П 49-90
-----------
ВНИИГ

     
     
РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО МЕТОДИКЕ ЛАБОРАТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ГРУНТОВ НА ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ
И СУФФОЗИОННУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ

     
     
Дата введения II квартал 1991 г.

     
     
     ВНЕСЕНЫ Всесоюзным ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательским институтом гидротехники имени Б.Е.Веденеева
     
     УТВЕРЖДЕНЫ ВНИИГом им. Б.Е.Веденеева решением N 15 от 7 мая 1990 г. по согласованию с Главтехстроем Минэнерго СССР
     
     
     Рекомендации по методике лабораторных испытаний грунтов на водопроницаемость и суффозионную устойчивость являются практическим пособием по экспериментальному определению в лабораторных условиях указанных свойств нескальных (зернистых) и образцов скальных грунтов, в том числе после их замораживания и оттаивания (при наличии криогенной структуры).
     
     Рекомендации развивают и поясняют соответствующие разделы СНиП, регламентирующие фильтрационные расчеты оснований гидротехнических сооружений и плотин из грунтовых материалов.
     
     Рекомендации составлены с учетом современных достижений в данной области фильтрационных исследований грунтов и предназначены, главным образом, для инженерно-технического персонала специализированных подразделений научно-исследовательских и проектных организаций, занимающихся определением и контролем фильтрационно-суффозионных свойств грунтов.
     
     Автором Рекомендаций является Заведующий Лабораторией фильтрационных исследований ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева доктор техн. наук В.Н.Жиленков.
     
     

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

     
     1.1. Рекомендации являются практическим пособием по экспериментальному определению в лабораторных условиях водопроницаемости и суффозионной устойчивости образцов нескальных и скальных грунтов, исключая их устойчивость к химической суффозии (выщелачивание). В Рекомендациях также рассматриваются методические приемы определения указанных свойств грунтов в процессе их промораживания и оттаивания, они развивают и поясняют в деталях соответствующие разделы СНиП по проектированию оснований гидротехнических сооружений и СНиП по проектированию плотин из грунтовых материалов, которыми регламентируется выбор расчетных характеристик грунтов, проектирование подземного контура сооружений и водоупорных элементов каменно-земляных плотин.
     
     1.2. В Рекомендациях рассматриваются методические приемы, наиболее широко используемые в настоящее время при экспериментальном определении в лабораторных условиях водопроницаемости и суффозионной устойчивости грунтов, в связи с чем также дана общая типизация видов суффозии грунтов в зависимости от характера воздействия на них фильтрационного потока.
     
     1.3. При изучении в лабораторных условиях фильтрационно-суффозионных свойств грунтов мы определяем характеристики, отличающиеся в той или иной мере от характеристик, получаемых в результате испытаний грунтов in situ, даже в местах отбора проб.
     
     Поэтому, во-первых, по своему объему пробы должны быть достаточно представительными, т.е. каждая проба должна иметь полный набор фракций частиц, содержащихся в грунте, во-вторых, места отбора проб и их количество надо назначать, исходя из предварительно установленной схемы геологического строения массива основания с учетом тех предполагаемых изменений режима фильтрации грунтовых вод, какие могут произойти в результате создания напора на сооружение, для проектирования которого используются определяемые характеристики грунтов.
     
     1.4. При испытании в лаборатории образцов грунтов или отдельных фрагментов сооружения и воспроизводя по своему желанию различные характерные случаи суффозионного разрушения грунта мы получаем исключительную возможность определить не только критические состояния фильтрационного потока, но и изучить более общие закономерности во взаимодействии грунта с фильтрационным потоком, что редко удается сделать при проведении экспериментов в натурных условиях.
     
     Обращаться к экспериментальному определению характеристик фильтрационно-суффозионных свойств грунтов надо тогда, когда имеются сомнения, что эти характеристики можно с надлежащей точностью получить расчетным путем, используя надежные исходные данные о состоянии грунта (его геотехнические характеристики).
     
     1.5. Предполагается, что пробы грунтов должны отбираться для последующего их испытания в лаборатории по методике, регламентируемой существующими руководствами по проведению инженерно-изыскательских работ.
     
     

Термины и определения

     
     Водопроницаемость грунта - свойство грунта, заключающееся в способности пропускать через себя воду. Количественно водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации.
     
     Фильтрация - движение жидкости в пористой среде (грунте).
     
     Фильтрационный поток - поток фильтрующейся в грунте жидкости.
     
     Скорость фильтрации - воображаемая (условная) скорость движения фильтрующейся в грунте жидкости, равная отношению ее расхода в данном живом сечении к полной площади этого сечения.
     
     Действительная скорость фильтрационного потока - средняя скорость движения жидкости в самих пустотах (порах) грунта, вмещающего фильтрационный поток.
     
     Ламинарная фильтрация - движение фильтрующейся жидкости со скоростью, линейно зависящей от градиента напора.
     
     Турбулентная фильтрация - движение фильтрующейся жидкости со скоростью, пропорциональной градиенту напора в степени меньше единицы.
     
     Коэффициент фильтрации - коэффициент пропорциональности в формуле Дарси, характеризующий степень водопроницаемости данного пористого тела (грунта).
     
     Свободная поверхность фильтрационного потока - поверхность, разделяющая две части пористого тела (грунта), одна из которых заполнена фильтрующейся жидкостью.
     
     Напорная фильтрация - фильтрация жидкости в условиях, когда поверхности, выделяющие область фильтрации вдоль потока жидкости, непроницаемы.
     
     Безнапорная фильтрация - случай фильтрации жидкости, когда фильтрационный поток имеет свободную поверхность, на которой сохраняется постоянство функции тока.
     
     Каркас (скелет) грунта - совокупность частиц грунта (преимущественно крупнозернистых фракций), образующих пространственную систему (структуру), на которую передается действующее на грунт внешнее давление.
     
     Заполнитель грунта - совокупность частиц, находящихся в поровом пространстве скелета грунта, на которые не передается действующее на грунт внешнее давление.
     
     Гидравлически эквивалентный диаметр пор - вычисленный по расходу фильтрации диаметр паровых каналов в грунте, приблизительно равный поперечникам каналов в местах их сужений (перехватов).
     
     Фильтрационная прочность грунта - способность грунта сопротивляться разрушающему воздействию фильтрационного потока, которое может иметь вид внутреннего размыва (внутренней суффозии), поверхностного размыва (эрозии), отрыва и выпора целых масс грунта, а также вымывания из грунта содержащихся в нем растворимых минералов (химическая суффозия); фильтрационную прочность грунта обычно характеризуют наибольшей допустимой в данных условиях величиной градиента напора или скорости фильтрующейся через грунт воды, при которой не возникает опасных деформаций грунта, а также резкого изменения его проницаемости.
     
     Суффозионная устойчивость - сохранение частицами грунта своего первоначального положения при воздействии на них фильтрационного потока.
     
     Механическая суффозия - размыв грунта фильтрационным потоком, проявляющийся в виде отрыва и перемещения отдельных его частиц и целых агрегатов внутри пор или трещин.
     
     Контактный размыв - разновидность механической суффозии мелкозернистого (чаще всего глинистого) грунта, характеризующаяся разрушением (эрозией) поверхности грунта фильтрационным потоком, который протекает вдоль этой поверхности в смежном, более проницаемом грунте (коллекторе).
     
     Контактный выпор - разновидность механической суффозии водонасыщенного глинистого грунта, т.е. грунта, частицы которого подвержены слипанию (сцеплению); характерным признаком выпора является выдавливание грунта под действием фильтрационных сил в пустоты другого грунта, например, в поровое пространство крупнозернистого материала обратного фильтра.
     
     Деструкция при замачивании (размокание) - нарушение структуры грунта (в том числе несвязного), характеризуемое его разрыхлением и полной потерей связности вследствие внутрипорового давления, возникающего при интенсивном капиллярном впитывании грунтом воды во время его замачивания и прекращения действия капиллярных (менисковых) сил.
     
     Сегрегация грунта - распределение частиц разнозернистого грунта по крупности (фракционирование), происходящее, главным образом, во время отсыпки и планировки грунта.
     
     Глинистый грунт - грунт, содержащий некоторое количество (обычно не менее 5% по массе) очень мелких частиц какого-либо глинистого минерала, вследствие чего этот грунт приобретает свойство, характеризуемое связностью структуры (сцеплением, прочностью на разрыв). Глинистый грунт должен иметь индекс пластичности более 0,03. В зависимости от величины индекса пластичности различают три разновидности глинистых грунтов: супеси, суглинки и глины.
     
     Мелкозем - грунт, содержащий мелкозернистые фракции с размерами частиц меньше одного миллиметра.
     
     Водоупорный элемент - устройство, являющееся частью сооружения, выполнено из слабопроницаемого материала (например, глинистого грунта), обеспечивает водоудерживающую способность данного сооружения. Водоупорными элементами плотины могут быть ядро, экран, понур.
     
     

2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФИЛЬТРАЦИИ ВОДЫ В ЗЕРНИСТОЙ
И ТРЕЩИННОЙ СРЕДАХ

     
Закономерности фильтрации воды в зернистой среде

Исходные морфологические и геометрические характеристики порового пространства зернистой среды

     
     2.1. Любой нескальный грунт, состоящий из твердых минеральных частиц, можно рассматривать, в зависимости от степени его водонасыщения, как двух- или трехфазную систему с эффективной объемной массой (плотностью), равной сумме масс частиц воды и воздуха в единице объема грунта. В практических расчетах чаще используют понятие объемной массы грунта  в сухом состоянии, т.е. массы частиц, содержащихся в единице общего объема. Так, при известной плотности  самих частиц сразу можно определить две основные геотехнические характеристики грунта: его пористость (отношение объема пор к общему объему)
     

                                                                (1)

     
и коэффициент пористости (отношение объема пор к объему частиц)
     

.                                                              (2)

     
     Пористость различных грунтов в естественном залегании обычно изменяется от 0,2 (разнозернистые аллювиальные грунты) до 0,6 (мягкая моренная глина). Но для оценки фильтрационно-суффозионных свойств нескальных грунтов наиболее важной является характеристика, выражающая изменение относительного содержания в грунте частиц в зависимости от их крупности (характеристика весового распределения частиц по фракциям). Эту характеристику представляют в виде графика зернового состава (рис.1), построенного в полулогарифмическом масштабе, чтобы более точно выразить долю мелких частиц, наличие которых в грунте сильно влияет на его геофильтрационные свойства.
     

Рис.1

1 - график суммарного относительного содержания (обеспеченности) частиц в грунте (кривая зернового
состава грунта); 2 - вспомогательный график для определения расчетных
размеров частиц по В.Н.Кондратьеву.

     
     
     Широкое распространение получила классификация грунтов по крупности частиц, предложенная Аттербергом в начале века, основанная на законе геометрической прогрессии со знаменателем 0,1. Например, гравий - 20-2 мм, крупный песок - 2-0,2 мм и т.д.
     
     Неоднородность зернового состава грунта принято характеризовать отношением , которое называют коэффициентом разнозернистости. Эта, широко употребляемая в настоящее время морфологическая характеристика грунтов, впервые была предложена А.Хазеном [1].
     
     Зерновой состав грунта следует считать неоднородным, если коэффициент  превышает 10. Хазен также показал, что водопроницаемость несвязного грунта в первом приближении зависит от величины этого коэффициента и размера , получившего название эффективного размера частиц.
     
     Позднее для оценки водопроницаемости грунтов И.И.Зауербрей [2] предложил использовать размер частиц , так как корреляции между коэффициентом фильтрации и структурными параметрами грунта при этом получаются более устойчивыми.
     
     Водопроницаемость зернистых грунтов (исключая глинистые) также зависит от формы их частиц. Хотя влияние формы относительно невелико, его учитывают, вводя в расчетные зависимости коэффициент формы сечений поровых каналов . Так, коэффициент фильтрации грунта с неокатанными частицами
     

,                                                                     (3)

     
где  - коэффициент фильтрации грунта с хорошо окатанными, по форме приближающимися к шару, частицами.

     Установлено [3], что
     

,                                                              (4)

     
где  - балл окатанности по шкале А.В.Хабакова [4]. Согласно этой шкале, частицы угловатой формы, характерной для щебнистого грунта, имеют нулевой балл, частицы с равномерно и хорошо окатанной поверхностью - четыре балла.
     
     Как видно, влияние формы частиц на водопроницаемость грунта относительно невелико: коэффициенты фильтрации грунтов с хорошо окатанными и угловатыми частицами (при одинаковых их размерах и плотности упаковки) отличаются примерно в два раза.
     
     Поскольку частицы различной дисперсности могут образовывать неодинаковые по своей пространственной форме каркасы, пористость или коэффициент пористости (определения которых приведены выше) дают лишь первоначальное представление о структуре грунта. Если бы частицы представляли собой одинаковые шары, то устойчивая равновесная структура грунта, состоящего из таких частиц, характеризовалась бы пористостью 0,395 и близкой к средней из граничных ее значений 0,26 и 0,48, соответствующих предельно плотной и рыхлой упаковкам равных по размерам шаров.
     
     Поскольку пористость зернистого грунта в объеме равна пористости в любом его сечении, средний диаметр пор грунта
     

,                                                                    (5)

     
где  - средний по обеспеченности размер частиц грунта.
     
     Пористость грунта заметно убывает по мере увеличения его разнозернистости. Зависимости (), полученные опытным путем, можно аппроксимировать уравнением вида
     

,                                                                     (6)

     
где  - пористость монофракционного грунта.

     Соответственно, коэффициент пористости
     

.                                                                   (7)

     
     Так, при нормальном уплотнении разнозернистого грунта с частицами средней окатанности 0,43 и 0,135.
     
     Влияние разнозернистости и плотности грунта на размер поперечников его пор В.Н.Кондратьев [5] предложил учитывать, вводя в виде множителя в выражение (5) параметр неоднородности
     

,                                                                    (8)

     
где  и  - размеры частиц, определяемые по вспомогательному графику (линия 2 на рис.1) зернового состава фиктивного грунта с логнормальным распределением частиц.
     
     Представляя фильтрационную модель зернистого грунта в виде пучка извилистых четочных капилляров (капилляров Жамена), нетрудно понять, что водопроницаемость грунта должна определяться не средним диаметром, а размером  поперечников поровых каналов в местах их сужений. Поэтому размер  называют гидравлически эквивалентным диаметром поровых каналов грунта, который примерно в три раза меньше среднего .
     
     Гидравлически эквивалентный диаметр поровых каналов в зернистом грунте рекомендуется определять по формулам:
     

                                                              (9)

     
или

.                                                       (10)

     
     Для монозернистых грунтов (с одинаковыми по крупности частицами) при наиболее вероятной их пористости, близкой к 0,4, величина поперечника .
          

Гидравлические сопротивления установившемуся движению воды в несвязных зернистых грунтах

     
     2.2. Основной закон сопротивления при фильтрации воды (являющейся однородной и практически несжимаемой жидкостью) в песчаных грунтах экспериментально установлен Дарси в 1852-1855 гг. [6] и с тех пор известен под названием закона Дарси.
     
     Впоследствии этот закон был распространен на другие грунты и пористые материалы.
     
