Главная страница >> Водонасыщенные глинистые грунты >> Исследование явление начального градиента напора

Исследование явление начального градиента напора

В практике исследований глинистых грунтов большой интерес представляет «явление начального градиента напора». Некоторые исследователи в течение очень длительного времени были против возможности существования такой закономерности фильтрации и считали, что это явление связано с неправильным проведением экспериментов. Впервые отклонение фильтрации в грунтах от закона Дарси было обнаружено в опытах, проведенных в 1929 г. Н. П. Пузыревским. В 1935 г. К. П. Лундин установил, что такое отклонение наблюдается при фильтрации через торф. В конце 1940 г. С. А. Роза и Б. Ф. Рельтов установили, что отклонение от закона Дарси характерно для фильтрации через очень плотные глины (полутвердой и твердой консистенции).

Отклонение фильтрации воды через глинистый грунт от закона Дарси некоторые исследователи объясняют повышенной вязкостью граничных слоев жидкости. Так, измерение Б. В. Дерягиным и его сотрудниками вязкости граничных слоев жидкости методом сдувания показало, что вязкость этих слоев около твердых поверхностей изменяется скачком в несколько раз (по сравнению с вязкостью жидкости в большом объеме). Это явление объясняется действием молекулярных сил притяжения «твердой» стенки на граничный слой. Исследования этого слоя толщиной порядка 0,1 мк при помощи электронных лучей показали, что молекулы в нем расположены параллельно одна другой и перпендикулярно поверхности твердого тела. Именно ориентированным расположением молекул в граничном слое и объясняется повышенная вязкость жидкости.

По мнению Б. Ф. Рельтова, физико-химическая природа начального градиента напора обусловлена другими причинами. Основываясь на работах Б. В. Дерягина и его сотрудников, исследовавших «силы прилипания», Б. Ф. Рельтов считает, что в определенных условиях взвешенные коллоидные частицы, имеющие размеры, меньшие, чем поры, могут прилипать к стенам пор и образовывать внутри них пространственные структуры. Особенно это относится к глинистым грунтам с малыми коэффициентами фильтрации. Для прилипания необходимо, чтобы взвешенные частицы, сталкивающиеся в процессе броуновского движения, в течение некоторого времени могли задерживаться на поверхности стенок пор. Такие условия создаются в тех случаях, когда движение воды в порах происходит с достаточно малыми скоростями. Наиболее благоприятные условия для прилипания возникают в углах и «тупиках» пор, где существуют «мертвые» пространства. В ряде случаев, при временном прекращении фильтрации, взвешенные частицы оседают на стенки пор или вследствие теплового движения попадают в сферу действия молекулярных сил. В первый момент частицы находятся в наименее устойчивом положении. Постепенно силы прилипания возрастают, т. е. увеличивается сопротивление частиц сносу фильтрационным потоком и они сами становятся в состоянии удерживать прилипшие к ним новые частицы. Таким образом, создаются «рыхлые» структуры внутри пор, значительно увеличивающие гидравлическое сопротивление потоку и резко уменьшающие коэффициент и скорость фильтрации.

Именно эти структуры и являются, по мнению Б. Ф. Рельтова, причиной явления начального градиента. Согласно исследованиям, проведенным в ВНИИГе им. Б. Е. Веденеева, для образования пространственных структур требуется крайне небольшое количество коллоидного вещества.

Многочисленные лабораторные исследования, проведенные в лаборатории МИСИ в 1962-1971 гг., показали, что явления начального градиента напора при фильтрации через уплотняемые образцы слабых водонасыщенных глинистых грунтов природной структуры наблюдались при коэффициентах пористости, значительно больших по величине, чем коэффициенты пористости плотных глин, у которых были обнаружены начальные градиенты напора С. А. Роза и Б. Ф. Рельтовым.

