искать
Рубрикатор материалов

Сейчас в информационной базе:
рубрик - 116 , авторов - 429 ,
всего информационных продуктов - 4525 , из них
статей журнала - 944 , статей базы знаний - 90 , новостей - 3216 , конференций - 4 ,
блогов - 10 , постов и видео - 202 , технических решений - 10

© 2016-2020 ГеоИнфо

Разработка и сопровождение: InfoDesigner.ru
 

Фильтрационные испытания дисперсных грунтов

Мирный Анатолий Юрьевич и др.
13 мая 2021 года

Не секрет, что механическое поведение дисперсных грунтов во многом определяется поровой жидкостью. От скорости рассеивания избыточного порового давления зависит время фильтрационной консолидации, реализация сопротивления сдвигу – а, следовательно, и надежность проектных решений. В связи с этим определение коэффициента фильтрации дисперсных грунтов становится важнейшей задачей, которую не так просто решить традиционными методами.

В новой статье из цикла о лабораторных методах испытаний авторы расскажут об установке для фильтрационных испытаний дисперсных грунтов.

Мирный Анатолий ЮрьевичСтарший научный сотрудник Геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, руководитель проекта «Независимая геотехника»
Идрисов Илья ХамитовичГенеральный директор ООО НПП« Геотек»

Традиционно, течение воды в грунте принято описывать законом фильтрации А. Дарси. Действительно, при небольших скоростях течения поток жидкости можно рассматривать как ламинарный, и скорость потока прямо пропорциональна разности напоров между рассматриваемыми точками и обратно пропорциональна длине пути:

Коэффициент пропорциональности в данном случае называют коэффициентом фильтрации. Этот параметр является одним из основных элементов теории фильтрационной консолидации ведь рассеивание порового давления происходит именно за счет фильтрации. Все методы определения коэффициента фильтрации регламентированы ГОСТ 25584-2016.

Для определения коэффициента фильтрации песчаных грунтов используются несложные приборы, позволяющие обеспечить небольшую разность напоров на верхнем и нижнем торце цилиндрического образца в металлическом кольце. Коэффициент фильтрации в данном случае определяется напрямую: путем сопоставления расхода за единицу времени и градиента напора. Испытание при нескольких различных значениях градиента напора позволяет нанести точки на график и построить линейную аппроксимацию.

В пылевато-глинистых грунтах коэффициент фильтрации имеет существенно меньшие значения, поэтому требуется более сложное оборудование компрессионно-фильтрационный прибор («комфильметр»), разработанный Г.И. Тер-Степаняном. Перед началом непосредственного фильтрационного испытания к образцу прикладывается вертикальная нагрузка, аналогично испытаниям компрессионного сжатия. Далее устанавливается необходимый градиент напора, и по пьезометрам ведется наблюдение за процессом фильтрации.

К сожалению, экспериментальное определение коэффициента фильтрации связано с большими трудностями. Для песчаных грунтов результат в значительной степени зависит от плотности укладки образца в кольцо. Учитывая, что плотность сложения песчаных грунтов на практике обычно определяется косвенными методами, точность фильтрационных испытаний в лабораторных условиях не может быть высокой.

В случае пылевато-глинистых грунтов на качество определения коэффициента фильтрации будут влиять как конструктивные, так и физические факторы.

Физическим фактором, влияющим на качество испытания, является так называемый «начальный градиент напора». Известно, что в глинистых грунтах до определенных значений градиента напора фильтрация не начинается вовсе, либо протекает с пренебрежимо малой скоростью. Это объясняется влиянием связанной воды. Под действием напора фильтрация начинается только в свободной воде связанная вода не подчиняется законам гидравлики. Тем не менее, по мере увеличения скорости фильтрации происходит постепенный отрыв отдельных молекул связанной воды, и они начинают участвовать в фильтрационном процесс. При этом пленки связанной воды становятся тоньше, сечение пор, по которым идет фильтрация, увеличивается следовательно, увеличивается и скорость. В результате зависимость скорости фильтрации от градиента напора при малых скоростях становится выраженно нелинейной. В качестве приближенного решения предлагается продлевать линейный участок до пересечения с осью абсцисс, полученную при этом точку i0 называют «кажущийся начальный градиент напора». Фактический начальный градиент напора i0 имеет меньшее значение, но экспериментально устанавливается с большим трудом.

