1.1.2. Водопроникність грунтів. Закон ламінарной фільтрації

Другою особливістю ґрунтів як дисперсних пористих тіл є їх водопроникність, тобто здатність фільтрувати воду. Фільтрація в ґрунтах залежить від ступеня ущільнення ґрунтів, а для тугопластичних напівтвердих глин - від наявності початкового градієнту тиску, лише подолавши який, починається рух води.

Рух різних видів води у ґрунтах відбувається під впливом різних (залежно від зв'язаності частинок води з мінеральним скелетом) чинників. Для руху води необхідний градієнт тиску, що викликається тими або іншими фізичними причинами. Напірний рух води у ґрунтах вивчається як в теорії руху ґрунтових вод, так і в механіці ґрунтів, де величина тисків визначається не тільки розташуванням точок ґрунту від нульового рівня, але і величиною зовнішнього тиску від споруди, яке також викликає на­пірний рух вільної і зв’язаної порової води. Швидкість напірного руху ґрунтових вод залежить від розмі­ру пір ґрунту, опорів по шляху фільтрації і величини тисків.

Якщо лінії струмів води (рухи частинок води в потоці) ніде не перетинаються один з одним, такий рух називається ламінарним; за наявності перетинів і завихрень рух буде турбулентним. В ґрунтах в більшості випадків рух води буде ламінарним.

Ламінарний рух води відбувається з тим більшою швидкістю, чим більше так званий гідравлічний градієнт i або у простішому випадку ухил поверхні рівня ґрунтових вод (мал. 1.2). Гідравлічний градієнт рівний відношенню втрати натиску до довжини шляху фільтрації L.

Рис. 1.2 Схема фільтрації води в ґрунтах

По Дарсі, витрата води в одиницю часу через одиницю площі поперечного перетину ґрунту, або так звана швидкість фільтра­ції, прямо пропорційна гідравлічному градієнту i. В механіці ґрунтів рух води вивчається, головним чином при дії натисків, що викликаються в поровій воді зовнішнім навантаженням, яке також виражається висотою стовпа води.

Фільтрація води у в'язких глинястих ґрунтах має свої особливості, викликані ма­лими розмірами пір і в'язким опором водно-колоїдних плівок, що обволікають мінеральні частинки ґрунтів. Чим тонше водно-колоїдні плівки у ущільнених глиня­стих ґрунтах, тим більший опір вони надають напірному руху води як унаслідок великої в'язкості водно-колоїд­них плівок, так і їх пружності. Фільтрація води у в'язких (тугопластичних) глинястих ґрунтах починається лише досягши градієнтів натиску деякої початкової вели­чини, що долає внутрішній опір руху водно-колоїдними плівками. Його урахування при прогнозі осідань, ущільнення в'язких глинястих ґрунтів під дією зовнішнього навантаження (тиск) від споруд, що зводяться, істотно позначається на величині прогнозованих осідань і дозволяє точніше підійти до їх оцінки.

Ефективний і нейтральний тиск у ґрунтовій масі. При дослідженні стиснення ґрунтової маси розглядаються дві системи тиску: 1 - тиск у скелеті ґрунту рг і 2 - тиск у поровій воді рw. Перші називаються ефективним тиском, оскільки вони ефективно діють на ґрунтові частинки, ущільнюють і зміцнюють ґрунт; другі - нейтральним тиском, оскільки вони не ущільнюють і не зміцнюють ґрунт, а створюють лише тиск у воді, що викликає її фільтрацію.

Для будь-якого моменту часу у повністю водонасичений ґрунтовій масі має місце співвідношення P = рг + pw, тобто повний тиск рівний сумі ефективного і нейтрального. Із зміною одного з доданків (при постійному зовнішньому тиску Р) міняється і інший доданок. Тиск від налитої води пере­дається тільки на порову воду, збільшивши її тиск, і не позначиться на ущільненні ґрунту, тобто буде нейтральним тиском. Ефективний тиск рг завжди передається тільки через крапки і майданчики контактів твердих частинок, а нейтральне - через порову воду, і, якщо воно позитивне (понад гідроста­тичного), то називається паровим тиском (u). Поняття про ефективний і нейтральний тиск розповсюджується і на будь-які нормальні напруги, діючі у водонасичених ґрунтах. У загальному випадку можна сказати, що ефективна напруга у будь-якій точці водонасиченого ґрунту рівна різниці між повною і нейтральною напругами.