Это явление может быть объяснено тем, что при уплотнении сильносжимаемых глинистых грунтов происходят микросдвиги частиц, в результате чего резко уменьшается прочность связей между глинистыми частицами и агрегатами. Несомненно, что прочность связей между глинистыми частицами и агрегатами значительно меньше прочности связей между глинистыми частицами в «плотных» глинах.

При создании напора фильтрационный поток в порах скелета грунта увлекает за собой большое число глинистый частиц, которые и застревают в отдельных порах, закупоривая пути фильтрации, что принято называть заиливанием грунта. Для проверки этого явления был проведен ряд опытов на пастах саратовской глины с коэффициентом пористости 2,12-1,83 и на образцах ила ненарушенного сложения из районов Архангельска и Риги.

К образцам грунтов сразу же после обжатия нагрузкой 0,4 кгс/см2 (образцы раньше были обжаты нагрузкой 0,2 кгс/см2) прикладывали напор 100 см (градиент 24-30). Фильтрация проводилась по схеме снизу - вверх. Воду, которая профильтровывалась через образец, собирали в мензурки. Затем ее наливали в чашки, выпаривали и определяли количество взвешенных частиц на аналитических весах. Аналогичные опыты по определению количества взвешенных частиц проводились и после полной стабилизации осадки образцов грунта. Некоторые результаты этих опытов приведены в табл. I.7.

Из данных таблицы видно, что количество выносимых глинистых частиц зависит от относительного сжатия образца. Для всех исследуемых грунтов по мере их нагружения наблюдалось уменьшение количества частиц, выносимых фильтрационным потоком.

Исследования гранулометрического состава инфильтрата показали, что диаметр частиц (по Стоксу) в основном меньше 0,001 мм. Определения производились с небольшой точностью, так как исследовались небольшие объемы суспензий. Во многих случаях в течение недели совершенно не наблюдалось выпадения частиц из раствора. Опыты показали, что при уплотнении образцов сильносжимаемых глинистых грунтов и прохождении через них фильтрационного потока наблюдается суффозия коллоидных частиц. Следовательно, при фильтрации через грунт вода движется со взвешенными глинистыми частицами.

Итак, многочисленные экспериментальные исследования, проведенные нами на различных сильносжимаемых водонасыщенных глинистых грунтах, показали, что для многих видов слабых грунтов различного происхождения действительно наблюдается отклонение фильтрации от закона Дарси.

В отличие от опытов С. А. Роза и Б. Ф. Рельтова фильтрация через сильносжимаемые грунты естественной пористости часто происходит по закону Дарси, однако в процессе их уплотнения начиная с определенной пористости наблюдается ее отклонение от закона Дарси. Впервые было установлено, что начальный градиент напора слабых водонасыщенных глинистых грунтов является переменной величиной для - многих видов еильносжимаемых грунтов (в отличие от «плотных» глин, которые характеризуются одним постоянным значением начального градиента напора).

На рис. I.18 были показаны результаты исследований изменяемости величины начального градиента напора в. процессе уплотнения. Опыты, проведенные на глинистых грунтах различного происхождения, показа ли, что для некоторых видов грунтов (засоленные илы) величина начального градиента напора остается постоянной практически в период всего уплотнения образцов до давления 5 кгс/см2 (см. рис. I.18, г).

Зависимость между величиной начального градиента напора и коэффициентом пористости
Рис. I.20. Зависимость между величиной начального градиента напора и коэффициентом пористости при уплотнении грунтов
а - ил (Рига); б - юрская глина (Москва)

Для слабых глинистых грунтов аллювиального происхождения, содержащих органические вещества, характерна линейная зависимость начального градиента напора от коэффициента пористости (рис. I.20, а). Для иольдиевых глин, верхнего слоя юрских отложений, хвалынских водонасыщенных глин и некоторых других типов глинистых грунтов характерна параболическая зависимость между величиной начального градиента и коэффициентом пористости при уплотнении грунтов (рис. I.20, б).