Лабораторные методы определения коэффициентов фильтрации грунтов
Оценка водопроницаемости грунтов, выражаемая величиной коэффициента фильтрации k, имеет большое значение во многих практических инженерных проблемах. С этими вопросами приходится считаться при оценке водоудерживающей способности земляных плотин, или интенсивности понижения уровня грунтовых вод насосными установками при проходке котлованов, или, наконец, при прогнозе скорости осадки зданий.
В лабораториях для численного определения коэффициентов фильтрации k наиболее часто используются два типа приборов: пермеаметры с постоянным и изменяющимся напором (рис. 5.3). Пермеаметр с изменяющимся напором (рис. 5.3, а) большей частью используется для испытания грунтов, подобных глинистым, для которых фильтрационный расход обычно очень мал. Образец грунта 2 с площадью поперечного сечения А помещается между очень пористыми дисками-фильтрами 3. Расход воды Q измеряется с помощью тонкой стеклянной трубки 1 с малой площадью поперечного сечения а. Коэффициент фильтрации k вычисляется следующим образом. В течение небольшого интервала времени dt напор уменьшается на величину dh. Расход через стеклянную трубку 1 будет тогда dha и равен расходу dQ через образец грунта. Используя уравнение (5.4), получаем
Общий расход за период времени t=t2—t1, в течение которого напор уменьшается от h1 до h2, получается путем интегрирования уравнения (5.7) в соответствующих пределах. Получим
При испытании таких сильно проницаемых грунтов, как пески, часто предпочтительнее использовать пермеаметр с падающим напором типа, показанного на рис. 5.4, с A=а. Уравнение (5.8) в этом случае упрощается и при размерах, указанных на рис. 5.4, получает вид (в см/сек, если t измеряется в секундах):
Значения коэффициентов фильтрации k обычно даются приведенными к температуре 20° С. С этой целью значения k, полученные из выражений (5.8) и (5.9), умножаются на коэффициент вязкости Cv, взятый из графика, приведенного на рис. 5.5, для соответствующей температуры воды, измеренной в период проведения фильтрационного испытания.
На рис. 5.3, б показана установка, представляющая собой пермеаметр с постоянным напором. Вода в сосуде 4 сохраняется на постоянном уровне. Образец грунта 2 толщиной L и поперечным сечением А помещается в сосуд между пористыми фильтрами 3. Вода фильтрует через грунт и попадает в сосуд 5 со сливом, расположенным так, что напор А и, следовательно, гидравлический градиент S остаются в течение всего опыта постоянными. Расход Q в данный период времени t измеряется непосредственно в сосуде I, который для этой цели имеет измерительную шкалу. Q определяется по разности уровней WL2 и WL1, соответствующей интервалу времени t=t2—t1. Таким образом, имеются все данные, необходимые для вычисления коэффициента фильтрации k по выражению (5.4).
Использование пермеаметра с постоянным напором практически оправдано только при испытании достаточно сильно водопроницаемых грунтов, таких как пески, фильтрационный расход через которые оказывается в опытах значительным. Однако даже для таких грунтов использование пермеаметра с падающим напором типа, изображенного на рис. 5.4, очевидно, предпочтительнее, так как на результаты, получаемые с помощью последнего, пузырьки воздуха, скапливающиеся в соединительных трубках, оказывают меньшее неблагоприятное влияние, чем при использовании прибора, показанного на рис. 5.3, б. Для точных измерений желательно брать воду, освобожденную от воздуха.