Прежде необходимо вспомнить:
Вода в грунте оказывает существенное влияние на механические свойства грунта и на процесс его деформирования под нагрузкой;
Вода в грунте может находиться в связанном и свободном состоянии;
Свободная вода может совершать движение через поры грунта;
Деформирование грунтов происходит вследствие уменьшения объема пор, т.е. вследствие его уплотнения.
Общие случаи движения воды через грунт
В общем случае вода может совершать движение через грунт под действием:
Разности давлений водяного пара.
Сил поверхностного натяжения (капиллярное движение воды).
Разности осмотического давления связанной воды.
Разности гидростатических напоров
Движение воды под действием гидростатических напоров представляет наибольший практический интерес. Именно это движение воды называется фильтрацией.
Фильтрация - движение свободной воды в порах грунта при действии разности гидростатических напоров.
Фильтрация воды через грунт
Пример движения воды (фильтрации) через грунт при возникновении разности напоров приведен на рис.14.
Р
ис.14.
Схема фильтрации воды через грунт при
действии разности напоров, где
–
уровень
грунтовых вод,
разность
напоров,
расход
воды
На рис.14 показана схема, где разность напоров в целом обуславливается круговоротом воды в природе. Атмосферные осадки приводят к насыщению грунта водой, которая совершает движение к зонам понижения рельефа. Разность напоров и соответственно фильтрация может возникать и по другим причинам. Среди них необходимо отметить следующие:
Техногенная деятельность человека, способствующая подтоплению или осушению территорий (рис.15).
Загружение водонасыщенного основания внешней нагрузки и возникновение избыточного порового давления ( рис. 16).
а) б)
Рис.15. Фильтрация воды из зоны подтопления (протечки коммуникаций)- а), фильтрация воды при дренажном осушении территории –б).
Рис.16. Фильтрация воды из зоны действия избыточного порового давления.
Фильтрация воды при действии внешних нагрузок
Второй случай возникновения фильтрации нами будет рассмотрен наиболее подробно, так как именно скорость оттока избыточной поровой воды из зоны действия наибольших напряжений и будет обуславливать скорость протекания деформаций грунтового основания. Современные методы расчета и проектирования оснований и фундаментов в обязательном порядке учитывают процесс фильтрации воды, возникающий при действии внешних нагрузок.
Разность напоров в этом случае определяется из выражения:
,(1),где
Р -избыточное поровое давление в грунте,
γw-удельный
вес воды
Более подробно понятие порового давлении будет рассмотрено ниже.
65. Вода при фильтрации встречает в грунте сопротивление со стороны обтекаемых ею частиц. Если бы этого сопротивления не было, она двигалась бы в грунте с такой же скоростью, как и в открытом русле. Сопротивление грунтового скелета направлено навстречу движению воды, и оно точно равно тому давлению, которое вода оказывает на скелет. Это давление, создающееся в процессе фильтрации воды в грунте, называют гидродинамическим давлением. Для определения величины гидродинамического давления, приходящегося на единицу гидродинамическое давление возникает в грунте лишь тогда, когда в нем происходит фильтрация воды, почему его часто называют также фильтрационным давлением. Гидродинамическое давление действует по касательным к линиям тока фильтрующей в грунте воды. С возможностью проявления гидродинамического давления необходимо считаться во многих случаях производства работ в водонасыщенных песчаных грунтах. Неучет его воздействия может вызвать серьезные осложнения на строительстве. Большие затруднения, в частности, могут возникнуть в случае неправильного устройства шпунтовой стенки, ограждающей котлован в случае заложения подошвы фундамента ниже уровня грунтовых вод. Здесь отрывка грунта сопровождается одновременной откачкой воды из котлована, в результате чего ее уровень в котловане окажется ниже, чем с наружной стороны.Под влиянием этого напора вода станет фильтровать внутрь котлована из-под шпунта, если он не будет заглублен до водоупорного слоя. Восходящими токами вода может взрыхлить грунт, находящийся внутри ограждения, и привести его в состояние, непригодное для использования в качестве основания. Ослабится также заделка шпунта в грунте, и он под влиянием внешней горизонтальной нагрузки от давления грунта и воды может наклониться, сдвинуться внутрь котлована и прийти в аварийное состояние. Аналогичные случаи воздействия гидродинамического давления могут наблюдаться также и при проходке опускными колодцами водонасыщенных песков, особенно мелкозернистых. Здесь обычно применяют гидроэлеваторы или эрлифты, которые производят интенсивную откачку воды вместе с грунтом, в результате чего ее уровень в колодце значительно понижается. Под влиянием напора h вода фильтрует внутрь колодца под его ножами и перемещает в направлении своего движения достаточно большие объемы песчаного грунта, что создает угрозу соседним сооружениям. Во избежание этого вредного влияния фильтрации на состояние окружающих грунтов приходится вместо высокопроизводительных способов их разработки применять подводное землечерпание грейфером. Это позволяет при умеренном темпе работ поддерживать стояние воды в колодце примерно на том же уровне, какой имеется снаружи. В отдельных случаях производят искусственное понижение уровня грунтовых вод, чтобы осушить грунты на всю глубину опускания колодцев. Однако этот способ применим лишь тогда, когда ниже отметки их опускания остается еще слой водонасыщенных песков, достаточный, чтобы обеспечить нормальные условия для работы водопонизительной установки. Вопросы устойчивости оснований плотин также связаны с изучением возможности фильтрации воды из верхнего бьефа, в нижний. В зоне верхнего бьефа вода, просачиваясь в грунт, оказывает на него полезное уплотняющее воздействие. Наоборот, в зоне нижнего бьефа, где фильтрационные токи направлены преимущественно вверх, вода при недостаточной устойчивости грунта может произвести его выпор с катастрофическими последствиями для всего сооружения.