Плывуны и гидродинамический выпор » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Плывуны и гидродинамический выпор

03.07.2021

Потеря напора вдоль линии тока происходит из-за трения между водой и грунтом, через который вода фильтрует. Скелет грунта воспринимает силу трения как реакцию. Так называемые фильтрационные силы, отражающие разность напоров, или потенциалов, воздействуют на грунт в направлении, по которому движется вода. Фильтрационная сила J, действующая на некоторый объем грунта с площадью поперечного сечения А на участке длиной L, где имеет место потеря напора Ah, будет равна:

Здесь yf — удельный вес жидкости (для чистой воды при использовании метрической системы yf=1).

Фильтрационное давление j, воздействующее на единицу объема грунта (A=1), равно:

где S = Ah/L — гидравлический градиент.

В английской системе мер

Если линия тока выклинивается на откос, сложенный песком, фильтрационная сила может повлиять на величину угла откоса aR. На низовом откосе плотины вблизи свободной поверхности воды фильтрационное давление j будет уменьшать аR, так как горизонтальные составляющие j вдоль линий тока аа будут стремиться увеличить касательные сдвигающие силы (см. рис. 5,6, в и г). Это явилось отчасти причиной ошибочного представления, приводимого во многих старых учебниках о том, что угол естественного откоса, сложенного из насыщенного водой чистого песка, меньше, чем у сухого. Подобные явления часто наблюдаются после сильных дождей на любой насыпи на уровне уреза воды. Вода редко бывает настолько прозрачной, чтобы можно было видеть, что при таких условиях угол откоса в песке ниже уреза имеет обычно более крутое очертание, чем у самого уреза.

Вода, просачивающаяся в толщу склона, например в толщу верхового откоса плотины, оказывает на него стабилизирующее влияние, так как фильтрационные силы увеличивают силы сопротивления грунта сдвигу. Это обстоятельство используется при проходке котлованов в толще очень тонкозернистых грунтов («каменной пыли») с малым сцеплением, когда для облегчения проведения работ применяют надлежащим образом расположенные трубчатые колодцы с электроосмосом или без него.

Нередко, например при откачке котлованов, вода с низовой стороны некоторых типов перемычек (см. рис. 16.35, а) может подниматься вертикально почти под прямым углом к дну котлована. В этом случае фильтрационные силы j будут также направлены вверх и будут гаситься объемным весом у'm взвешенного в воде песка. В соответствии с выражениями (5.19), (4.9) и (4.11) в условиях предельного равновесия

Очевидно, что критический гидравлический градиент, который соответствует этому состоянию предельного равновесия, будет равен:

Удельный вес G зерен кварцевых песков равен 2,65 и, согласно рис. 4.9, коэффициент пористости е некоторых песков в естественном залегании может изменяться в пределах 0,57—0,95. При этих значениях G и е мы получим из уравнения (5.21) для возможного наиболее рыхлого состояния водонасыщенных песков Scr = 0,85 и для наиболее плотного Scr = 1,05. Приближенное среднее значение критического гидравлического градиента может приниматься равным единице. Этому значению Scr соответствует коэффициент пористости е = 0,65 и по выражению (4.3) пористость n = 39,3%.

Сущность критического гидравлического градиента может быть продемонстрирована в лабораторных условиях с помощью установки, вертикальный разрез которой показан на рис. 5.8 и 5.9. Она представляет собой металлический лоток размером 1x1x1 фут с одной стеклянной стороной. Когда вентиль С открыт, вода поступает в полость под дном установки. Выше дна лотка на расстоянии, приблизительно равном 1", размещается пористая плита-фильтр А. Пространство выше фильтра может быть заполнено песком почти до уровня водослива. В свободную полость ниже фильтра заводится пьезометрическая трубка В.

После того как вентиль С будет открыт, вода начинает двигаться вертикально вверх через фильтр и песок. Следует отметить, что уровень воды в пьезометре В будет выше уровня свободной поверхности воды в лотке на величину h, которая по мере увеличения открытия вентиля С будет увеличиваться с повышением скорости потока. Следовательно, высота h представляет собой потерю напора фильтрующей воды из-за трения о скелет твердого вещества фильтра и уложенного на нем песка. Линии тока, десять из которых (от а до j) показаны на рис. 5.8, направлены вертикально вверх. Эквипотенциали в силу их природы пересекают линии тока под прямым углом и, следовательно, в этом случае горизонтальны. Если мы проведем эквипотенциали так, что расстояния между ними представят одинаковую величину потери напора Ah=const, их число по мере открытия вентиля С будет увеличиваться вместе с гидравлическим градиентом S=h/L. Интервал между эквипотенциалями AL будет соответственно уменьшаться. Таким образом, если эквипотенциали 0—0—3'—3', как показано на рис. 5.8, соответствуют потери напора h, большая потеря напора с увеличением скорости потока будет приводить к системе с более близким расположением эквипотенциалей, например 0—0—10—10, изображенных там же.

