Фильтрационное разрушение грунтов

К фильтрационному разрушению грунтов относят: выпор происходящий под действием восходящего фильтрационного потока, а также механическую суффозию.

Механизм развития процесса фильтрационного разрушения грунтов в песчаных отложениях отличается от глинистых (связных).

Выпором обычно называют такое разрушение грунта, при котором приходит в движение некоторый его объем со всеми слагающими его фракциями. При выпоре, как правило, часть грунта, отделяется от массива и разрыхляется.

Формула для оценки возможности выпора грунта в фильтрационном потоке, предложенная Терцапе, имеет вид

J_разр=(γ-1) ^. (1-n), (1)

где J_разр – предельный напорный градиент потока;

γ – удельный вес грунта, т/м^3;

n – пористость, д.е.

Реально, величина J_разр находится в диапазоне от 0,83 до 1,16, в среднем J_разр~1. С учетом коэффициента запаса k⁰=2,5÷3,0, допустимым градиентом следует считать J_доп = 0,3 – 0,4.

Прорыв связного грунта, в дне котлована при его разработке возможен, если взвешивающее гидростатическое давление на основание слоя связного грунта превысит вес столба этого слоя

γ₀ ^. H>γ ^. m₀, (2)

где γ₀ – удельный вес воды, т/м³;

Н – гидростатический напор, м;

m₀ – остаточная мощность слоя связного грунта, в основании котлована, м.

Суффозией обычно называют явление выноса фильтрационным потоком из толщи грунта наиболее мелких частиц. Крупные частица, слагающие грунт, в процессе его разрушения остаются в массиве грунта на своих прежних местах. При этом пористость грунта увеличивается по сравнению с первоначальным состоянием, увеличиваются размер пор грунта, из которых произошел вынос частиц. Суффозионные явления возникают в разнозернистых грунтах (преимущественно песчано-гравийных).

В ходе исследований суффозии в НИИ “Водгео” для весьма неоднородных грунтов с коэффициентом неоднородности η>20 принята схема разделения грунта на “скелет” и “заполнитель”. Такая схема допускает изменение количества фракций “заполнителя” без увеличения заданного объема грунта. Таким образом, допускается, что не все поры “скелета” грунта заполнены мелкими фракциями, то есть отсутствует “плотная упаковка” частиц. Авторы допускают, что к “заполнителю” следует относить частицы с d≤1 мм. Поэтому, критерием плотного сложения (заполнителя пор “скелетом” целиком) следует считать

G = γ_з ^. n_ск , (3)

где G – весовое содержание всех фракций с d≤1 мм;

γ_з – удельный вес этих фракций, т/м³;

n_ск – пористость “скелета”.

При G < γ_з·n_ск заполнение пор будет не полным и опасность возникновения суффозии возрастает.

Для разнозернистых грунтов с η>20 характерно более плотное строение, что обуславливает, как правило, уменьшение пористости n до 0,26-0,27 и повышение объемного веса сухого грунта γ_n до 1,85-1,96 г/см³.

При η<10 минимальные размеры пор грунта d⁰_min – оказываются меньше расчетного диаметра частиц d_расч. Здесь образуются скопления частиц размером d⁰_min<d<d_расч в виде пробки. При этом, может произойти выпор грунта, но не суффозия. При 10<η<20 может быть как выпор, так и суффозия.

При грунте основании, не имеющем прослоек и включений другого грунта, разрушение его фильтрационным потоком представляет опасность главным образом при выходе потока в дренаж. В связи с этим, при проектировании подземного контура сооружений первоочередным является определение вида возможного разрушения грунта около выходного фрагмента подземного контура сооружения.

Приближенно можно принять, что в грунтах с η<10, а так же с k<15-20 м/сут, основным видом фильтрационных деформаций является выпор, а в грунтах с η>10÷20 – суффозия.

Исследованиями выполненными в НИИ “Водгео” показано, что допустимым градиентом фильтрационного потока для 10 <η<20 следует принимать J_доп=0,2-0,25, а для η>20 принимать J_доп=0,1-0,15, то есть, процесс суффозии в неоднородных грунтах начинается при градиентах недостаточных для начала выпора грунта.

В ходе исследования установлено, что для менее проницаемых грунтов с коэффициентом фильтрации k <0,07 см/сек процесс суффозии затруднен вследствие сопротивления грунтов разрушению.