     Закон Дарси состоит в том, что расход жидкости, фильтрующейся через пористый материал, пропорционален всей площади  поперечного сечения потока (включая частицы материала и свободное пространство между ними) и градиенту напора :
     

.                                                                 (11)

     
     Здесь множитель , имеющий размерность скорости, называют коэффициентом фильтрации, а его величина зависит, главным образом, от поперечника поровых каналов в материале.
     
     В настоящее время общепринятым является следующее выражение закона Дарси
     

,                                                                     (12)

     
где  - скорость ламинарной фильтрации жидкости;  - коэффициент ламинарной фильтрации.
     
     Коэффициенты ламинарной фильтрации зернистых грунтов следует определять по приводимым ниже формулам:
     
     а) для несцементированного песчаного грунта
     

;                                                              (13)

     
     б) для крупнообломочного грунта, диаметр пор которого  превышает 0,2 см, согласно [7], в выражение (13) надо вводить в виде сомножителя коррегирующую функцию
     

.                                              (14)

     
     Так, при температуре фильтрующейся в грунте воды 4 °С (0,016 см/с) численное значение функции , а при 20 °С (0,010 cм/c) , где  - в сантиметрах, т.е. в этом случае
     

.                                                             (15)

     
     С переходом ламинарного течения в турбулентное (что нередко наблюдается в крупнозернистых грунтах) закон сопротивления резко изменяется и становится квадратичным, т.е. потери напора растут пропорционально квадрату скорости, в связи с чем, определяя водопроницаемость грунта в конкретной области основания напорного сооружения, следует проверить сохранится ли при прогнозируемом градиенте напора  в данной области ламинарный режим фильтрации. Ламинарный режим сохраняется при условии
     

,                                                                    (16)

     
где  - критический градиент напора, вычисляемый для зернистых грунтов по формуле
     

.                                                     (17)

     
     Например, при 0,016 см/с (4 °С) и  - в см
     

.                                                              (18)

     
     Соответственно, критическая скорость  (в начале отклонения фильтрации от закона Дарси)
     

;                                        (19)

     
     критическое число Рейнольдса
     

,                           (20)

     
где  - критериальное отношение силы тяжести к силе упругости воды (2,06·10 МПа).
     
     Если по предварительной оценке средняя скорость течения воды в порах грунта  в рассматриваемой области основания будет превышать 5 см/с, фильтрационные расчеты для данной области необходимо выполнять в соответствии с зависимостью
     

,                                                                  (21)

     
где  - коэффициент турбулентной фильтрации, определяемый по формуле
     

                                                           (22)

     
или по графику на рис.2.
     

Рис.2. Графики изменения в зависимости от диаметра поровых каналов зернистой среды:

1 - коэффициента ламинарной фильтрации; 2 - коэффициента турбулентной фильтрации;
3 - критической скорости фильтрации.

     
     
     При отсутствии определенности в оценке режима фильтрационного потока следует использовать в расчетах двучленную зависимость Прони-Форхгеймера
     

.                                                  (23)

Гидравлические сопротивления установившемуся движению воды в мелкодисперсном
связном материале (глинистом грунте)

     
     2.3. Для связных (глинистых) грунтов, не имеющих макроагрегатной (комковатой) структуры, согласно [8],
     

,                                                      (24)

     
где  - коэффициент, имеющий размерность скорости, среднее значение которого при температуре 20 °С равно 4·10 см/с;  - коэффициент пористости (в долях единицы) мелкозернистой компоненты грунта с частицами <0,1 см;  - показатель, характеризующий интенсивность снижения проницаемости грунта при его уплотнении. Величину показателя  рекомендуется вычислять по формуле
     

,                                                (25)

     
где  - коэффициент пористости грунта на границе его текучести, определяемый в долях единицы для грунтового теста, имеющего влажность, равную .
     
     При отсутствии этих данных значение  определяют по экспериментально установленному соотношению
     

,                                                                            (26)

     
где  - плотность частиц грунта;  - плотность воды.
     
     Зависимость (24) можно представить в виде графиков, которые показаны на рис.3.
     

Рис.3. Графики зависимостей между коэффициентами пористости и фильтрации глинистых грунтов.

     
     
     Из этой зависимости следует, что наибольшей интенсивностью снижения водопроницаемости при уплотнении обладают низкопластичные супесчаные грунты (0,7), а наименьшей - тяжелые глины и разложившийся торф (1,5).
     
     Для определения по формуле (24) коэффициента фильтрации грунта, в составе которого имеются плавающие в мелкоземе крупные частицы (гравий, щебень), надо вначале выяснить, какова плотность или удельный вес сухого мелкозема с частицами меньше 0,1 см. Коэффициент пористости мелкозема (по величине которого определяют водопроницаемость грунта) равен
     

,                                                 (27)

     
где  и  - относительные величины массосодержания мелких и крупных частиц в грунте (в долях единицы);  - плотность сухого грунта;  и  - плотность самих частиц крупнозема и мелкозема.
     
     Коэффициент фильтрации такого грунта (разнозернистой грунтовой смеси) равен
     

,                                                                  (28)

     
где  - расчетное значение коэффициента фильтрации мелкозема грунта, вычисленного по формуле (24).
     
     Следует учитывать, что при 0,35 крупные частицы грунта, как правило, образуют скелет, при наличии которого могут появиться поры, совершенно не характерные для мелкозернистого заполнителя, и в таком случае нельзя оценивать проницаемость грунта расчетными методами.
     
     Характер изменения водопроницаемости уплотняющегося под действием нагрузки связного грунта следует прогнозировать на основе результатов его компрессионных испытаний. Вместе с тем допускается использование известных соотношений между коэффициентами пористости грунта и величиной сжимающего давления, например соотношений вида
     

.

     
     Оценивая водопроницаемость глинистых грунтов, надо также иметь в виду наличие строгой пропорциональности между скоростью фильтрации и градиентом напора, что, как известно, является выражением закона Дарси. Этот закон сохраняется практически при любых градиентах напора.
     
     

Закономерности фильтрации воды в трещинной среде

Основные морфологические характеристики трещин в скальных грунтах

     
     2.4. Практически для любого скального грунта как магматического, так и осадочного генезиса характерно наличие в нем трещин, являющихся разрывными нарушениями хрупкого тела (в данном случае первоначально монолитной горной породы), расчленяющие его на отдельные блоки.
     
     В зависимости от причин, вызывающих разрывные нарушения горной породы, различают трещины: тектонические, отдельности, гравитационные, напластования и т.п. При этом трещины могут быть закрытыми (сомкнутыми) и открытыми. Встречаются трещины, которые целиком заполнены твердым или рыхлым материалом (заполнителем) различного минералогического состава.
     
     В отличие от щели поверхность стенок трещины чаще всего неровная и шероховатая, что заметно повышает гидравлическое сопротивление трещины потоку движущейся в ней жидкости.
     
     В отличие от зернистых (мягких) грунтов трещинная пустотность скального грунта невелика. Так, коэффициент пустотности - отношение объема трещин к объему самой породы в наиболее прочных магматических скальных грунтах (гранитах, диоритах, порфиритах и др.) - в массиве обычно не превышает 0,01.
     
     Другой, более важной характеристикой трещиноватости, является модуль трещиноватости , равный числу трещин (их густоте) на одном метре линии, проходящей перпендикулярно трещинам данной системы.
     
     СНиП 2.02.02-85 "Основания гидротехнических сооружений" рекомендует скальные грунты (в массиве) классифицировать по степени трещиноватости, в зависимости от ее модуля  (табл.1).
     
     

Таблица 1

     
     
     Здесь  - отношение общей длины сохранных кусков керна длиной более 10 см к длине интервала бурения скважины, из которой извлечен керн.
     
     СНиП также рекомендует пятиступенчатую классификацию скальных грунтов по водопроницаемости (табл.2).
     
     

Таблица 2

     
     
     Для оценки влияния на гидравлическое сопротивление шероховатости стенок трещин используют [9] два линейных параметра  и , соответственно, для ламинарного и турбулентного режимов фильтрации.
     
     Существуют зависимости между этими (гидравлическими) параметрами шероховатости стенок трещины и коэффициентом развития их поверхности  (где  - коэффициент развития профиля стенки трещины):     
     

     
     Предлагаемая классификация трещин по степени шероховатости их стенок приведена в табл.3.
     
     

Таблица 3

Гидравлические сопротивления установившемуся движению воды в трещинах

     
     На основании градиент-скоростных характеристик (рис.4), полученных при изучении процесса фильтрации воды в трещинах с различными раскрытиями  и степенью шероховатости их стенок [10, 11], установлено, что средние скорости движения воды в трещинах:
     
при ламинарном режиме
     

,                                                         (30)

     
при турбулентном -
     

.                                                             (31)

Рис.4. Градиент-скоростные характеристики потока воды в трещинах с шероховатыми стенками
(образец из бетона на гранитном щебне крупностью 15-20 мм), при 1,1 см и 8,5 см.
Температура воды 20 °С

     
     
     Как видно, влияние шероховатости стенок трещин на сопротивление движению в них воды учитывается введением симплексов  и  в расчетные зависимости (30) и (31).
     
     Важнейшей особенностью процесса фильтрации воды в трещинах является то, что при возрастании градиента напора сверх так называемого критического его значения ламинарный режим сравнительно быстро сменяется турбулентным. Выражения критических градиента напора и скорости течения воды в трещине:
     

;                                                         (32)

     
.                                                         (33)

     
     Из (32) следует, что при увеличении раскрытия очень тонких трещин, для которых  и , критический градиент быстро уменьшается, практически обратно пропорционально четвертой степени раскрытия трещины. Соответственно, критическое число Рейнольдса
     

.                                            (34)

     
     Характер изменения  в зависимости от гидравлического параметра шероховатости  отражен в виде графиков на рис.5.
     

Рис.5. Графики изменения критического числа Рейнольдса потока воды в трещине
в зависимости от гидравлического параметра шероховатости ее стенок (при 20 °С)

     
     
     Гидравлические параметры  и  шероховатости стенок трещины с известным ее раскрытием  можно определить по двум точкам на градиент-скоростной характеристике:
     
в области ламинарного режима
     

.                                             (35)

     
и в области турбулентного режима
     

.                                          (36)

     

3. КРИТЕРИИ СУФФОЗИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ГРУНТОВ

Общие положения

     
     3.1. Согласно СНиП 2.02.02-85 "Основания гидротехнических сооружений" всякое нарушение суффозионной устойчивости грунта следует рассматривать как нарушение местной фильтрационной прочности основания сооружения, критерием обеспечения которой является условие
     

,                                                            (37)

     
где  - местный градиент напора в рассматриваемой области основания, определяемый известными методами (например, путем моделирования фильтрации в этой области);  - местный критический градиент напора, определяемый по расчетным зависимостям или путем испытаний грунта на суффозионную устойчивость;  - коэффициент надежности по степени ответственности сооружения, принимаемый равным 1,25, 1,20, 1,15 и 1,10 соответственно для сооружений I, II, III, IV классов.
     
     Критериями обеспечения местной фильтрационной прочности скального грунта являются условие (37) и условие (37')
     

,                                                     (37')

     
где  и  - скорость фильтрации в скальном массиве и средняя скорость течения воды в трещинах этого массива;  - трещинная пустотность скального массива;  - критическая в отношении суффозии скорость течения воды в трещинах.
     
     Таким образом, местную фильтрационную прочность скальных грунтов надлежит оценивать, используя критические характеристики фильтрационного потока (градиенты напора и скорости движения воды в трещинах), относящиеся к заранее установленным локальным зонам в скальном массиве основания проектируемого гидротехнического сооружения.
     
     В свою очередь, согласно п.2 СНиП, расчетные значения  следует принимать равными нормативным, которые, как правило, рекомендуется определять путем испытаний на суффозионную устойчивость заполнителя трещин, прослоек, зон дробления и т.п. в упомянутых наиболее опасных в суффозионном отношении зонах скального массива. И лишь для сооружений III и IV классов, а при надлежащем обосновании и для сооружений I и II классов значения  допускается определять расчетом.
     
     Расчетные значения (равные нормативным) критического градиента напора  фильтрационного потока в направлении простирания рассматриваемой системы трещин следует определять путем вычислений, используя расчетные зависимости, соответственно - для каждого из конкретно прогнозируемых видов суффозии в скальном массиве.
     
     3.2. Для выполнения указанных требований необходимо предварительно разработать фильтрационно-суффозионную модель основания, которая, отражая его геоструктурные особенности и распределение напора протекающего в нем фильтрационного потока, позволяла бы выявить, где и в какой форме может возникнуть суффозия грунта или мелкозернистого материала, заполняющего отдельные трещины, а также - материала дробления скальной породы.
     
     Делается это путем тщательного анализа материалов инженерно-геологических изысканий, которые в данном случае должны быть репрезентативными, т.е. достаточно полно отражающими геоструктурные характеристики грунтов и условия формирования фильтрационного потока в рассматриваемой области.
     
     3.3. Для правильной оценки суффозионной устойчивости грунтов необходимо совершенно отчетливо представлять в силу каких причин и при каких обстоятельствах возникают и развиваются суффозионные процессы во всех их разнообразных формах. Вместе с тем следует учитывать, что механическая суффозия может представлять опасность лишь в случае, когда имеются условия для транспортировки (удаления) фильтрационным потоком продуктов суффозии за пределы той зоны, где развивается суффозия. Если же зона оказывается замкнутой, то как правило, суффозионные процессы в ней быстро затухают после незначительного переотложения мелких частиц и закупорки ими участков выхода фильтрационного потока из этой зоны.
     
     

Классификация (видовой перечень) нарушений суффозионной
устойчивости грунтов

Нескальные грунты

     
     3.4. Вообще, различают два вида суффозии: механическую и химическую.
     
     Механическая суффозия проявляется в виде отрыва и перемещения отдельных частиц, агрегатов и целых объемов грунта внутри пор или трещин как самого подвергающегося суффозии грунта, так и прилегающего к нему другого грунта, материала обратного фильтра, засыпки и т.д.
     
     Химическая суффозия - это выщелачивание фильтрационным потоком минеральной основы грунта, в которой содержатся растворимые вещества (гипс, кальцит, галит).
     
     Во многих случаях механическая или химическая суффозия возникает и развивается лишь на поверхности контакта грунта с другим грунтом (часто являющейся коллектором фильтрационного потока) и не распространяется при этом во внутренние зоны самого грунтового массива. Такую суффозию называют внешней или контактной.
     
     3.5. В зависимости от направления фильтрационного потока по отношению к силе тяжести и к напластованию грунтов (точнее, плоскости их контакта), можно выделить восемь видов внешней суффозии нескальных грунтов, поясняемых схемами на рис.6.
     

          
Рис.6. Схемы, поясняющие проявления внешней суффозии нескальных грунтов

     
     
     Первые четыре схемы (а, б, в и г) отражают близкие по физической сути процессы контактного размыва мелкого-связного или несвязного грунта фильтрационным потоком в крупнозернистом коллекторе (схемы а и б), в трещинном коллекторе (схема в) и в щели, например, под флютбетом (схема г).
     
     Схема ж поясняет довольно редкий, но весьма опасный вид суффозии, когда мелкий, имеющий текучую консистенцию грунт (например, разжиженный мел или супесь) проникает под влиянием гравитации и фильтрационных сил в трещинно-кавернозное пространство подстилающего пласта.
     