 

Рис. 1 Зависимость скорости фильтрации vф от градиента i для несвязных (I) и связных (II) грунтов

 

Таким образом, при малых градиентах напора экспериментально определить коэффициент фильтрации в компрессионно-фильтрационном приборе не удастся. Увеличение напора, в свою очередь, приведет к возникновению пристенной фильтрации. В компрессионных приборах неизбежно возникают зазоры между образцом и жестким металлическим кольцом, ограничивающим боковое расширение. Этот зазор не обязательно закрывается даже при нагрузке на штамп 100-200 кПа, и в результате фильтрация воды протекает вдоль стенки кольца, что приводит к завышению коэффициента фильтрации.

На практике часто применяется расчетный метод определения коэффициента фильтрации в глинистых грунтах путем пересчета из коэффициента фильтрационной консолидации. Испытание на консолидацию не требует специального оборудования и контроля градиента напора, а коэффициент фильтрации может быть выражен формулой:

 

,

где kф коэффициент фильтрации; cv коэффициент фильтрационной консолидации; mv коэффициент относительной сжимаемости; γw удельный вес поровой жидкости.

 

К сожалению, данный метод обладает существенными недостатками:

- неизвестен фактический градиент напора (избыточное поровое давление), при котором проводится испытание;

- точность определения коэффициента консолидации во многом определяется субъективными факторами, так как выполняется графическими методами;

- метод основан на аналитическом решении задачи одномерной фильтрационной консолидации, которая содержит ряд допущений (например, 100% водонасыщение грунта, абсолютная несжимаемость поровой жидкости и т.д.).

В качестве альтернативного метода определения фильтрационных характеристик дисперсных грунтов можно использовать испытания в приборах с гибкой стенкой. Данные испытания описаны в ASTM 5084-16. Оборудование для проведения испытания конструктивно напоминает камеру трехосного сжатия типа А, но без возможности приложения девиаторной нагрузки. Цилиндрический образец размещается в эластичной мембране внутри камеры, в которой можно увеличивать изотропное давление жидкости. К верхнему и нижнему штампам обеспечен подвод жидкости для водонасыщения и фильтрационного испытания. Дополнительно имеется возможность измерения высоты образца в ходе опыта.

Рис. 2. Схема фильтрационного прибора по ASTM D5084

 

В ходе испытания образец обжимается изотропно, что обеспечивает плотное прилегание мембраны к боковой поверхности и полностью исключает пристенную фильтрацию. Величина напора контролируется регуляторами давления, а расход по изменению уровня жидкости в бюретках, подключенных к верхнему и нижнему штампам. Это позволяет проводить испытания как песчаных, так и пылевато-глинистых образцов при любых значениях градиента напора и действующего обжимающего давления, что делает прибор универсальным. Более того, испытания могут выполняться на одном и том же образце с постепенным увеличением давления и градиента, в результате чего снижается величина ошибки, связанной с неоднородностью строения отдельных образцов и различием в плотности.

ООО НПП «Геотек» предлагает прибор из серии АСИС Стандарт для проведения фильтрационных испытаний по ASTM D 5084-16. Прибор обеспечивает проведение фильтрационных испытаний глинистых грунтов при постоянном градиенте напора, с возможностью моделирования начальных граничных условий. В состав прибора входит камера для выполнения фильтрационных испытаний в условиях изотропного сжатия, емкость для подготовки и хранения рабочей жидкости, панель со сменными бюретами для визуального измерения объема, система управления давлением в камере и поровом пространстве образца. В состав комплекса входит необходимая измерительная аппаратура. Испытания проводятся в полуавтоматизированном режиме с контролем всех параметров испытания.

Более подробную техническую информацию можно получить у специалистов компании или на сайте www.npp-geotek.ru.


Список литературы

  1. ASTM 5084-16 Standard Test Methods for Measurement of Hydraulic Conductivity of Saturated Porous Materials Using a Flexible Wall Permeameter
  2. ГОСТ 25584-2016 Метод лабораторного определения коэффициента фильтрации
  3. Тер-Степанян Г.И., 1956. Комфильметр – прибор для компрессионных и фильтрационных испытаний грунтов

 

Отправить сообщение, заявку, вопрос

Отправить заявку на посещение мероприятия

Отправить заявку на участие как экспонент

Запросить консультацию специалистов по данному техническому решению