Руководство по геотехническому контролю за подготовкой оснований и возведением грунтовых сооружений в энергетическом строительстве (стр. 49 )

Влажность грунта определяется расчетом по формуле:

W = (W0 / r) · 100 %, (124)

где W - влажность контролируемого грунта, %; W0 - объемная влажность того же контролируемого грунта, определенная нейтронным влагомером, т/м3; r - плотность того же контролируемого грунта, определяемая радиоизотопным методом (п.8.4).

В приложении 3 дано подробное описание современных приборов, а также методики определения плотности и влажности грунта радиоизотопным методом (материалы Гидропроекта имени ).

8.6. Определение коэффициента фильтрации грунтов

8.6.1. Общие положения

8.6.1.1. При проведении геотехнического контроля на строительстве земляных гидротехнических сооружений необходимо определять коэффициент фильтрации уложенных грунтов. Рекомендуются следующие пять методов определения коэффициента фильтрации:

1. Метод опытных откачек из скважин;

2. Метод налива воды в шурфы;

3. Метод опытных нагнетаний;

4. Метод индикаторов;

5. Метод напорной фильтрации.

8.6.1.2. Определение коэффициента фильтрации методами опытных откачек и нагнетаний должно проводиться специализированными организациями, имеющими соответствующее специальное оборудование и опыт работы.

8.6.2. Метод опытных откачек

8.6.2.1. Методом опытных откачек следует определять коэффициент фильтрации несвязных грунтов и связных грунтов моренного происхождения при значениях K ³1·10-3 см/с. Опытные откачки подразделяются на:

а) одиночные откачки без наблюдательных скважин;

б) кустовые откачки.

8.6.2.2. В состав куста (рис. 47) входят: центральная скважина, из которой производится откачка; наблюдательные скважины, по которым устанавливается распределение напоров при откачке. Кустовые откачки позволяют определять коэффициент фильтрации с большей точностью, чем одиночные. Этот метод применяется: для водонасыщенных несуффозионных грунтов основания; в грунтовых плотинах, находящихся под напором (при наличии установившегося режима фильтрации).

Рис. 47. Расчетная схема определения коэффициента фильтрации в полевых условиях методом откачки

8.6.2.3. Откачка воды производится из скважин различного диаметра. В скважину опускается труба, имеющая перфорацию в нижней ее части. Перфорация защищается латунной или капроновой сеткой. Пространство между сеткой и перфорированной частью трубы заполняется песком или гравием. Крупность заполнителя должна подбираться по принципу обратного фильтра (т. е. в зависимости от гранулометрического состава исследуемого грунта). После выполнения указанных работ обсадную трубу приподнимают таким образом, чтобы нижняя кромка ее совпадала с верхом перфорированной части трубы, а перфорированную трубу присоединяют к всасывающей трубе насоса.

На рис. 47 приведена расчетная схема определения коэффициента фильтрации грунта методом откачек.

Расстояние между центральной и наблюдательной скважинами должно быть не менее 5d90 (d90 - диаметр частиц, соответствующий 90% обеспеченности по кривой гранулометрического состава).

8.6.2.4. Основным при опытных откачках является установление линейной зависимости понижения воды s в скважине от расхода q и от времени t (рис. 48, а). Кроме того, при опытных откачках устанавливается линейная зависимость q = f (s) (линия а-а на рис. 48, б). Откачка должна вестись до тех пор, пока при заданном понижении воды s1, s2, s3 не будет достигнут установившийся фильтрационный режим. Если зависимость расхода q от понижения s в центральной скважине выражается кривой а-b (рис. 48, б), обращенной выпуклостью вверх, это указывает на то, что вследствие суффозии частиц исследуемого грунта (как в области контакта, так и в самом грунте) происходит кольматаж фильтра. Если q = f (s) выражается кривой а-d (рис. 48, б), обращенной выпуклостью вниз, то это указывает на то, что в исследуемом грунте (в его массиве) происходит механическая суффозия с выносом частиц в скважину.

Рис. 48. Зависимость расхода воды q от понижения ее уровня в основании S и времени откачки t (а) и в скважине (б)

8.6.3. Методы налива воды в шурфы

8.6.3.1. Методы налива воды в шурфы используются для определения коэффициента фильтрации неводонасыщенных сыпучих или связных грунтов основания и тела грунтового сооружения, например, плотины в строительный период. Наиболее распространенными методами налива воды в шурфы являются: 1. Метод Болдырева. 2. Метод Нестерова. 3. Метод Семенова.

8.6.3.2. Метод Болдырева применим для грунтов с K ³ 1·10-3 см/с. Схема установки для определения коэффициента фильтрации в полевых условиях методом Болдырева приведена на рис. 49. В исследуемом грунте устраивается шурф. Дно шурфа должно находиться выше уровня грунтовых вод. Расстояние h от дна шурфа до уровня грунтовых вод должно быть

1,0 м £ h ³ 5 · d90. (125)

Рис. 49. Схема установки для определения коэффициента фильтрации в полевых условиях методом Болдырева

1 - мерные баки с водой; 2 - регулировочный вентиль; 3 - трубка для подачи воды;

4 - рейка; 5 - водонепроницаемая опалубка; 6 - гравий d = 3¸5 мм.