     И, наконец, схема з поясняет явление сосредоточенной разгрузки в виде "грифонов" фильтрационного потока в основании, который прорывается отдельными каналами через близко расположенные к поверхности слабопроницаемые пропластки.
     
     В связи с этим, суффозию данного вида можно назвать канальной.
     
     3.6. Суффозию, возникающую под воздействием фильтрационного потока внутри самого грунта, называют внутренней суффозией и чаще всего проявляется она либо в виде перемещения фильтрационным потоком мелких незащемленных частиц заполнителя в порах каркаса грунта (схема а на рис.7), либо в виде размыва мелкозернистого пропластка в грунтовом массиве (схема б).
     

     
Рис.7. Схемы, поясняющие проявления внутренней суффозии нескальных грунтов

     
     
     Вследствие внутренней суффозии может существенно измениться проницаемость грунта и его деформативность (несущая способность), особенно в тех случаях, когда под действием фильтрационных сил начинает разрушаться каркас грунта. Если учитывать данное обстоятельство, приводящее к полной деструкции грунта, то разновидностью внутренней суффозии следует считать выпор и разжижение целых объемов грунтовой толщи под воздействием направленного вверх фильтрационного потока (схема в), а также гидроразрыв грунтовой толщи вследствие расклинивающего действия воды, быстро проникающей в глубь толщи по относительно проницаемому слою (пропластку), что поясняется схемой г на рис.7.
     
     Разновидностью внутренней суффозии также является выщелачивание содержащихся в грунте водорастворимых минералов.
          

Скальные грунты

     
     3.7. В скальных грунтах встречаются шесть видов механической суффозии, поясняемых схемами на рис.8. Здесь первые две схемы а и б относятся к случаям проявления внутренней суффозии в материале дробления (брекчии), заполняющем тектонические зоны в скальном массиве, при направлении фильтрационного потока поперек и вдоль простирания этих зон.
     

     
Рис.8. Схемы проявления шести видов механической суффозии в скальных массивах (грунтах)

     
     
     Схема в поясняет случай внешней суффозии мелкозернистого материала-заполнителя трещины в виде поверхностного его размыва фильтрационным потоком в открытой щели между пластом заполнителя и стенкой, вмещающей трещины. Характерным, например, является случай размыва терригенного заполнителя трещины бортового отпора.
     
     Схема г поясняет боковой размыв мелкозернистого, например, глинистого пропластка фильтрационным потоком в трещинах, оперяющих пропласток. Наиболее характерными проявлениями данного вида суффозии следует рассматривать случаи размыва глинистых прослоек в трещиноватых массивных осадочных породах (известняках, песчаниках).
     
     Схема д поясняет случай эрозионного размыва стенок полых трещин в массиве слабоцементированных полускальных пород. Имеется принципиальное сходство первого, второго и четвертого видов суффозии в скальных грунтах с аналогичными ее проявлениями в нескальных грунтах. И, наконец, схема е поясняет выдавливание из крупной трещины находящегося в текучепластичном состоянии заполнителя, например, заполнителя трещин в меловой толще.
     
     Сразу можно заметить принципиальное сходство первого, второго и четвертого видов суффозии с аналогичным ее проявлением в нескальных грунтах. При этом надо иметь в виду некоторую условность схематизации процесса суффозии и ограниченность исходных геоструктурных характеристик как самого материала заполнителя, так и трещиноватости скального массива. И если существует возможность испытаний образцов заполнителя в лабораторных условиях, надо всегда стремиться к реализации такой возможности, следуя приведенным ниже методическим рекомендациям.
     
     

Основные расчетные критерии суффозионной устойчивости грунтов

     
     3.8. Критические параметры фильтрационного потока (градиент напора или его скорость), при которых начинается опасная суффозия нескального грунта, можно оценивать расчетным путем, используя для этого приведенные ниже зависимости.
          

Контактный (поверхностный) размыв несвязных грунтов*

________________
     * Водонасыщенный грунт следует считать связным, если его сцепление (прочность на разрыв) превышает 1 КПа (9,8 г/см). Такая прочность достигается при нормальном уплотнении (0,3-0,5) легких пылеватых супесей, имеющих геотехнический параметр 0,55-0,65 и индекс пластичности 0,03. Поэтому для повседневной оценки категории грунтов по связности можно пользоваться указанными их характеристиками. Практически все песчаные грунты, обладающие ничтожным сцеплением, относятся к несвязным грунтам, и на их поведение при взаимодействии с фильтрационным потоком существенное влияние оказывает гравитация.
     
     3.9. Контактный размыв грунтов фильтрационным потоком в зернистом коллекторе поясняется схемами а и б на рис.6. Для несвязных грунтов характерна лишь схема а, поскольку при комбинации, поясняемой б, мелкий грунт будет, при отсутствии сцепления, просыпаться под действием гравитации в крупнопористый коллектор.
     
     Устойчивый во времени контактный размыв мелкозернистого песчаного грунта начинается при скорости фильтрации  в коллекторе:
     

,                   (38)

     
где  - расчетная критическая скорость фильтрации воды в коллекторе, соответствующая началу ее отклонения от линейного закона Дарси;  - пористость коллектора;  и  - плотность частиц размываемого грунта и воды;  - гидравлически эквивалентный диаметр пор зернистого материала коллектора;  - диаметр частиц размываемого грунта;  - критическое число Рейнольдса фильтрационного потока в коллекторе, определяемое по скорости движения воды в его порах. Для крупнозернистых коллекторов (>0,5 см и >16)
     

.                                    (39)

     
     На рис.9 представлены графики зависимостей , полученных расчетами по формуле (38) при пористости материала коллектора 0,4.
     

Рис.9. Графики зависимостей, характеризующих сопротивляемость несвязных мелкозернистых
грунтов контактному размыву фильтрационным потоком. Штриховые линии - по формуле (38)

     
     
     На рис.10 представлены графики изменения размывающих градиентов напора фильтрационного потока в крупнозернистых коллекторах. При >0,2 см и <0,45 изменение размывающего градиента происходит по экспоненте
     

,                                                    (40)

     
которую в большинстве случаев рекомендуется использовать в качестве расчетной при оценке суффозионной устойчивости мелкозернистых прослоек, линз и т.п. в толще более крупного грунта основания. При оценке сопротивляемости контактной суффозии разнозернистого грунта следует учитывать появление в процессе размыва на поверхности грунта "отмостки" из содержащихся в нем крупных частиц, не смываемых фильтрационным потоком, в связи с чем "отмостка" надежно защищает грунт от дальнейшего размыва. Глубину размыва русла , соответствующую моменту окончания формирования "отмостки", можно определять по формуле:
     

,                                                          (41)

     
где  - пористость материала "отмостки";  - пористость размываемого грунта (песка);  - диаметр частиц грунта, которые задерживаются в порах коллектора или не вымываются фильтрационным потоком;  - обеспеченность частиц диаметром  в размываемом грунте.
     

Рис.10. Графики изменения размывающих градиентов напора фильтрационного потока
в крупнозернистых коллекторах

1 и 2 - графики "нормативных" зависимостей; 3 - график зависимости ,
рекомендуемой для оценки сопротивляемости несвязных грунтов контактному размыву.

     
     
     Нетрудно представить, что даже при самом незначительном (порядка нескольких процентов) содержании "невымываемых" крупных частиц в грунте обеспечивается его суффозионная устойчивость.
          

Фильтрационная прочность глинистых грунтов при контактном размыве потоком
в зернистом коллекторе

     
     3.10. Контактный размыв глинистых грунтов потоком воды в зернистом коллекторе (русле), поясняемый схемами а и б на рис.6, ничем принципиально не отличается от контактного размыва несвязных (песчаных) грунтов. Однако, геометрический фактор суффозии, характеризуемый величиной отношения <20, в большинстве случаев размыва однородных глинистых грунтов можно не учитывать вследствие очень малых размеров частиц*.
________________
     * Геометрический фактор обязательно "проявится" при размыве глинистого грунта (чаще всего, моренного) с крупнозернистым наполнителем - песком, гравием, и тогда суффозионную устойчивость такого грунта надо оценивать, имея в виду образование в процессе размыва отмостки по условию (41).
     
     Однако при этом размывающая скорость или, как ее принято называть в русловой гидравлике, максимальная неразмывающая скорость, существенным образом зависит от связности сцепления  глинистого грунта. Если <1 КПа, грунт практически теряет связность и размывается фильтрационным потоком в трещинном или зернистом коллекторе при скорости, близкой к критической , соответствующей началу нарушения закона Дарси. При величине сцепления грунта  на поверхности его сопряжения с коллектором фильтрационного потока размывающая скорость
     

,                                                                     (42)

     
где  - индекс размываемости грунта.
     
     "Размывающий" градиент напора потока воды в коллекторе следует определять по формуле
     

,                                                             (43)

     
где  и - коэффициенты ламинарной и турбулентной фильтрации коллектора.
     
     Для этого также можно воспользоваться графиками , приведенными на рис.11.
     

Рис.11. Изменение минимального градиента напора фильтрационного потока, размывающего
глинистый грунт, в зависимости от диаметра поровых каналов зернистого коллектора
и приведенного коэффициента пористости грунта (при 5 °С и 0,3).


Фильтрационная прочность глинистых грунтов при контактном размыве потоком
в трещинном коллекторе

     
     3.11. Контактный размыв глинистых грунтов фильтрационным потоком в трещинном коллекторе, поясняемый схемой в на рис.8, несколько отличается от контактного размыва тех же грунтов потоком в зернистом коллекторе. Дело в том, что раскрытия трещин в скальном массиве, являющемся коллектором фильтрационного потока, часто во много раз превышают поперечники поровых каналов в весьма крупнозернистых, например, аллювиальных грунтах, коэффициенты фильтрации которых достигают сотен и иногда тысяч метров в сутки. В связи с этим фильтрационным потоком в трещинном коллекторе могут размываться глинистые грунты, содержащие наполнитель с относительно крупными частицами песчаных и даже гравийных фракций.
     
     Как и при любом другом виде механической суффозии здесь также соблюдается геометрическое условие ее возникновения,
     

,                                                                    (44)

     
где  - наименьший размер наиболее крупных частиц размываемого грунта, выносимых потоком в трещину с раскрытием . Наименьшим размером является толщина частиц неправильной (лещадной) формы, которые, как неоднократно наблюдалось, могут перемещаться в трещине "боком".
     
     Гидродинамическое условие возникновения контактного размыва глинистого грунта по оперяющим полым трещинам сводится к тому, что во время размыва скорость движения воды в этих трещинах обязательно должна превышать критическую скорость , определяемую по формуле (33).
     
     Размывающую (точнее, максимальную неразмывающую) скорость движения воды в трещинах, как и в случае зернистого коллектора, можно представить в виде отношения:
     

.

Контактный выпор несвязного грунта

     
     3.12. Рассматриваемый случай внешней суффозии несвязного мелкозернистого грунта, поясняемый схемой д на рис.6, встречается при разгрузке восходящего фильтрационного потока в горизонтальный дренаж, в тех его местах, где градиенты напора близки к единице, а диаметр пор материала дренажа больше размера частиц защищаемого грунта (гидромеханическое и геометрическое условия данного вида суффозии). При выполнении этих условий частицы грунта в зоне контакта с дренажом могут полностью перейти во взвешенное состояние и переместиться в поровое пространство дренажа, в связи с чем (по аналогии с такой же суффозией глинистого грунта) данный вид суффозии следует называть контактным выпором.
     
     Установлено, что изменение сжимающего давления на контакте не оказывает существенного влияния на суффозионную устойчивость грунта.
     
     Критический градиент напора восходящего фильтрационного потока, при котором наблюдается глубокое проникновение частиц грунта в поровое пространство дренажа, сопровождающееся незатухающими его осадками, рекомендуется определять по формуле:
     

.                                                         (45)

     
     Графически это выражение представлено на рис.12, где также показан график изменения градиента напора
     

,                                                         (46)

     
при котором начавшаяся суффозия быстро затухает, не вызывая опасных деформаций грунтовой толщи.
     

Рис.12. Изменение градиентов напора восходящего фильтрационного потока,
вызывающего контактный выпор однородного по крупности песчаного грунта

1 - при затухающей суффозии; 2 - при незатухающей суффозии.

     
     Наличие в грунте крупных частиц существенно не меняет начальную сопротивляемость грунта контактному выпору (если оценивать ее по среднему размеру частиц), поскольку при разжижении грунта в зоне его контакта с дренажом наиболее крупные частицы погружаются в разжиженный слой и в связи с чем не возникает суффозионно-устойчивая отмостка, какая образуется при нисходящем фильтрационном потоке или при контактном размыве разнозернистого грунта и, тем не менее, в этом случае (при достаточном содержании в грунте крупных частиц) контактный выпор не может быть катастрофическим.
          

Контактный выпор связного грунта

     
     3.13. Контактный выпор водонасыщенного глинистого грунта (поясняемый схемами д, е и ж на рис.6) является разновидностью внешней механической суффозии. Наиболее характерный признак контактного выпора, как макропроцесса, - это выдавливание грунта под действием фильтрационных сил в пустоты другого грунта, например, в карстовые полости или в поровое пространство крупнозернистого материала обратного фильтра. Полное разрушение грунта обычно происходит в результате его ползучести, по истечении некоторого времени после достижения критического градиента напора, когда поверхность грунта выпучивается, а затем он переходит в неустойчивое состояние.
     
     Выражение критического градиента напора, являющегося общей характеристикой сопротивляемости глинистого грунта в этих условиях:
     

,                                                 (47)

     
где  кПа - расчетная величина сцепления глинистого грунта при данных его коэффициентах пористости в рассматриваемой области и на границе текучести ;  - показатель консистенции грунта;  - расчетный поперечник полости, в которую выдавливается грунт.
     
     Для упрощения вычислений по формуле (47) на рис.13 представлены графики изменения величины входящего в эту формулу сомножителя
     

, при 0,015 см/с.

Рис.13. Вспомогательные графики для определения численных значений
функции , входящей в выражение критического
градиента при контактном выпоре глинистого грунта

     
     
Общие принципы оценки местной фильтрационной прочности скальных грунтов

Оценка устойчивости заполнителя трещин к внутренней суффозии

     
     3.14. Устойчивость заполнителя крупных трещин или материала тектонических зон в скальных массивах по отношению к первым двум разновидностям внутренней суффозии (схемы а и б на рис.8) следует оценивать, руководствуясь рекомендациями и пояснениями, содержащимися в п.3.9.
          

Оценка суффозионной устойчивости пласта заполнителя трещины по отношению
к размыву (эрозии) его поверхности

     
     3.15. Данный вид суффозии, поясняемый схемой в на рис.8, в наиболее характерной форме проявляется при размыве терригенного (смытого со склона) обломочного материала заполнителя трещин бортового отпора, раскрытие которых значительно и нередко измеряется многими дециметрами.
     
     Часто, благодаря тектоническим подвижкам берегового массива, между стенкой трещины и находящимся в ней заполнителем возникает вертикальная щель, ориентированная вдоль направления фильтрационного потока в массиве, в связи с чем суффозия заполнителя и, как следствие, расширение щели представляют большую опасность для сооружения.
     
     Поскольку трещины бортового отпора обычно заполнены пылевато-глинистыми фракциями грунта, смываемого со склона атмосферными осадками, суффозионную устойчивость такого материала надо оценивать с учетом его сцепления. Величина размывающей скорости (зависящей от сцепления заполнителя) возрастает в данном случае также обратно пропорционально индексу размываемости  и может быть определена по формуле (42). Чтобы при этом яснее представить, как критический градиент напора зависит от раскрытия трещины, на рис.14 показан график  (при средних значениях 0,5 см и 1,7 см).
     

Рис.14. Изменение в зависимости от раскрытия трещины критического градиента
напора, соответствующего переходу ламинарного режима
фильтрации в турбулентный (при 0,5 см и 1,7 см):

.

     В свою очередь, размывающий градиент напора потока воды в трещине, соответствующий скорости , надлежит вычислять по формуле:
     

.                                             (48)

     
     Следует также иметь в виду, что эрозионная устойчивость заполнителя повышается с возрастанием количества содержащихся в нем относительно крупных (>0,1 см) частиц, из которых в некоторых случаях может образоваться "отмостка" на размываемой поверхности.
          

Оценка эрозионной устойчивости стенок трещин в массиве полускальных пород

     
     Этот вид суффозии скального грунта поясняется схемой д на рис.8, где показан эрозионный размыв стенок трещин фильтрационным потоком.
     
     Для возникновения и развития поверхностного размыва (эрозии) необходимы три условия:
     
     1) динамическое воздействие (интенсивность пульсаций и скоростей) фильтрационного потока должно быть достаточно большим, чтобы расшатать и затем разрушить структурные связи в породе (преодолеть сцепление между ее частицами);
     
     2) фильтрационный поток должен при этом обладать достаточной взвесенесущей способностью, чтобы перемещать по трещинам отдельные частицы и обломки породы;
     
     3) поперечные размеры трещин в массиве вдоль направления фильтрационного потока должны быть больше (как минимум, в два раза) размеров суффозирующих частиц и обломков породы.
     
     Поскольку, например, песчаники в подавляющем большинстве случаев более чем наполовину состоят из частиц и их агрегатов с размерами 0,15-0,3 мм, все три условия выполняются при наличии в массиве песчаника трещин с миллиметровыми раскрытиями.
     
     Ограничив раскрытия полых трещин в массиве максимальной величиной, равной трем миллиметрам, а скорость течения воды в трещинах - тремя метрами в секунду (расчетный градиент напора в этом случае будет близким к десяти), эрозионную устойчивость стенок трещин можно считать обеспеченной, если прочность на сжатие водонасыщенной полускальной породы будет превышать 1 МПа.
     
     С другой стороны, по формуле
     

 кПа                                                            (49)

     
можно оценить минимальную прочность породы на разрыв, при которой стенки трещин не подвергнутся эрозии, если скорость течения .
     
     В иных случаях, в том числе, когда возможно частичное выщелачивание цементирующего вещества в породе, эрозионную ее устойчивость надо определять экспериментальными исследованиями по специально разработанной методике. В связи с этим надо иметь в виду, что нарушение местной фильтрационной прочности скального грунта также может произойти вследствие химической суффозии, т.е. вымыва (выщелачивания) водорастворимых веществ, содержащихся в грунте в виде отдельных прослоек (гипс, кальций, галит) или связующей его основы - цемента.
     
     Любой вариант защиты основания сооружения от химической суффозии должен быть аргументированным, для чего необходимо располагать соответствующими исходными данными, позволяющими составить имитационную модель основания, в которой были бы отражены реальные гидрогеологические и гидрохимические условия формирования фильтрационного потока. Вместе с тем надо понимать, как и при каких обстоятельствах возникает и развивается в конкретном грунте химическая суффозия.
     
     

4. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ ГРУНТОВ НА ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ

     
Испытания несвязных зернистых грунтов

Наиболее важные факторы, влияющие на результаты испытаний

     
     4.1. При испытании на водопроницаемость зернистого грунта следует иметь в виду, что на величину гидравлического сопротивления образца грунта могут ощутимо влиять стенки камеры, в которую помещен данный образец. Этот, так называемый "эффект пристенной фильтрации", обусловленный наличием вблизи стенок сравнительно крупных пор, становится пренебрежимо малым при отношении диаметра камеры к диаметру зерен монофракционного грунта >40 (см. посвященную этому вопросу работу Францини в Amer. Geophys. Union, 1956, N 37, N 6, p.735-737).
     
     Для разнозернистых грунтов это отношение лучше заменить на >200, которое должно удовлетворяться наряду с другими условиями >4.
     
     4.2. Определяя в лабораторных условиях водопроницаемость зернистых грунтов, не следует забывать о возможном, подчас весьма существенном снижении проницаемости вследствие закупорки пор воздухом, выделившимся из протекавшей через грунт воды (рис.15). Часто это называют пневмокольматажем.
     

Рис.15. График относительного изменения проницаемости мелкозернистых несвязных грунтов

1 - по воде; 2 - по воздуху.

     Растворенный воздух выделяется из воды после резкого снижения давления при поступлении ее из городского водопровода в систему водоснабжения лаборатории, а также при ее нагревании. Выделение воздуха в обоих случаях происходит из-за уменьшения его растворимости в воде и, как правило, в наибольшей мере это проявляется зимой и весной. Поэтому для качественного проведения эксперимента необходимо осуществлять мероприятия, частично или полностью предотвращающие пневмокольматаж испытываемого грунта.
     
     К таким мероприятиям относятся:
     
     - предварительный подогрев воды до температуры воздуха в помещении лаборатории (или на 2-3° выше), после чего подогретая вода должна в течение одних-двух суток отстояться в водонапорном резервуаре (баке), из которого ее подают к установкам;
     
     - использование кипяченой или дистиллированной воды (если потребление ее в эксперименте сравнительно невелико);
     
     - предварительное вакуумирование используемой в эксперименте воды.
     
     Эти способы борьбы с пневмокольматажем относятся к активным способам, поскольку их общим признаком является деаэрация воды, используемой в качестве флюида, перетекающего через поровое пространство грунта.
     
     Существуют также пассивные способы, к которым относятся:
     
     - испытание грунта в случае, когда с низовой стороны образца создают достаточно высокое противодавление, препятствующее выделению из воды растворенного в ней воздуха;
     
     - очень быстрое испытание грунта при малых градиентах напора и расходах фильтрации, вследствие чего пневмокольматаж за время опыта проявляется незначительно.
     
     В некоторых случаях (при испытании несуффозионных грунтов) выделившийся воздух можно удалять из грунта "продувкой", резко и на короткое время повышая напор воды и затем вновь возвращаясь к исходному его значению. Таким образом не только выясняют наличие пневмокольматажа, но и определяют, в какой мере он повлиял на водопроницаемость грунта в данный момент испытаний.
     
     В наибольшей мере влияние пневмокольматажа проявляется при испытаниях песчано-гравийных грунтов с коэффициентами фильтрации от 1 до 1000 м/сут. В пылеватых и тем более глинистых грунтах с поперечником пор меньше 0,1 мм пневмокольматаж практически отсутствует, поскольку выделившийся в столь тонких порах воздух оказывается сжатым достаточно большим капиллярным давлением, превышающем 7 кПа, в связи с чем не может долго находиться в свободном состоянии. Вычисленный по полученной (рис.16) зависимости средний поперечник поровых каналов в монозернистом грунте  

 (при косинусе угла смачивания 0,86 и поверхностном натяжении воды 7,5·10 Н/м).
     
     

Рис.16. График изменения пассивного капиллярного поднятия воды в монозернистых
песчаных и гравийных грунтах. График получен по данным опытов Жиленкова и Гильгарда

     
     
     В крупнозернистом грунте (при 3 мм) пузырьки выделившегося воздуха всплывают вверх под действием архимедовой силы или же легко продавливаются в направлении движения фильтрационного потока.
     
     4.3. Для обеспечения методически приемлемых условий фильтрационно-суффозионных испытаний грунтов в лаборатории необходимо располагать специальной аппаратурой и отлаженной системой водоснабжения, позволяющей проводить эксперименты по заданным программам, поддерживая в течение всего опыта напор и расход воды в требуемых пределах, а также подавать в прибор воду достаточно высокого качества (без механической взвеси и избытка растворенного воздуха). Поэтому специализированная лаборатория, в которой проводятся такие испытания, должна иметь соответствующую технологическую оснастку, подобную, например, показанной на схеме рис.17.
     

Рис.17. Типовая схема технологической оснастки помещения для лабораторных испытаний грунтов

1 - водонапорный бак с запасом подогретой воды; 2 - ответвление городского водопровода; 3 - трубопровод
для подачи воды от насосной установки; 4 - трубопровод для подачи воды из бака; 5 - приборы
для испытаний грунтов; 6 - воздушно-масляные установки, к которым подключены гидравлические
домкраты приборов; 7 - электрический водоподогреватель; 8 - воздушный компрессор;
9 - аккумулятор сжатого воздуха; 10 - насосная установка; 11 - бак для воды;
12 - канализационный коллектор.


Методика испытаний

     
     4.4. Водопроницаемость несвязного зернистого грунта следует определять, используя специальные фильтрационно-суффозионные устройства: вертикальные приборы с цилиндрической рабочей камерой (пермеаметры) или горизонтальные грунтовые лотки. С помощью этих устройств можно испытывать грунты только с нарушенной структурой.
     
     Для испытания грунта с ненарушенной структурой (образец которого отбирают, вдавливая в грунт пробоотборное кольцо) необходимо конструкцию вертикального прибора изменить так, чтобы в качестве рабочей камеры использовалось само кольцо. Аналогичным образом с этой целью приспособлен фильтрационно-компрессионный прибор, описание которого дано ниже.
     

Методика испытаний на водопроницаемость несвязного грунта в вертикальном
фильтрационно-суффозионном приборе

     
     4.5. Наиболее распространенным в настоящее время вертикальным фильтрационно-суффозионным прибором, предназначенным для испытаний на водопроницаемость и фильтрационную прочность зернистых грунтов с нарушенной структурой, является прибор (рис.18), включающий следующие основные элементы: 1 - рабочую камеру цилиндрической формы, выполненную из прозрачного материала, например, оргстекла; 2 - неподвижную опорную решетку, расположенную в нижней части рабочей камеры; 3 - конический отстойник; 4 - присоединенный к отстойнику пескосборник, в котором собираются вымываемые из грунта частицы; 5 - патрубок для выпуска профильтровавшейся через грунт воды (при нисходящей фильтрации) или для ее впуска (при восходящей фильтрации); 6 - приспособление для поддержания на постоянной отметке уровня вытекающей из прибора воды; 7 - решетку; 8 - шток, передающий нагрузку от силового домкрата; 9 - устройство для измерения деформаций сжатия образца грунта; 10 - приспособление (вантуз) для выпуска воздуха из верхнего отсека рабочей камеры; 11 - крышку рабочей камеры; 12 - приспособление для создания и измерения напора воды, подаваемой в рабочую камеру; 13 - тройниковые краники для регулирования поступления воды в пьезометры и выпуска из них воздуха; 14 - трубчатые пьезометры.
     

Рис.18. Вертикальный фильтрационно-суффозионный прибор

     
     
     Подготавливая грунт к испытаниям на водопроницаемость, необходимо сначала отобрать представительную его пробу (навеску), руководствуясь следующими правилами:
     
     а) толщина образца грунта, уложенного в рабочую камеру прибора, не должна быть меньше половины диаметра камеры;
     
     б) по зерновому составу грунт в приборе (образце) практически не должен отличаться от исходной пробы или грунта с определенными расчетными характеристиками;
     
     в) размер наиболее крупных частиц в грунте (образце) не должен превышать одной четверти диаметра рабочей камеры прибора, в связи с чем надо заранее выбирать для испытаний прибор соответствующего калибра;
     
     г) сильно раэнозернистый грунт с 15 перед укладкой в прибор надо хорошо перемешать и увлажнить до 23%, чтобы уменьшить сегрегацию (фракционирование);
     
     д) перед самой укладкой грунта в прибор надо взять контрольную пробу на влажность, а оставшуюся его часть взвесить.
     
     Подготовленный таким образом грунт можно затем укладывать в прибор, но так, чтобы при этом не допустить просыпания его частиц через крупные отверстия решетки, надо ее прикрыть либо мелкой сеткой, либо подстилающим слоем 15 из зернистого материала, подобранного по принципу обратного фильтра. Тут же следует определить по трем-четырем точкам отметку (заглубление) сетки или подстилающего слоя, принимая за ноль отсчета верхнюю торцевую плоскость камеры прибора.
     
     Грунт надо укладывать в прибор отдельными слоями, подвергая его легкому уплотнению трамбованием, а около стенок камеры - штыкованием (чтобы здесь не осталось крупных, так называемых пристенных пор).
     
     Затем на поверхности уложенного грунта 16 делают пригрузочный слой (подсыпку) 17 для более равномерного распределения расхода воды, втекающей в верхний отсек рабочей камеры. При необходимости грунт до испытаний на водопроницаемость подвергают уплотнению расчетным давлением, фиксируя при этом его деформацию (осадку верхней решетки).
     
     Последним этапом подготовки к испытаниям является водонасыщение дистиллированной или кипяченой водой, которую для этого подают с капельным расходом в нижний отсек рабочей камеры через сливной бачок 6. Во время замачивания открывают выпускные отверстия пьезометрических краников, облегчая тем самым выдавливание воздуха из грунта.
     
     После замачивания грунта верхний отсек камеры заливают водой и после присоединяют пьезометры. Затем приступают непосредственно к определению водопроницаемости грунта, для чего измеряют тем или иным способом стабильный расход  воды, профильтровавшейся при некотором ее напоре  через грунт. Деля этот расход на площадь сечения  камеры прибора, находят скорость фильтрации , и одновременно по показаниям пьезометров вычисляют градиенты напора  на каждом из контролируемых участков испытываемого образца. И, наконец, по формуле Дарси (если фильтрация воды в образце происходит при ламинарном режиме) определяют коэффициенты фильтрации соответственно для любого из этих участков:
     

.

     
     Надо иметь в виду, что рабочую камеру прибора, предназначенного для испытаний на водопроницаемость глинистых грунтов, следует делать из материала, имеющего одинаковый с грунтом коэффициент температурных деформаций. Подходящими в этом отношении являются металлы (бронза, алюминий, сталь). Органическое стекло (плексиглас), обладающее слишком высоким температурным коэффициентом, использовать для этого нежелательно, поскольку при отсутствии термостатирования прибора всякое случайное повышение температуры воздуха в помещении может привести к отслаиванию стенки рабочей камеры от грунта.
          

Методика испытаний на водопроницаемость несвязного грунта в горизонтальном лотке

     
     4.6. Водопроницаемость несвязного грунта также можно определить, испытывая его в горизонтальном лотке (рис.19), с помощью которого создают условия напорной или безнапорной фильтрации воды в грунте. В первом случае лоток должен иметь приспособление в виде поршня, установленного в верхней части рабочей камеры и обеспечивающего ее герметизацию.
     

Рис.19. Испытания грунта на водопроницаемость в безнапорном фильтрационном лотке

1 - испытываемый грунт; 2 - депрессионная поверхность; 3 - капиллярная кайма.