В конце концов будет достигнуто критическое состояние, когда вся грунтовая масса начнет кипеть. При этом она взрыхляется, взвешивается восходящим потоком воды и приобретает свойства плывуна. Это состояние описывается выражением (5.21) и равенством Scr=Ah/ALcr. В таком состоянии грунт теряет свою несущую способность; любой предмет, если его объемный вес выше объемного веса жидкой смеси песка и воды, помещенный на поверхность песка, будет утопать в нем. Однако следует отметить, что размещение массивного предмета на поверхности песка видоизменяет форму гидродинамической сетки (см. рис. 5.9 и ср. с рис. 5.8). Видимое, кипение песка будет начинаться у краев предмета W. Это вызывается большими местными скоростями потока, о чем свидетельствует более тесное расположение линий тока, отклоняемых предметом от их первоначального направления.

Аналогичную картину показывают натурные наблюдения за поведением недостаточно удачно спроектированных перемычек: обычно с их низовой стороны на уровне подошвы в месте наибольшей концентрации линий тока возникает такое явление с переходом песка в состояние плывуна.

В лабораторных условиях направление потока в установке можно заменить обратным (см. рис. 5.8), подсоединяя вентиль С к сбросной трубе и открывая его. Тогда можно увидеть, что уровень воды в пьезометре В упадет до уровня ниже свободной поверхности воды в лотке. Величина этого отрицательного напора h будет увеличиваться с возрастанием скорости истечения воды через вентиль С. Направление действия фильтрационных сил теперь будет обратным и будет накладываться на действие силы тяжести. Таким образом, они будут стремиться немного уплотнить грунт и увеличить его сопротивление сдвигу.

Из изложенного следует, что любой песок может стать плывуном и оставаться продолжительное время в этом состоянии, пока существует восходящий поток воды и гидравлический градиент имеет критическое значение. Такое положение может создаться при неправильной организации водоотлива из котлована или при особых условиях дренирования толщи грунтов, например в основании неудачно спроектированных плотин, возведенных на песчаных грунтах. Таким образом, плывун — это не особый грунт, а некоторое его состояние, которое может быть соответствующими мерами предотвращено. Особое состояние может возникнуть в неуплотненных, рыхлоотложенных, полностью водонасыщенных песках. При неожиданном ударе или сотрясении рыхлая зернистая структура таких песков может оказаться разрушенной, и вся масса песка может мгновенно перейти как бы в жидкое состояние, т. е. в состояние плывуна, со всеми вытекающими отсюда неблагоприятными последствиями. Некоторые слабоуплотненные, весьма мелкие и однородные рыхлые пески особенно подвержены такому мгновенному разжижению. Касательные напряжения сдвига, развиваемые при производстве работ, могут благоприятствовать мгновенному разжижению во всех рыхлых полностью насыщенных песках.

Особый тип локального плывунного состояния возникает при так называемом гидродинамическом выносе песка, при котором разжиженная масса песка и воды движется сквозь сохраняющую устойчивость окружающую толщу песка так, как будто разжиженная масса течет в трубе. Рис. 5.10 показывает, как это явление демонстрируется в лабораторных условиях в фильтрационном лотке, изображенном на рис. 5.6, а. Поперек лотка устанавливается временно вертикальная перегородка. Она имеет на четверти своей высоты от низа небольшое (диаметром 2") полукруглое отверстие, примыкающее к стеклянной стенке лотка. Отверстие закрывается съемной пробкой. По одну сторону перегородки лоток заполняется мелким прибрежным песком с прослоями через 2" искусственно окрашенного черного песка. На рис. 5.10 изображена установка после окончания заполнения ее песком. Две белые стрелки показывают уровень воды, который был одинаковым по обе стороны перегородки. Когда пробка удалялась и песок начинал струиться вбок через отверстие, столб песка непосредственно выше отверстия немедленно переходил в разжиженное состояние и начинал течь вниз так, как он двигался бы в трубе. На поверхности песка при этом образовывался кратер с откосами, отвечающими углам естественного откоса песка. Песок по откосам кратера скатывался вниз к «трубе», которая имела почти вертикальные стенки. Боковое давление, развиваемое тяжелой разжиженной смесью песка и воды, должно быть достаточным для того, чтобы, преодолевая его активное боковое давление, удержать на месте окружающий песок в устойчивом состоянии. Давление должно быть, конечно, относительно небольшим, так как в зоне вокруг жидкой «трубы» проявляется «арочный эффект», подобный тому, который возникает вокруг стволов шахты.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: