунте, все поры которого заполнены водой. Основным видом грунтовой воды является гравитационная вода, перемещение которой обусловлено напорным режимом. Теория, рассматривающая это движение, называется теорией фильтрации. Фильтрацией воды называется свободное движение воды под действием разности напоров в порах грунта в условиях, когда поток воды почти полностью заполняет поры грунта, т.е. содержится небольшое количества газа, защемленного в скелете грунта. Для оценки процесса фильтрации вводится понятие скорости фильтрации (см/сек., м/сут.) – расход воды через единицу площади геометрического сечения грунта. V= Q/F. В действительности вода движется по извилистым сложным поровым каналам.

Первые эксперименты по фильтрации воды поставлены Дарси в 1854 г. Он исследовал фильтрацию воды в вертикальной трубке, заполненной песком. Им было установлено, что количество фильтрующейся воды, проходящей через единицу площади поверхности равно потери напора на элементарном участке пути.

Исследователи показали, что движение воды в дисперсных грунтах является ламинарным, за исключением частных случаев, как входные участки и т.п. Ламинарное движение воды в грунтах описывается законом Дарси, согласно которому выражение для скорости фильтрации песчаных грунтов имеет вид: , где J – градиент напора,

- коэффициент фильтрации. ∆H

напор , а, следовательно, и градиент напора. H1 H2

Обусловленная им фильтрация создает отжатие воды. L

Физический смысл коэффициента фильтрации – скорость фильтрации при J =1. Он зависит от вида грунта и изменяется в широких пределах. В глинистых грунтах коэффициент фильтрации зависит от коэффициента пористости, и от содержания газа в защемленном состоянии.

см/с

Установлено, что фильтрация в глинистых грунтах

Имеет место, если J> , где - начальный градиент напора.

Закон Дарси в этом случае примет вид: .

Это объясняется как малыми размерами пор, так и вязким сопротивлением водно-коллоидных пленок.

Процесс отжатия воды под нагрузкой называется фильтрационной консолидацией. При полном отжатии воды и передачи нагрузки на минеральный скелет грунта грунт называют консолидированным. Частицы грунта, расположенные в фильтрационном потоке, при обтекании их струями воды, испытывают давление, называемое гидродинамическим. Гидродинамическое давление связано с постепенным падением напора и уменьшением скорости фильтрации.