     
     
     Это вызывает существенное усложнение конструкции лотка. Но сама методика испытаний грунта в напорном лотке практически ничем не отличается от методики экспериментов по определению проницаемости грунтов с помощью вертикального фильтрационно-суффозионного прибора.
     
     Не столь существенны отличия испытаний грунта в безнапорном лотке.
     
     Прежде всего, необходимо убедиться в том, что капиллярная кайма в грунте особенно не повлияет на величину площади живого сечения фильтрационного потока.
     
     В данном случае необходимо подбирать высоту засыпки грунта в зависимости от его крупности (точнее, высоты капиллярного поднятия в нем воды). Такими грунтами могут быть крупнозернистые пески или песчано-гравийные грунты.
     
     Понижая ступенями в процессе испытаний грунта уровень нижнего бьефа в лотке и измеряя при этом стабильные расходы воды и одновременно пьезометрические уровни на границах отдельных участков, определяют средние значения коэффициента фильтрации грунта в пределах каждого из этих участков:
     

,                                                (50)

     
где  - ширина рабочей камеры лотка;  - средняя длина участка (отсека);  - средняя высота отсека, ограниченная депрессионной поверхностью потока;  - изменение напора по длине отсека.
     
     Коэффициент фильтрации всей испытываемой засыпки (образца) грунта можно вычислить, используя формулу Дюпюи:
     

,

     
где  - общая длина засыпки грунта в лотке;  и  - уровни воды в верхнем и нижнем бьефах лотка.
     
     

Испытания на водопроницаемость связных (глинистых) грунтов

     
     4.7. Методика лабораторных испытаний на водопроницаемость связных грунтов имеет ряд особенностей, обусловленных:
     
     очень низкими коэффициентами фильтрации, значения которых обычно не превосходят 10 см/с и быстро (экспоненциально) уменьшаются в процессе уплотнения грунта;
     
     способностью связных грунтов приобретать агрегатную (комковатую) структуру, существенно влияющую на величину водопроницаемости и характер ее изменения в процессе уплотнения грунта;
     
     способностью многих глинистых грунтов набухать при замачивании или, наоборот, уплотняться (что характерно для так называемых просадочных лессовидных суглинков);
     
     относительно большими потенциалами капиллярного впитывания воды;
     
     зависимостью уплотняемости грунта (при заданной энергии уплотнения) и от его начальной влажности.
     
     Здесь следует иметь в виду, что уплотнение связного грунта протекает в два этапа: на первом происходит разрушение отдельных комьев и исчезновение вследствие этого наиболее крупных вторичных пор, а на втором - уменьшается объем первичной пористости. В случае, если начальная влажность грунта меньше оптимальной, энергия уплотнения затрачивается, главным образом, на разрушение комьев.
          

Испытания образцов с нарушенной структурой

     
     4.8. Водопроницаемость глинистых грунтов с нарушенной структурой определяют обычно в лабораторных условиях с помощью фильтрационно-суффозионных приборов, один из которых показан на рис.20.
     

Рис.20. Рабочая схема фильтрационных испытаний грунта в вертикальном приборе - пермеаметре

     
     
     В этом приборе образец грунта, помещенный в цилиндрическую рабочую камеру, подвергается сжатию при действии усилия, передаваемого от гидравлического пресса через шток на верхнюю подвижную решетку. Одновременно осуществляется фильтрация воды, подаваемой из поплавкового бачка-дозатора, автоматически поддерживающего заданную величину напора. Деформацию (сжатие) образца грунта в процессе его испытания определяют по показаниям мессуры, закрепленной на штоке. Напор воды, действующий на весь образец, определяют по показаниям пьезометров, соединенных с верхним и нижним бьефами. В тех случаях, когда необходимо выяснить распределение пьезометрического напора по толщине образца грунта, используют для этого электрические преобразователи давления (датчики) индуктивного типа, присоединенные непосредственно к штуцерам пьезометров на стенке рабочей камеры прибора. С внутренней стороны стенки каждый из этих штуцеров должен быть снабжен водоприемником из пористой керамики в виде диска диаметром около 1 см.
     
     Следует иметь в виду, что уплотнять грунт до заданной начальной плотности допустимо лишь путем предварительного его сжатия, но не трамбованием, так как при трамбовании возникают отдельные сильно уплотненные слои, наличие которых является причиной неравномерного распределения напора по толщине образца и вследствие этого возможна ошибка в определении проницаемости грунта.
     
     Сразу после начального уплотнения грунта его замачивают дистиллированной водой или химически равновесным раствором содержащихся в нем солей в направлении снизу вверх до тех пор, пока вода не проникнет через всю толщу образца, после чего камеру прибора заполняют водой до уровня слива, расположенного на постоянной отметке. Поднимая бачок дозатора или расходомерную трубку, создают напор, достаточный для точного измерения объема фильтрата.
     
     Во время испытаний грунтов в фильтрационно-компрессионных приборах особое внимание необходимо уделять полному удалению воздуха из подстилающего слоя, на который укладывается образец, так как скопившийся под нижней поверхностью образца воздух препятствует протеканию воды при малых ее напорах, что затем ошибочно интерпретируется как отклонение от закона Дарси. Удаление воздуха обычно осуществляют через кран, расположенный чуть ниже образца, наклоняя при этом прибор, установленный в обойме, которую можно поворачивать в вертикальной плоскости (рис.21).
     

Рис.21. Схема фильтрационно-суффозионного прибора с поворотным нагрузочным устройством

1 - цилиндрическая рабочая камера; 2 - испытываемый грунт (заполнитель); 3 - отстойник; 4 - грунтосборник;
 5 - сливной бачок; 6 - патрубок; 7 - обойма; 8 - червячный механизм; 9 - ось; 10 - вилка; 11 - хвостовик;
 12 - трубчатая стойка; 13 - опорная крестовина; 14 - пьезометрический щит; 15 - гидравлический домкрат;
 16 - чашка; 17 - седиментометр.

     
     В соответствии с основной целью исследований, которая обычно заключается в выяснении характера изменения проницаемости грунта по мере его уплотнения, в каждом опыте постепенно увеличивают (отдельными ступенями) сжимающее давление. Таким образом, весь опыт в данном случае подразделяется на ряд этапов (периодов), продолжительность которых зависит в основном от времени полного затухания осадок и выравнивания расходов фильтрации.
     
     Используя полученные в опыте данные, вычисляют затем значения коэффициентов фильтрации и пористости грунта, изменение которых во времени (вместе с другими характерными параметрами) можно наглядно представить в виде графиков, как это показано на рис.22.
     
     

Рис.22. Пример графической интерпретации результатов фильтрационных испытаний
глинистого грунта

     
     
     Не следует при этом забывать, что вычисленный по расходу и градиенту напора коэффициент фильтрации грунта надо привести для последующих сравнений к определенной температуре (лучше - к 20 °С). Изменение коэффициента кинематической вязкости воды в зависимости от температуры показано графически на рис.23.
     

Рис.23. График температурной поправки для приведения коэффициента фильтрации грунта
к температуре воды 20 °С

     
     
     Все экспериментальные и полученные расчетом данные рекомендуем во время испытаний записывать в таблицу, наиболее удобная форма которой показана (табл.4).
     
     

Таблица 4

     
     
     4.9. При весьма малых расходах фильтрации (10 см/с) определять их удобно по понижению уровня в пьезометрической трубке, одновременно используемой в этом случае для создания напора воды. Так, если известен начальный напор воды в трубке  и напор  через интервал времени , то коэффициент фильтрации грунта
     

,                                                   (51)

     
где  - диаметр пьезометрической трубки;  - диаметр поперечного сечения рабочей камеры прибора;  - толщина образца грунта.
     
     Как видно, при понижениях уровня воды ко времени отсчета, не превышающих 0,05, коэффициент фильтрации можно вычислять, не считаясь с этим понижением, т.е. средний за данный интервал времени градиент напора, принимать .
     
     Для стабилизации напора воды, а также для измерения ее расхода при испытании слабопроницаемых грунтов можно воспользоваться приспособлением, схематически показанном на рис.24. Приспособление состоит из сосуда 1, откуда вода с постоянным напором (величина которого поддерживается вакуумом в верхней части сосуда) поступает в форкамеру прибора. При контрольных измерениях расхода воды сосуд с помощью крана 4 отключают и затем открывают кран 5, после чего вода с тем же напором начинает поступать в форкамеру из калиброванной капиллярной трубки 6.
     

Рис.24. Схема приспособления для стабилизации напора с помощью сосуда Мариотта
 и измерения расхода воды при испытании слабопроницаемого грунта

     
     
     Естественно, во время контрольных определений расхода фильтрующейся через грунт воды необходимо обеспечить надежную термоизоляцию всей системы, чтобы избежать погрешности вследствие температурного изменения объема находящейся в форкамере воды.
          

Испытания образцов с ненарушенной структурой

     
     4.10. Наиболее достоверные данные о проницаемости грунта могут быть получены в результате испытаний образцов, отобранных с помощью режущих колец непосредственно из самого сооружения или опытного его фрагмента.
     
     Эти образцы вместе с кольцами помещают в специально приспособленные для проведения такого рода испытаний фильтрационно-компрессионные приборы. Конструкция одного из них приведена на рис.25, из которого видно, что пробоотборное кольцо 3 с находящимся в нем грунтом 4 расположено между верхней 6 и нижней 1 камерами прибора. Эти камеры соединены между собой тремя откидными тягами 11, с помощью которых осуществляется плотная стыковка обеих камер с кольцом, благодаря чему появляется возможность подавать через краны 10 и 12 под напором воду в одну из камер, откуда она поступает в испытываемый грунт. С целью равномерного распределения потока воды по площади образца, а также для предотвращения продавливания грунта в отверстия решеток 2 и 5, снизу и сверху образца рекомендуется укладывать фильтровальную бумагу и тонкую латунную сетку с ячейками не более 0,05 см.
     

Рис.25. Фильтрационно-компрессионный прибор (обозначения в тексте)

     
     
     До начала испытаний прибор помещают в нагрузочное устройство, позволяющее переворачивать прибор перед водонасыщением грунта и создавать усилие, необходимое для его уплотнения. Стенд фильтрационно-компрессионных приборов, снабженных такими нагрузочными устройствами, показан на рис.26.
     

Рис.26. Стенд фильтрационно-компрессионных приборов с поворотными
нагрузочными устройствами

     
     
     После окончания испытаний образца грунта надо обязательно (и по возможности точнее) определить его конечную влажность , чтобы по ней вычислить коэффициент пористости , и таким образом дополнительно проконтролировать величину плотности грунта, вычисленную по осадке верхней решетки, передающей на грунт усилие от домкрата.
          

Методика испытаний на водопроницаемость низкопластичных глинистых грунтов

     
     4.11. Если глинистый грунт имеет тугопластичную или твердую консистенцию, отобрать из него образец обычным способом (путем вдавливания режущего кольца) без нарушения первоначальной (естественной) структуры практически невозможно. Трудно это сделать, когда в грунте содержатся дресвяно-щебнистые фракции. При вдавливании (врезке) кольца в такие грунты образуется пристенная щель между образцом и пробоотборным кольцом, вследствие чего нельзя надеяться на получение достоверных данных о проницаемости испытываемого грунта.
     
     В подобных случаях коэффициент фильтрации грунта целесообразно определять с помощью устройства, конструкция которого и схема испытаний даны на рис.27.
     
     

Рис.27. Устройство для фильтрационных испытаний образцов-кернов глинистого грунта

     
     
     Особенность испытаний по данной схеме состоит в том, что в цилиндрическом образце-керне, выделенном из грунта или монолита без нарушения структуры, создают осесимметричный поток воды, фильтрующийся наружу из центральной полости, предварительно пробуренной обычным сверлом вдоль оси образца (для чего можно использовать любой шпиндельный станок).
     
     Само устройство состоит из следующих частей: нижнего поддона 1, на котором размещают образец 2 испытываемого грунта, верхнего фланца 3, выполненного из прозрачного материала, например, оргстекла, прижимного кольца 4, с ввернутой в верхний фланец пробкой 5, через которую проходят трубки 6 и 7, служащие для подачи воды в центральную полость 8 образца и выпуска из нее воздуха, трех накидных тяг 9, на каждой из которых имеется пружина 10.
     
     До того, как приступить к испытаниям, образец грунта с высверленной в нем полостью и выровненными торцами, плотно обматывают снаружи несколькими слоями марли 11 и затем прочной капроновой сеткой 12, а во внутреннюю полость вставляют упругую перфорированную гильзу 13, выполненную из той же капроновой сетки, которая должна быть достаточно плотно прижатой к стенкам полости, чтобы предотвратить деструкцию грунта при его замачивании. Подготовленный таким образом образец 2 приклеивают с помощью расплавленного пластилина к нижнему фланцу-поддону 1, в связи с чем фланец предварительно подогревают, и точно также приклеивают к верхнему торцу образца прозрачный фланец 3, внимательно следя, чтобы не образовалось в пластилиновой прослойке сквозных каверн.
     
     После затвердевания пластилиновых прослоек 14 на верхний фланец надевают прижимное кольцо 4, в его проушины вводят накидные тяги 9 и с помощью гаек на концах этих тяг создают требуемое начальное обжатие образца, частично компенсирующее усилие набухания, возникающее в грунте при его замачивании.
     
     Фильтрационные испытания образца проводят по известной методике, имея в виду, что нельзя при этом допускать испарения профильтровавшейся наружу воды, вследствие чего может возникнуть капиллярный ее подсос. Коэффициент фильтрации грунта вычисляют по формуле:
     

,                                                    (52)

     
где  и - измеренные в процессе испытаний расход и напор фильтрующейся через грунт воды;  - высота образца грунта;  и  - радиус образца и радиус полости внутри образца.
     
     Удобно при испытаниях образец (вместе с устройством) помещать в заполненный водой сосуд. Тогда целиком устраняется влияние отрицательного капиллярного давления внутри пор грунта.
          

Хранение и транспортировка образцов грунта, отобранных с помощью режущих колец

     
     4.12. Известно, что при невозможности испытаний образцов грунта на месте их приходится парафинировать для предохранения от высыхания и механических повреждений во время перевозки. Парафинирование отнимает много времени, в последующем усложняет процесс подготовки образцов к испытаниям.
     
     В связи с этим предлагается специальный контейнер для хранения и транспортировки образцов грунта, отобранных с помощью колец, без парафинирования. Контейнер, конструкция которого поясняется чертежом на рис.28, представляет собой две пластины, изготовленные из толстой фанеры или текстолита, соединенные болтами. Между этими пластинами помещают кольца с грунтом. Для обеспечения полной герметизации колец на внутренней поверхности пластин укрепляется резиновая или полиэтиленовая прокладка. После того, как кольца с грунтом уложены в контейнер, гайки на болтах закручивают и, таким образом, кольца оказываются плотно прижатыми к прокладкам. Практически удобнее всего помещать в контейнер от 8 до 12 колец. Для переноски контейнера к нему прикрепляется ручка.
     