Шурф может иметь в плане форму квадрата или круга, линейные размеры которых должны быть:

1,0 м £ Dк ³ 5d90, (126)

1,0 м £ aк ³ 5d90, (127)

где Dкр - диаметр круга; ак - сторона квадрата; d90 - диаметр частиц 90%-обеспеченности в исследуемом грунте.

Дно шурфа должно быть горизонтальным и при определении коэффициента фильтрации глинистых грунтов покрыто слоем гравия толщиной 3-5 см. Диаметр частиц гравия должен быть равным 3-5 мм. В шурф наливается вода. Глубина воды z в шурфе должна быть не более 10-15 см. Стенки нижней части шурфа на всю высоту столба воды с помощью специальной опалубки делаются водонепроницаемыми. Уровень воды в шурфе поддерживается все время постоянным. Контроль за уровнем ведется: по рейке (рис. 49), с помощью поплавка или электрическим методом. Фильтрационный расход измеряется с помощью бака, имеющего регулировочный вентиль.

8.6.3.3. Коэффициент фильтрации определяется исходя из условия, что I = 1, тогда K = v. В основу этого положения положена предпосылка, что до тех пор, пока инфильтрационные воды, поступающие из шурфа, не достигли уровня грунтовых вод, гидравлический градиент I ³ 1.

По закону Дарси для случая вертикальной фильтрации имеем:

K = v / I = (v · h) / (z + h), см/с, (128)

где h - длина фильтрующей колонки; z - высота столба воды над фильтрующей колонкой.

Коэффициент фильтрации по Болдыреву определяется по формуле:

K = q / (w · t), см/с, (129)

где K - коэффициент фильтрации; t - продолжительность опыта, с; q - расход воды, см3/с; w - площадь дна шурфа, см2.

8.6.3.4. Метод Нестерова применяется для определения коэффициента фильтрации различных грунтов. Этот метод приобретает важное значение в том случае, когда необходимо определить коэффициент фильтрации связных грунтов (другие методы в этом случае мало пригодны). Схема опыта и движение воды в грунте при определении коэффициента фильтрации методом Нестерова показаны на рис. 50.

Рис. 50. Схема опыта и движения воды при определении коэффициента фильтрации грунта в полевых условиях методом Нестерова

1 - внутреннее кольцо; 2 - наружное кольцо.

8.6.3.5. В исследуемом грунте вырывается шурф глубиной 50 см. В дно шурфа на глубину 3-5 см вдавливаются концентрично два цилиндра. Диаметр внешнего цилиндра D2 должен быть не менее, чем в три раза больше диаметра внутреннего цилиндра D1, т. е. диаметры цилиндров должны быть:

20 см £ D1 ³ 5d90; (130)

60 см £ D2 ³ 15d90; (131)

где d90 - диаметр частиц 90%-обеспеченности в исследуемом грунте.

Высота цилиндров должна быть равна 15-20 см. Размеры шурфа определяются размерами внешнего цилиндра (D1) с учетом необходимой площади, обеспечивающей подход к цилиндрам и подачу воды в них.

8.6.3.6. После установки цилиндров при определении коэффициента фильтрации глинистых грунтов вся площадь шурфа, в том числе и внутри цилиндров, покрывается слоем гравия толщиной 3-5 см. Крупность частиц гравия должна быть 3-5 мм.

8.6.3.7. В цилиндры наливается вода. Во внутренний цилиндр вода подается из мерного бака, а во внешний - из любой емкости. Нельзя допускать, чтобы вода из внутреннего цилиндра, переливаясь через кромку, попадала во внешний цилиндр.

В течение всего опыта уровень воды во внешнем и внутреннем цилиндрах должен поддерживаться постоянным.

8.6.3.8. В основу данного метода определения коэффициента фильтрации положено то обстоятельство, что вода из внешнего цилиндра должна двигаться вниз и в стороны, а из внутреннего цилиндра - только вниз (рис. 50).

Ввиду того, что вода из внутреннего цилиндра движется вертикально вниз, в пределах дна внутреннего цилиндра линии инфильтрационных токов взаимно параллельны. Таким образом, площадь поперечного сечения потока равна площади wL дна внутреннего цилиндра.

Измеряя количество воды (q см3/с), просочившейся в единицу времени через внутренний цилиндр, и деля этот расход на площадь wL дна цилиндра, определяют скорость фильтрации. При установившемся расходе в случае, когда градиент напора I = 1, эту скорость принимают равной коэффициенту фильтрации.

Подача воды в цилиндры должна производиться автоматически, обеспечивая постоянную отметку горизонта воды в обоих цилиндрах.

Расстояние между центрами опытных шурфов должно быть не менее 3-5 м.