В исследованиях, проводимых на стадии рабочих чертежей, необходимо определять фильтрационные характеристики грунтов данного слоя в процессе их уплотнения до ожидаемых значений пористости (определяется по эпюрам распределения напряжения в основании фундаментов, полученным на стадии проектного задания).

Опыты следует проводить по методике с постоянным напором. Величину и градиент напора (градиентом напора называется отношение величины действующего напора к высоте образца) устанавливают в зависимости от моделируемой работы грунтов в основании данного сооружения. Особое внимание следует обратить на выбор градиента напора при исследовании пылеватых (макропористых), лёссовых и других грунтов, в которых при определенных значениях напора происходят суффозионные процессы, резко искажающие действительную водопроницаемость образца. При испытании малопроницаемых глинистых грунтов (коэффициент фильтрации меньше 10-7 см/сек) для увеличения напора целесообразно применять вакуум.

Опыт проводится следующим образом. После установки образца в прибор и проверки герметичности всех соединений удаляют воздух из прибора и образца исследуемого грунта. Затем перемещением напорного резервуара устанавливают нужный напор (при этом напорный резервуар должен быть защищен от попадания в него пыли). Чтобы предотвратить подъем образца в кольце при фильтрации воды снизу вверх, образец следует зажать арретиром. Когда подготовка окончена, через образец без приложения внешней нагрузки пропускают воду, расход которой измеряют мензуркой. Первоначально воду пропускают несколько раз до получения постоянного начального коэффициента фильтрации (в связи с длительностью проведения опыта для предотвращения испарения воды из приемной мензурки в нее помещают 0,2-0,5 см³ жидкого масла).

Рис. 1.18 Зависимость скорости фильтрации от градиента напора при уплотнении грунта: а – ил органо-минеральный из Риги; б – ил из речной Каширы;  в – ил из Архангельска; г – засоленный ил оз. Сиваш

После определения начального коэффициента фильтрации при данном напоре его увеличивают в два раза и снова определяют коэффициент фильтрации. Затем напор повышают в четыре раза (по сравнению с начальным) и вновь определяют коэффициент фильтрации.

Если при каком-то напоре в инфильтрате, собираемом в мензурку, обнаружится осадок, опыт следует прекратить, а напор уменьшить.

Чтобы выяснить возможность осмотической фильтрации, искажающей явление начального градиента напора, необходимо определить концентрацию солей в воде до и после фильтрации через образец. Для учета влияния температуры на фильтрационные характеристики не менее трех раз в сутки производят контрольный замер температуры фильтрующейся воды.

Результаты трех опытов с разными напорами наносят на график зависимости скорости фильтрации от градиента напора (рис. I.18). Если прямая линия, соединяющая экспериментальные точки, не проходит через начало координат, то на оси «градиент напора» она отсекает отрезок, который называют «начальным градиентом напора» .

Начальный градиент напора - это параметр уравнения фильтрации через грунт. Для большинства грунтов при градиентах напора, меньших начального, фильтрация или отсутствует, или происходит со скоростью, во много раз меньшей скорости фильтрации при градиентах напора, больших начального.

После проведения опытов с образцом грунта природной структуры, измерения коэффициента фильтрации и определения начального градиента напора образец грунта обжимают определенными ступенями вертикального давления (компрессия). Величины максимального вертикального давления и ступеней давления определяются фактической работой грунта в основании сооружения.

После стабилизации деформации образца глинистого грунта под каждой ступенью вертикального давления определяют коэффициент фильтрации грунта данной пористости (при трех разных градиентах напора) и начальный градиент напора по схеме, указанной выше. На основании этих опытов можно установить изменение коэффициента фильтрации и начального градиента напора от изменения пористости или давления.

Для решения ряда инженерных задач, связанных с уплотнением сильносжимаемых глинистых грунтов при дренировании (песчаные сваи, вертикальные песчаные дрены, дренаж и т.п.), необходимо знать возможный вынос частиц при данном напоре (или градиенте напора). Для этой цели опыты следует проводить при заданном напоре, а собранный инфильтрат выпаривать, чтобы определить количество выносимых частиц (в процентах) при данном градиенте напора для грунтов данной пористости.

Если невозможно обеспечить постоянную температуру в процессе опыта, то следует периодически замерять температуру и приводить фильтрационные характеристики, например к +15° С - наиболее характерной температуре большинства толщ слабых водонасыщенных глинистых грунтов или к заданной температуре.