Рис.28. Контейнер для транспортировки и хранения образцов грунта, отобранных с помощью колец

     
     
Методика испытаний образцов скального грунта

Испытания образцов-кернов при всестороннем их обжатии

     
     4.13. При оценке качества скального основания нельзя непосредственно переносить на натуру результаты испытаний небольших образцов. Тем не менее, во многих случаях лабораторными экспериментами могут быть выявлены некоторые общие закономерности в поведении скального массива и его качественные характеристики, вполне справедливые для натуры. Для определения в лабораторных условиях изменения проницаемости при всестороннем обжатии цилиндрических образцов скалы-кернов, диаметром от 50 до 150 мм, может быть использован прибор типа "Керн". Этот прибор (рис.29) позволяет испытывать скальные образцы при дивергентной (расходящейся) и конвергентной (сходящейся) фильтрации.
     

Рис.29. Устройство типа "Керн" для испытаний на водопроницаемость образца скального грунта
при всестороннем его обжатии

1 - цилиндрический корпус прибора; 2 - образец (керн) скальной породы; 3 - осевая полость (скважина),
 выбуренная по оси образца; 4 - гибкая непроницаемая оболочка; 5 - дренажный слой зернистого
материала (песка); 6 - резиновая прокладка, приклеенная к торцевой поверхности образца; 7 - крышка;
8 - сливной бачок; 9 - мерный сосуд, из которого вода поступает во внутреннюю полость образца;
10 - сливная трубка, через которую вода выпускается из дренажного слоя; 11 - центральная трубка,
проходящая в осевую полость образца; 12 - ниппель для выпуска воздуха; 13 - гайка для герметизации
центрального отверстия в верхнем фланце; 14 - прижимное кольцо, с помощью которого крепится
гибкая оболочка к верхнему фланцу; 15 - верхний фланец; 16 - кран, через который подается
жидкость в рабочую камеру; 17 - резервуар с жидкостью, находящейся
под избыточным давлением.

     
     
     В первом случае вода из мерного сосуда 9 поступает во внутреннюю полость 3 испытываемого образца 2 и растекается по трещинам или порам к наружной его поверхности, где попадает в зернистую обсыпку (дренажный слой) 5, а затем вытекает из этого слоя по трубке 10 в сливной бачок 8. При дивергентной фильтрации движение воды осуществляется в обратной последовательности, в связи с чем мерный сосуд и сливной бачок надо поменять местами.
     
     Во время фильтрации воды через образец его можно подвергнуть всестороннему обжатию давлением жидкости, поступающей в рабочую камеру прибора из резервуара 17. Под действием этого давления, передаваемого на поверхность образца через гибкую непроницаемую оболочку 4, раскрытие трещин в образце, следовательно, его проницаемость будет уменьшаться. В результате определений расходов фильтрации при постоянном напоре и различном давлении становится ясным характер изменения проницаемости образца в зависимости от величины всестороннего его обжатия.
     
     В силу неоднородности строения скального грунта небезразличны направления фильтрации при испытании на проницаемость кернов, полученных при бурении. Преимущественно вертикальное направление скважин и горизонтальное направление движения подземных вод делают желательным определение радиальной проницаемости кернов.
     
     Для выяснения расположения и числа водопроводящих трещин на поверхности керна его снаружи покрывают пористой пленкой, чувствительной к какому-либо газу, например, аммиаку и, пропуская этот газ через стенки керна, получают экспонированные участки на пленке против устьев трещин. В результате на развертке пленки (аммиачной бумаге) проявится топография трещин и качественно их проницаемость, от которой зависит толщина следов трещин на пленке.
          

Методика экспериментального изучения условий движения воды в трещинах

     
     4.14. Суть экспериментов сводится к созданию контролируемого потока воды в трещине с определенным и изменяемым ее раскрытием. Трещину можно получить в образце скальной породы или бетона, имеющем форму параллелепипеда, путем его раскалывания в продольном направлении с помощью пресса. Для этого образец помещают между двумя трехгранными призмами, расположенными в выбранной плоскости.
     
     Более детально методика экспериментов заключается в следующем. Образец скальной породы, разделенный на две половины продольной трещиной, укладывают на поворотный стол специальной установки, получившей название "Фитрон" (от словосочетания фильтрация в трещине), схема которой показана на рис.30.
     

Рис.30. Схема установки "Фитрон"

1 - опорная стойка с крестовиной; 2 - пескосборник револьверного типа; 3 - водосливной бачок-отстойник;
4 - трещина; 5 - прокладка из губчатой резины между образцом и нащельником; 6 - струбцины для прижатия
нащельника; 7 - штуцеры пьезометрических каналов, входящих в трещину; 8 - съемный стол с герметизирующим
резиновым уплотнением; 9 - нагрузочные пружины; 10 - платформа; 11 - червячный механизм (редуктор)
с ручным приводом-штурвалом для поворота платформы; 12 - штурвал; 13 - бетонный образец с продольной
трещиной (щелью); 14 - бачок регулятор напора воды в верхнем бьефе; 15 - индикаторы перемещения
подвижной половины образца; 16 - пьезометры; 17 - водоподводящий бачок; 18 - кронштейн для крепления
неподвижной половины образца; 19 - планка-нащельник;
20 - анкерные тяги регулирования раскрытия трещины.

     
     
     При этом нижнюю половину образца укрепляют на столе и делают неподвижной, а верхнюю оставляют свободной, и ее с помощью анкерных тяг можно отодвинуть от нижней половины, образуя трещину. Сверху трещину закрывают планкой-нащельником, снабженной, как и стол, уплотняющей резиновой прокладкой.
     
     К торцевым открытым поверхностям образца, в месте расположения трещины, присоединяют с одной стороны водоподводящий бачок, а с другой - водосливной бачок-отстойник. После этого смещением верхней подвижной половины образца осуществляют требуемое раскрытие трещины, постоянно контролируемое с помощью двух, расположенных по краям образца, индикаторов (мессур).
     
     Затем через трещину пропускают поток воды, постепенно увеличивая ее напор. Градиенты напора в процессе опыта определяют по показаниям пьезометров, присоединенных к отверстиям, выходящим в трещину, а скорость течения - по измеренной величине расхода.
     
     Для различного ориентирования трещины в пространстве установка имеет механизм, вращающий стол вместе с закрепленным на нем образцом, который по желанию можно устанавливать вдоль или поперек оси вращения.
     
     

5. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ ГРУНТОВ НА СУФФОЗИОННУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ

Испытания нескальных грунтов

Методика испытаний глинистого грунта в условиях контактного выпора

     
     5.1. Наиболее простым и доступным способом определения в лабораторных условиях сопротивляемости глинистого грунта контактному выпору является способ его испытаний в вертикальном фильтрационно-суффозионном приборе с цилиндрической рабочей камерой, диаметр которой должен в четыре-пять раз превышать размер наиболее крупных включений, как в самом глинистом грунте, так и в грунте дренажа.
     
     Испытания сводятся к определению разрушающих градиентов напора фильтрующейся через образец глинистого грунта жидкости. Для этого образец помещают в рабочую камеру прибора, укладывая его непосредственно на подстилающий слой крупнозернистого грунта дренажа и после соответствующего уплотнения пропускают через него поток жидкости при постепенно возрастающем ее напоре до тех пор, пока не произойдет разрушение образца вследствие контактного выпора грунта.
     
     Методически более совершенными являются испытания грунта с помощью специального устройства, конструкция которого поясняется чертежом на рис.31.
     

Рис.31. Схема устройства для изучения процесса контактного выпора глинистых грунтов

1 - испытываемый на выпор глинистый грунт; 2 - коаксиальная перфорированная трубка
с распределительной сеткой; 3 - стенка рабочей камеры с дренажной сеткой; 4 - отверстия (фильеры),
имитирующие поры крупнозернистого материала; 5 - индуктивный датчик перемещения для регистрации
выдавливания грунта в отверстие; 6 - многоканальный электрический мост; 7 - кольцевой поршень;
8 - индикатор перемещения поршня.

     
     
     Прибор имеет цилиндрический корпус 3, по оси которого расположена перфорированная трубка 2. Сверху в корпус вставлен массивный поршень 7, передающий внешнее давление на испытываемый грунт 1, который помещен в кольцевое пространство между корпусом и перфорированной трубкой. В корпус прибора ввинчены штуцеры (фильеры) с отверстиями различного диаметра, моделирующими поры в грунте основания экрана или в обратном фильтре дренажа.
     
     Во время проведения опыта вода (жидкость) через кран поступает внутрь перфорированной трубки 2, откуда протекает в грунт и фильтрует к периферии под действием напора, величину которого определяют по показаниям манометра.
     
     Для равномерного притока воды (жидкости) к грунту трубка 2 снаружи окружена металлической сеткой галунного плетения. Дренирование фильтрационного потока осуществляется такой же сеткой, расположенной на внутренней поверхности корпуса, в котором для лучшего оттока воды имеются дренажные отверстия. Профильтровавшаяся вода вытекает через эти отверстия и собирается в кювете, откуда она по сливной трубке поступает в мерный сосуд. Суммарную осадку грунта определяют по показаниям трех симметрично расположенных на поршне индикаторов, причем опорой для их штоков служат выдвижные подставки, закрепленные на корпусе прибора. Эти подставки позволяют легко устанавливать начальные нулевые показания индикаторов.
     
     Фильтрационную прочность грунта определяют по величине выходного градиента напора, измеренного в то время, когда начинается разрушение грунта в фильере с отверстием данного диаметра. При этом, по мере завершения контактного выпора, фильеры последовательно закупоривают, ввинчивая в них пробки, что позволяет в одном опыте испытать грунт при его выпоре в несколько отверстий различного диаметра и установить таким образом зависимость между критическим градиентом и диаметром отверстий.
     
     Величину градиента на контуре разгрузки потока определяют по формуле для осесимметричной фильтрации в напорном пласте:
     

,                                                             (53)

     
где  - напор жидкости внутри перфорированной трубки;  и  - расстояния от оси прибора до распределительной и дренажной сеток.
     
     Один из таких приборов с рабочей камерой диаметром 31 см и высотой 26 см показан на фотографии (рис.32). Вертикальная сжимающая нагрузка, постоянно передаваемая поршнем на грунт, может достигать в этом приборе 250 Н/см.
     

Рис.32. Установка для определения фильтрационной прочности грунтов при контактном выпоре

Испытания грунта на контактный размыв в фильтрационно-суффозионном лотке

     
     5.2. Фильтрационно-суффозионный лоток (рис.33), чаще всего используемый для испытаний грунта на контактный размыв, состоит из рабочей камеры в виде открытой сверху прямоугольной коробки, к торцевым решетчатым стенкам которой присоединены: с одной стороны - форкамера, куда подают воду, а с другой - отстойник с водосливом. Одну из боковых стенок камеры обычно делают прозрачной, чтобы можно было наблюдать как происходит размыв грунта. На противоположной боковой стенке имеются отверстия с присоединенными к ним (через трехходовые краники) пьезометрами.
     

Рис.33. Горизонтальный фильтрационно-суффозионный лоток

     
     
     После заполнения рабочей камеры грунтом сверху в нее вставляют массивный поршень, с помощью которого передается на грунт сжимающее усилие, воспринимаемое от гидравлического домкрата или рычажного устройства.
     
     В зависимости от заданных условий испытываемый грунт укладывают либо под коллектором - слоем крупнозернистого материала, либо над ним (случай так называемого потолочного размыва). Считается обязательным торцевые участки слоя грунта на длине около 10 защищать от размыва (экранировать) тонкой металлической фольгой, так как на этих участках возникает сбойность (перемежаемость) фильтрационного потока, не характерная для внутренней зоны коллектора.
     
     К самим испытаниям приступают после водонасыщения грунта и полной его консолидации под нагрузкой, о чем судят по прекращению осадки поршня (или расширения гидравлической подушки), регистрируемой индикаторами, установленными на поршне.
     
     В процессе испытаний следует обратить главное внимание на выяснение наименьших значений скорости и градиента напора фильтрационного потока в коллекторе, при которых возникают устойчивый размыв грунта (эти значения называют размывающими), интенсивности размыва (расхода выносимых потоком частиц грунта) по мере увеличения скорости потока и соответствующих смещений размываемой поверхности (о чем свидетельствует осадка поршня).
     
     5.3. Для большей наглядности все характерные для процесса испытаний грунта данные выражают в виде графиков, как это показано на рис.34. Здесь, например, можно отчетливо видеть, как быстро прекращается контактный размыв разнозернистого грунта вследствие появления в процессе размыва отмостки из содержащихся в грунте крупных частиц, которые не могут пройти через поры коллектора.
     

Рис.34. Рекомендуемый образец графической интерпретации результатов испытаний грунта на контактный размыв

1 - суглинисто-щебнистый грунт 1,972 г/см; 10,2 см; 10,9%;
2 - гравий крупностью 5-7 мм; 0,39.


Проведение испытаний грунта на контактный размыв в вертикальном
фильтрационно-суффозионном приборе

     
     5.4. Для испытаний по данной схеме (рис.35) выбирают подходящий по размерам вертикальный прибор с цилиндрической рабочей камерой, в которую укладывают грунт и одновременно материал коллектора (например, материал первого слоя обратного фильтра, защищающего от размыва глинистое ядро каменно-земляной плотины). Для формирования при этом более четкого сопряжения (плоскости контакта) грунта и материала коллектора между ними при укладке помещают тонкую пластинку, которую потом извлекают.
     

Рис.35. Схема и результаты испытаний грунта на контактный размыв в вертикальном фильтрационно-суффозионном приборе

1 - супесчано-щебнистый грунт Сафедобского месторождения 1,70 г/см, 0,7%, 1,76 г/см;
 2 - обратный фильтр (галечник) 2-40 мм, 1,90 г/см, 0,28; 3 - песколовка.

     Примечания: 1. Снижение коэффициента фильтрации галечника при градиентах 0,003-0,02 обусловлено влиянием закупорки пор воздухом.

     2. Скорость движения воды в порах обратного фильтра подсчитывалась по формуле .
     
     
     Чтобы избежать деструкции грунта при замачивании (размокании), нижнюю поверхность образца надо защищать надлежаще подобранными по крупности частиц подстилающим слоем, как это показано на схеме опыта (рис.35). Данному требованию соответствует обычно слой гравия крупностью 5-7 мм.
     
     Сверху укладывают пригрузку, которая должна быть менее проницаема, чем материал коллектора, иначе произойдет преждевременный и к тому же нехарактерный размыв входного фрагмента образца. Однако его можно защитить от размыва в этом месте с помощью тонкой фольги или пленки.
     
     При наличии внешней силы, воспринимаемой верхней решеткой, можно в процессе испытаний фиксировать ее осадку, обусловленную контактным размывом грунта и тем самым получить дополнительное объективное свидетельство о характере протекания размыва (см. график осадок на рис.35). В остальном испытания проводятся также, как и в горизонтальном фильтрационно-суффозионном лотке.
          

Методика испытаний грунтов на суффозионную устойчивость при воздействии потока воды
со стороны устья оперяющей полой трещины (щели)

     
     5.5. Эта часто встречающаяся и весьма опасная разновидность механической суффозии по сути является контактным размывом грунта фильтрационным потоком в трещинном коллекторе. Впервые для изучения данной разновидности суффозии (применительно к оценке фильтрационной прочности сопряжения ядра каменно-земляной плотины со скальным основанием) во ВНИИГе им. Б.Е.Веденеева были созданы специальные установки, получившие название Бора (что значит боковой размыв). Одна из таких установок Бора-2 показана на фотографии рис.36, а ее схема - на рис.37.
     

Рис.36. Установка Бора-2

Рис.37. Схема установки Бора-2

     
     
     Эта установка позволяет воспроизвести условия размыва грунта потоком воды в одиночной трещине с регулируемым раскрытием, которая образуется при расстыковке двух частей бетонной призмы, предварительно расколотой в продольном направлении и являющейся своего рода трещинным коллектором. Для выявления особенностей процесса размыва как при потолочном, так и боковом его вариантах, установка снабжена поворотной платформой, на которой размещается бетонная призма. Кроме того, для стабилизации потока воды трещина имеет достаточно большой разгонный участок.*
________________
     * Общая длина трещины в установке Бора-2 составляет 100 см, а разгонного участка - 50 см.
     
     Методика испытаний грунта на установке Бора-2 заключается в следующем. Испытываемый грунт 1 помещают в рабочую камеру 2, расположенную непосредственно на верхней грани бетонной призмы 3 над устьем продольной трещины 4, разделяющей эту призму на две части, одна из которых неподвижно закреплена на платформе 5, а другую можно с помощью тяг 6 перемещать в поперечном направлении, устанавливая тем самым заданное раскрытие трещины.
     
     Величину раскрытия при этом контролируют по показаниям мессур 7, укрепленных на платформе.
     
     Уложенный грунт затем уплотняют до расчетного объемного веса с помощью поршня 8, воспринимающего необходимое для уплотнения усилие от нагрузочного устройства 9 (гидравлического домкрата, пружин). После консолидации грунта через трещину пропускают поток воды, постепенно увеличивая его напор, пока не начнется размыв грунта. Градиенты напора определяют по пьезометрам 10, присоединенным к штуцерам пьезометрических каналов (отверстий) 11, выходящих в трещину.
     
     Интенсивность размыва грунта определяют по нарастанию массы его частиц, выносимых в отстойник 12, и по осадке поршня, регистрируемой мессурами 13. По нарастанию интенсивности размыва и осадок поршня, по мере увеличения скорости течения воды в трещине можно определить ее размывающую величину, которая является характеристикой суффозионной устойчивости грунта при данном воздействии на него фильтрационного потока и данном раскрытии трещины.
     
     5.6. При окончательной оценке суффозионной устойчивости грунта следует иметь в виду, что разнозернистые грунты обладают несравненно более высокой устойчивостью к рассматриваемому виду воздействия на грунт фильтрационного потока, поскольку в процессе потолочного размыва устье трещины перекрывается крупными частицами, т.е. над трещиной самопроизвольно образуется своего рода обратный фильтр, предохраняющий грунт от дальнейшего размыва, в связи с чем местная деформация (осадка) грунта над устьем трещины с раскрытием  ограничится величиной
     

,                                                        (54)

     
где  - параметр раскрытия трещины;  - относительное содержание в грунте частиц по (массе) с размерами, не превышающими раскрытие трещины;  - угол наклона к горизонту плоскости обрушения (сдвига) грунта над выработкой (в данном случае над размываемым сводом).
     
     В отношении данного вида суффозии потенциально опасными трещинами в скальном массиве основания грунтового сооружения (или в бетонной плите крепления откоса плотины) являются лишь сквозные трещины с раскрытием свыше 0,5 мм, так как в более тонких трещинах размывающие градиенты напора в десятки раз превосходят практически возможные их значения.
          

Методика испытаний грунта на устойчивость к внутренней суффозии

     
     5.7. Методика испытаний грунта на устойчивость к внутренней суффозии практически не отличается от методики испытаний на водопроницаемость. В данном случае необходимо соблюдать те же правила водонасыщения грунта перед испытанием и осуществлять меры по предотвращению выделения из воды воздуха в процессе самого испытания. Поэтому очень часто, проводя один эксперимент, стараются одновременно получить характеристики водопроницаемости и суффозионной устойчивости грунта.
     
     Отличительной является операция по контролю интенсивности суффозии, которую надлежит выполнять с помощью специальных приспособлений, грунтосборников (песколовок) или использовать более сложные электромеханические устройства - суффозиометры.
     
     5.8. Конструкция одного из таких приспособлений - револьверной песколовки - поясняется чертежом на рис.38, из которого видно, что песколовка состоит из двух дисков 1 и 2, находящихся на общей оси 3. На верхнем диске 2 имеется отверстие 4, совмещенное с патрубком 5, с помощью которого присоединяют песколовку к отстойнику прибора 6.
     

Рис.38. Песколовка револьверного типа

     
     
     В нижнем вращающемся диске 1 имеется несколько (два-три) отверстий 7 с уплотнительными шайбами из фторопласта 8. Каждое из этих отверстий может быть совмещено с отверстием 4 в верхнем диске. В отверстия ввернуты трубки-капсулы 9 из прозрачного материала, в которых улавливаются выпавшие из отстойника частицы грунта 10. Поворачивая по мере необходимости нижний диск, разобщают с отверстием 4 одну из трубок с находящимися в ней частицами грунта и совмещают с этим отверстием другую, предварительно заполненную водой, трубку (для чего в верхнем диске высверлено небольшое дополнительное отверстие 11).
     
     Таким образом, в течение одного опыта можно многократно отбирать порции частиц, вынесенных из испытываемого грунта. Однако здесь надо иметь в виду, что подстилающий образец грунта зернистый материал должен быть подобран так, чтобы через него свободно проходили вымываемые из грунта частицы.
     
     5.9. Более оперативно можно получить информацию об интенсивности суффозии, если использовать электромеханический суффозиометр (рис.39), позволяющий непрерывно и с высокой точностью взвешивать осадок частиц, выпавших из отстойника прибора. Подключив к суффозиометру регистрирующий прибор, можно получить запись изменения суффозии во времени, кроме того, обеспечить синхронизацию этой записи с другими, получаемыми в опыте характеристиками (расходом фильтрации и напором).
     

Рис.39. Схема электромеханического суффозиометра

1 - размываемый грунт; 2 - отстойник; 3 - соединительный патрубок; 4 - прозрачный сосуд;
 5 - чашка-пескосборник; 6 - капроновая нить; 7 - стеклянная трубка; 8 - пластинчатая пружина;
 9 - индуктивный датчик перемещения; 10 - электронный блок.

     
     
     При проведении опыта надо учитывать, что по мере увеличения расходов фильтрации скорость протекания воды через отстойник прибора также возрастает, в связи с чем наиболее мелкие частицы могут не успеть седиментировать и попасть в суффозиометр, они уйдут транзитом на слив. В этом случае рекомендуется осуществлять осаждение таких частиц в дополнительном отстойнике достаточно больших размеров. Каждый отстойник должен иметь днище в виде перевернутой пирамиды или конуса с крутыми (более 50°) стенками, чтобы обеспечить сползание вниз осевших частиц.
     
     Испытания грунта начинают, как правило, при заведомо неопасных для него градиентах напора, который постепенно увеличивают ступенями по 10-20% до тех пор, пока не обнаружатся признаки суффозии (появление очагов размыва, вынос частиц, деформация образца, изменение его проницаемости). При этом надо, не меняя напора, выяснить установившееся значение перечисленных показателей состояния грунта, после чего можно еще повысить напор и вновь повторить те же операции.
     
     

Испытания скальных грунтов

Методика испытаний грунта на эрозионную устойчивость
(случай размыва заполнителя потоком воды в трещине или щели)

     
     5.10. Такие испытания (схема в на рис.8) можно выполнить в лабораторных условиях с помощью суффозионного щелевого лотка. Лоток (рис.40) состоит из рабочей камеры 1 с находящейся в ней подвижной кассетой 2, куда уложен образец грунта 3, приспособлений-щелемеров 4, расположенных на прозрачной крышке 5 камеры лотка и устройства для перемещения кассеты, состоящего из прикрепленных к ней тяг 6, соединенных также с траверсой 7, на концевых участках которой имеются винты 8. Места прохода тяг через дно камеры герметизированы сальниками 9, а для уплотнения промежутка между кассетой и дном камеры здесь помещена легко сжимаемая и водонепроницаемая прокладка 10, например, из губчатой резины.
     

Рис.40. Схема суффозионного щелевого лотка с подвижной кассетой

     
     
     На торцевых стенках камеры имеются патрубки 11, через которые подается и отводится вода, а перед этими патрубками в камере установлены струераспределительные решетки 12. Для уменьшения сбойности течения потока на концевых участках щели кассета снабжена открылками 13. На крышке камеры лотка размещены штуцера 14, к которым присоединяются пьезометры для измерения напора потока воды в щели.
     
     Для проведения испытаний образец грунта 3 (в виде бруска с выровненной верхней гранью) укладывают по возможности без нарушения его естественной структуры в кассету 2, которая находится в рабочей камере 1 лотка, и фиксируют положение образца в кассете с помощью твердеющего раствора.
     
     Закрывают лоток крышкой 5, присоединяют к штуцерам 14 пьезометры, а к патрубкам 11 - приспособления для создания напора и слива воды, после чего замачивают образец, заполняя камеру водой.
     
     Если при впитывании воды происходит деструкция поверхностного слоя образца, его плотно прижимают к крышке, что легко осуществить при наличии подвижной кассеты.
     
     Затем, вращая винты 8, устанавливают и измеряют с помощью щелемеров 4 начальное раскрытие щели и постепенно увеличивая напор потока в щели до прогнозируемых значений этих параметров в натуре, одновременно наблюдают через прозрачную крышку лотка за состоянием поверхности образца, контролируя щелемерами раскрытие щели.
     
     В случае размыва (эрозии) поверхности об интенсивности этого явления можно судить не только по увеличению раскрытия щели, но также по изменению ее проницаемости, характеризуемой средней скоростью потока при данном градиенте напора, который определяют по показаниям пьезометров.
     
     Конструкция устройства (щелемера) для определения раскрытия щели и измерения глубины размыва грунта поясняется чертежом на рис.41. Глубину размыва определяют с помощью этого устройства следующим образом. Вращая подающую гайку, расположенную в прорези опорной планки 5, перемещают выдвижной шток 6 вверх до упора, полностью утапливая тарелку 11 в выточке крышки лотка 2. Вращением столика 9 устанавливают нулевой отсчет на шкале мессуры 8, затем опускают шток вниз, пока тарелка не прижмется на поверхности грунта 1, при этом по показаниям мессуры определяют величину раскрытия щели. Сопоставляя во времени величины раскрытия в данной точке, выясняют интенсивность размыва грунта, не снимая при этом крышки лотка.
     
     

Рис.41. Устройство для измерения раскрытия щели при испытании на размыв образцов породы
в суффозионном щелевом лотке

1 - испытываемая порода (заполнитель), находящийся в кассете; 2 - крышка лотка; 3 - сальниковая муфта;
 4 - стойки; 5 - опорная планка с подающей гайкой; 6 - выдвижной шток; 7 - верхняя планка; 8 - мессура;
9 - столик для установки нуля отсчета; 10 - кольцевой зазор с находящейся в ней вязкой жидкостью (тавотом);
 11 - опорная тарелка; 12 - губчатое уплотнение для герметизации камеры лотка.


Методика испытаний заполнителя трещины на устойчивость к внутренней суффозии
и выдавливание (выпор)

     
     5.11. Экспериментальное изучение двух видов суффозии в скальном грунте, поясняемых схемами б и е на рис.8, рекомендуется проводить с помощью установки типа "Тектрон", позволяющей создавать в процессе испытаний дивергентный фильтрационный поток в пласте заполнителя трещин и одновременно - сжимающую нагрузку с интенсивностью, соответствующей величине напряжений в рассматриваемой области скального массива.
     
     Конструктивно установка "Тектрон" (рис.42) выполнена таким образом, что имеется свободный доступ к образцу заполнителя и возможность наблюдений за его состоянием в процессе испытания.
     

Рис.42. Схема установки "Тектрон"

1 - испытываемый образец заполнителя; 2 - пустотелый керн скальной породы; 3 - нагрузочное устройство
(домкрат или пружина); 4 - фланец; 5 - направляющие стойки; 6 - защитная сетка;
7 - внутренняя полость керна; 8 - кольцевой водосборник; 9 - мессуры, регистрирующие
перемещение верхней части керна.

     
     Основным элементом установки является пустотелый разъемный цилиндрический керн, нижняя опорная часть которого отделена трещиной от верхней части, выполняющей роль прижимного штампа, уплотняющего заполнитель под действием усилия, передаваемого от нагрузочного устройства. Для более полного приближения условий испытаний к натурным желательно, чтобы керн был выполнен из материала, вмещающего заполнитель скальной породы (в других случаях - из цементно-песчаного камня, бетона и т.п.), получая таким путем естественную шероховатость стенок трещины.
     
     Испытываемый образец заполнителя 1 укладывают, по возможности без нарушения его структуры, в трещину 2, направленную поперек пустотелого керна 2 скальной породы, между нижней и верхней его частями. Затем образец уплотняют нажатием на него верхней подвижной части керна, воспринимающей необходимое усилие от нагрузочного устройства, например, пружины 3, сжимаемой с помощью фланца 4, перемещающегося по направляющим стойкам 5. Чтобы предотвратить возможное оплывание образца и выдавливание его из трещины под действием уплотняющей нагрузки, он внутри и снаружи защищен крупной сеткой 6, которая не должна являться препятствием для вымываемых фильтрационным потоком частиц заполнителя. После уплотнения через образец пропускают воду, подаваемую под напором во внутреннюю полость 7 керна. Постепенно увеличивая напор, наблюдают за расходом профильтровавшейся воды, количеством вымываемых частиц, попадающих в кольцевой водосборник 8, а также за перемещением верхней части керна, регистрируемым мессурами 9 (это перемещение, кстати, также может характеризовать увеличение деформативности трещиноватого скального массива в результате суффозии заполнителя). По изменению всех этих характеристик судят о состоянии образца и, доводя его до разрушения при разных нагрузках, устанавливают зависимость критического градиента напора от интенсивности сжатия заполнителя. Вместе с тем, используя данные о напоре и расходе просочившейся через заполнитель воды, можно определить его коэффициент фильтрации, выполнив для этого несложный расчет по формуле (52).
          

Методика изучения суффозионного перетекания пластичного глинистого грунта или мела
в трещинное пространство скального массива

     
     5.12. Данный вид суффозии характерен для мергелистомеловых грунтов и проявляется в виде очагов перетекания в трещинное пространство подстилающего сохранного массива, разуплотненного до текучепластичного состояния грунта, залегающего над этим массивом. Устройство, предназначенное для суффозионных испытаний образца грунта в этих условиях, схематически показанное на рис.43, включает цилиндрическую рабочую камеру с решетками и приспособлениями для создания и контроля стабилизированного фильтрационного потока в образце и дополнительно снабжено диафрагмой, имеющей щель регулируемого раскрытия, которая имитирует трещину в скальном массиве.  
     

Рис.43. Устройство для испытания грунта на суффозионную устойчивость

     
     
     Порядок испытаний грунта с помощью данного устройства заключается в следующем. Перед тем как поместить в рабочую камеру 1 испытываемый образец грунта 2, в диафрагме 3 закрывают щель 4, для чего перемещают с помощью штока 5 подвижную заслонку 6 и устанавливают нулевой отсчет на индикаторе ее перемещения 7. Затем укладывают на диафрагму грунт с заданной начальной влажностью, отсыпают над ним (для более равномерного распределения поступающей сверху в грунт воды) пригрузочный слой 8, укладывают решетку 9 и закрывают рабочую камеру с находящимся в ней грунтом крышкой 10. При необходимости грунт до испытаний на суффозионную устойчивость подвергают уплотнению расчетным давлением, создаваемым гидравлическим домкратом 11, фиксируя при этом с помощью индикатора 12 деформацию грунта (осадку решетки). И наконец производят водонасыщение грунта. После этой операции считают законченными формирование образца грунта и подготовку его к испытаниям, которые сводятся к тому, что при заданном градиенте напора (среднем по высоте образца или местном при входе в щель) фильтрующейся через образец воды постепенно увеличивают раскрытие щели до тех пор, пока не начнется суффозия грунта над щелью. Об интенсивности суффозии при этом судят по нарастанию веса частиц грунта, прошедших через щель и осевших затем в "песколовке" или чашке суффозиометра, присоединенного к патрубку конического отстойника устройства. Также можно испытывать грунт, постепенно увеличивая напор при фиксированном раскрытии щели. В любом случае в результате многократных испытаний получают общую зависимость разрушающего (критического) градиента напора от величины раскрытия щели и плотности грунта.
     
     

6. МЕТОДИКА ФИЛЬТРАЦИОННО-СУФФОЗИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ГРУНТОВ
 С КРИОГЕННОЙ СТРУКТУРОЙ

     
     6.1. Известно, что после оттаивания подвергавшихся замораживанию грунтов изменяются их геофильтрационные характеристики, в частности, водопроницаемость.
     
     Это обусловлено тем, что при длительном воздействии на грунт отрицательных температур он приобретает так называемую криогенную структуру, для которой характерны прослойки льда. В наибольшей мере криогенная структура проявляется в пылевато-глинистых и супесчаных грунтах.
     
     6.2. Для определения влияния промораживания грунта на его фильтрационно-суффозионные свойства предлагается использовать устройство (рис.44), состоящее из рабочей камеры 1 с находящейся в ней кассетой 2, куда уложен испытываемый образец 3.
     

Рис.44. Устройство для фильтрационно-суффозионных испытаний грунта с криогенной структурой

     
     
     Сверху рабочая камера закрыта плотно подогнанной массивной крышкой 4, положение которой фиксируется съемными упорами 5. Внутри крышки размещен поршень 6, предназначенный для имитации действующего на грунт давления, в связи с чем поршень имеет сечение прямоугольной формы, равное по площади горизонтальному сечению образца в кассете. В поршень вмонтированы криоэлементы 7, имеющие выводы наружу через пустотелый шток 8, на котором закреплен датчик-индикатор 9 перемещения поршня. Над поршнем (в той же полости, где он размещен) находится резиновый баллон 10, снабженный штуцером 11 для подачи в него сжатого газа или жидкости.
     
     Внизу на днище камеры 12 также размещены криоэлементы 13. К торцевым решеткам рабочей камеры присоединены водоподводящий колпак 14 и водосбросный резервуар 15 с пескосборником 16.
     
     Кассета схематически изображена на рис.45. Она сделана в виде открытого сверху прямоугольного параллелепипеда, две противоположные стенки которого, обращенные к торцевым решеткам рабочей камеры, являются шторками, находящимися в пазах. На боковых ее стенках имеются наружные пазы, предназначенные для размещения в них эластичных жгутов, перекрывающих зазор между кассетой и стенками рабочей камеры устройства.
     

Рис.45. Кассета для грунта, подвергаемого предварительному замораживанию

1 - выдвижные шторки; 2 - корпус кассеты; 3 - пазы для уплотнения; 4 - замороженный грунт;
5 - съемные боковины; 6 - вкладыш; 7 - ручка.

     
     
     Для предотвращения деформации кассеты во время уплотнения уложенного в нее грунта, боковые стенки соединяют достаточно прочными накладками, а в щель между ними и шторками помещают вкладыши. Для переноски кассеты с грунтом к ней привинчены ручки. После предварительного уплотнения грунта, вкладыши извлекают и снимают накладки.
     
     Перед тем, как приступить к самим испытаниям, образец грунта, помещенный в кассету подвергают замораживанию по заданной программе, пока в нем не сформируется характерная криогенная структура, после чего кассету вместе с находящимся в ней образцом помещают в рабочую камеру, на боковых стенках которой имеются специальные пазы. Напорный и низовой отсеки камеры заполняют специальными, подобранными по составу зернистыми материалами, например, материалом переходного слоя и обратного фильтра, защищающих глинистое ядро каменно-земляной плотины, и, наконец, вытаскивают шторки кассеты. Затем камеру закрывают крышкой, фиксируя ее положение упорами. Если не требуется после этого дополнительного охлаждения образца с помощью криоэлементов, расположенных в поршне и на днище камеры, то подготовку к испытаниям грунта можно считать законченной.
     
     Устройство во время испытаний работает следующим образом. В напорный отсек рабочей камеры поступает из подающей системы вода, в связи с чем происходит частичное или полное оттаивание предварительно замороженного грунта. При этом на грунт со стороны поршня передается давление, которое приводит к осадкам его поверхности. Перемещение поршня фиксируется по показаниям индикатора, закрепленного на штоке поршня.
     
     Поступающая в напорный отсек камеры вода фильтрует через образец испытуемого грунта, а затем вытекает в низовой отсек, заполненный материалом обратного фильтра, и оттуда - в водосбросный резервуар, в котором также оседают выносимые фильтрационным потоком частицы грунта, попадающие в пескосборник. По количеству выносимых частиц и, главным образом, по изменению расхода фильтрующей через грунт воды в зависимости от увеличения ее напора определяют суффозионную устойчивость грунта (разрушающие градиенты напора).
     
     

7. ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

     
Средства измерения расхода воды

     
     7.1. Для измерения в процессе экспериментов объемного расхода воды, превышающего 0,1 л/с, рекомендуется использовать выпускаемые отечественной промышленностью электромагнитные расходомеры типа ИР-51.
     
     Расходомер состоит из преобразователя расхода (ПРИ) и измерительного устройства (ИУ-51). Он имеет выход постоянного тока 0-5 ма, соответствующий мгновенному расходу воды, и обеспечивающий использование аналоговых приборов Государственной системы средств автоматизации, стандартных самопишущих миллиамперметров и потенциометров постоянного тока типа КС2, КС4 и др.
     
     Для определения суммарного объемного количества измеряемой жидкости расходомер может поставляться в комплекте с интегратором С-1М или С-1АМ.
     
     По устойчивости к воздействию температуры и влажности окружающего воздуха в соответствии с ГОСТ 12997-76 преобразователь относится к группе 2, а измерительное устройство к группе 3.
     
     Класс точности расходомера по токовому выходу 1,0.
     
     Питание расходомера осуществляется от сети переменного тока 50 Гц. Потребляемая мощность измерительного устройства не более 15 вольтампер, а потребляемая мощность самого преобразователя расхода - не более 500 вольтампер. Длина линии связи между преобразователем и измерительными устройствами не должна превышать 100 м.
     
     Расходомер в зависимости от используемого преобразователя может иметь пределы измерения, приведенные в табл.5.
     
     

Таблица 5

     
     Примечания: 1. Цифры в условном обозначении преобразователя расхода являются условным внутренним диаметром его трубы в мм. 2. Каждый расходомер может быть отградуирован на верхний предел измерения по выбору заказчика из представленных 10 возможностей для одного типоразмера преобразователя расхода. Нижний предел измерения всегда равен нулю.
     
     

Средства измерения давления воды

     
     7.2. К наиболее подходящим для лабораторных испытаний грунтов средствам измерения давления воды относятся тензорезисторные преобразователи типа "Сапфир", выпускаемые Московским заводом "Манометр". Они предназначены для работы в системах автоматического контроля, управления и регулирования технологических процессов и обеспечивают непрерывное преобразование давления (абсолютного, избыточного) или разрежения жидкостей в унифицированный электрический токовый сигнал 25 или 1-20 ма, который можно передавать на расстояние. Принцип действия преобразователей типа "Сапфир" основан на тензоэффекте в полупроводниках.
     
     Выпускаются преобразователи с верхним пределом измеряемого рабочего давления от 0,04 до 2,5 МПа. Также выпускаются преобразователи разности давлений 651ДД с теми же верхними пределами. Их погрешности не превосходят 1%.
     
     Могут использоваться и другие преобразователи, например, индуктивные датчики давления ДД-10, которые, однако, имеют меньшую чувствительность.
     
     

Регуляторы расхода воды

     
     7.3. Дистанционно управляемые регуляторы расхода воды с пределами изменения расхода от миллиметров до нескольких метров в секунду при напорах от первых сантиметров до метров нашей промышленностью не изготовляются.
     
     Близкие по параметрам расходомеры, снабженные цифровыми программирующими индикаторами с микропроцессорным управлением поставляются через финско-советскую торговую палату (представительство в г.Ленинграде, 198005, 4-я Красноармейская ул., 4А) финской фирмой "Кютеля". Наиболее подходящими являются расходомеры с овальными шестернями моделей 2950 и 2951, с помощью которых можно измерять и регулировать расходы от 0,1 до 100 л/мин.
     
     

Пример реализации полностью автоматизированного комплекса
для фильтрационных испытаний грунтов

     
     7.4. В лаборатории фильтрационных исследований ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева в 1988 г. была создана и задействована (реализована) полностью автоматизированная (рис.46) система управления экспериментом по определению фильтрационно-суффозионных свойств грунтов (водопроницаемости и суффозионной устойчивости грунта).
     
     

Рис.46. Блок-схема автоматизированной установки

     
     
     Главной целью проведения таких экспериментов являлось выяснение критических скоростей и градиентов напора фильтрационного потока, которые затем использовались в качестве характеристики местной фильтрационной прочности основания или самого гидротехнического сооружения.
     
     Конкретно, проверка работоспособности системы осуществлялась на базе лабораторной установки БОРА-2, предназначенной для испытания образцов грунта в условиях контактного размыва грунта фильтрационным потоком в трещинном коллекторе. С помощью данной установки воспроизводятся близкие к натурным условиям воздействия на грунт потока воды в полой "оперяющей" трещине с изменяемым в процессе испытаний ее раскрытием.
     
     Параметры потока задавались по заранее составленной программе, которая вводилась в управляющую процессами микроЭВМ "Искра 1256". Само же изменение расхода воды осуществлялось при помощи дистанционно управляемого электромеханического устройства - регулятора давления, разработанного и изготовленного в Лаборатории, поскольку такие устройства промышленностью вообще не производятся.
     
     При испытании грунта контролировались расход и напор протекающей в трещине воды, а также - интенсивность размыва (суффозии) грунта. Для этого использовался индуктивный расходомер типа "ИР", датчики давления "Сапфир 22" и изготовленный в Лаборатории суффозиометр (индуктивный преобразователь).
     
     Параметры потока изменялись ступенями в соответствии с программой экспериментов (рис.47) и выдерживались на каждой ступени до полной стабилизации (затухания процесса размыва). Момент выхода на стационарный режим также определялся программой.
     
     

Рис.47. Блок-схема программ (1), (2)

     
     
     Сигналы, управляющие параметрами потока, передавались от ЭВМ через интенфейсное устройство БИФ ЦАП "015-10" и усилитель постоянного тока на электромеханический регулятор расхода (рис.48). БИФ АЦП "015-11" вводит в ЭВМ преобразованные сигналы, поступающие с датчиков, - в режиме адресного опроса. Затем вся информация вводится на экран дисплея и печатающее устройство.
     

Рис.48. Электромеханический регулятор расхода воды с дистанционным управлением

     
     
     Взаимодействие оператора с ЭВМ осуществлялось в диалоговом режиме и оператор определял по коэффициентам варианты показаний, возможность перехода от неустановившегося к установившемуся режиму, задавать ли максимальный расход и т.д.
     
     Программа для созданного автоматизированного комплекса (400 операторов) состоит из основной программы, определяющей последовательность (общий ход) эксперимента и ряда подпрограмм для измерений в неустановившемся и установившемся режимах параметров потока и суффозии грунта, а также - установления связи с АЦП и ЦАП, управления электромеханическим регулятором (рис.49).
     

Рис.49. Блок-схема программы (3)

     
     
     Одна из подпрограмм осуществляет отсеивание сигналов высоких частот (так называемый фильтр высоких частот).
     
     Практическая проверка работоспособности комплекса показала высокую его эффективность и надежность, что открывает широкие перспективы для автоматизации большинства выполняемых в лаборатории экспериментов. Данный комплекс показан на фотографии (рис.50).
     
     

Рис.50. Автоматизированный комплекс для фильтрационных испытаний грунтов в лабораторных условиях

     
     
Исходные данные для проведения работ по автоматизации
лабораторных установок при фильтрационных испытаниях грунтов

     
     1. Контролируемые характеристики изучаемого процесса и диапазоны изменения этих характеристик.
     

     
     3. Продолжительность и дискретность измерений характеристик от нескольких мин до 5 сут.
     
     Допускается режим, при котором измерения проводятся периодически, в течение 1-2 ч с таким же или большими паузами.
     
     4. Вид получаемой информации - табличная или графическая регистрация контролируемых характеристик с привязкой их к началу испытаний (по времени).
     
     5. Величина напора в системе водоснабжения:
     

     

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

     
     1. Hasen Allen. Experiments upon the purification of sewage and water at the Lawrence Experiments Station, Nov.1, 1889 to Dec.31, 1891 // Massachusetts State Board of Health, Twenty Third Annual Report, 1892, p.431.
     
     2. Зауербрей И.И. К вопросу о коэффициенте фильтрации грунтов и методике его исследования // Известия НИИГ, 1932. - Т.2.
     
     3. Рекомендации по методике лабораторных испытаний грунтов на водопроницаемость и суффозионную устойчивость. П 12-83 / ВНИИГ. - Л.: 1983.
     
     4. Мелентьев В.А. Песчаные и гравелистые грунты намывных плотин. - Л.: Госэнергоиздат, 1960.
     
     5. Кондратьев В.Н. Фильтрация и механическая суффозия в несвязных грунтах. - Симферополь: Крымиздат, 1958.
     
     6. Darcy H. Les fontaines publiques de le Dijon, Paris, 1856. (Водоснабжение города Дижона).
     
     7. Жиленков В.Н. О суффозионных критериях оценки пригодности крупнозернистого материала, защищающего от размыва песчаное русло водотока // Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева: Сборник научных трудов, 1987. - Т.200. - С.11-20.
     
     8. Жиленков В.Н. Водопроницаемость экранирующих покрытий из глинистого грунта // Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева: Сборник научных трудов, 1976. - Т.115. - С.101-109.
     
     9. Жиленков В.Н., Шевченко Н.И. Определение гидравлических параметров шероховатости стенок трещин в скальном массиве // Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева: Сборник научных трудов, 1984. - Т.172. - С.90-95.
     
     10. Жиленков В.Н. О закономерностях фильтрации воды по трещинам в бетонных конструкциях // Труды коорд. совещ. по гидротехнике / ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, 1971. - Вып. 68. - С.195-204.
     
     11. Жиленков В.Н. Гидравлические сопротивления движению воды в трещинной и зернистой средах // Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева: Сборник научных трудов, 1983. - Т.168. - С.59-66.
     
     
     
Электронный текст документа