Определение коэффициента фильтрации грунтов опытными

Определение коэффициента фильтрации грунтов опытными
наливами в шурфы.
Для определения коэффициента фильтрации неводонасыщенных
грунтов, т.е. грунтов, залегающих в зоне аэрации, используется метод
налива воды в шурф.
Сущность метода заключается в создании вертикального
фильтрационного потока, просачивающегося через сухой грунт вниз от дна
шурфа, измерении площади сечения потока, расхода и гидравлического
уклона, т.е. всех параметров закона Дарси кроме Кф.
Условия движения воды в зоне аэрации существенно отличаются от
условий ее движения в водонасыщенных грунтах. Вода, поступающая в
шурф, впитывается в сухой грунт и движется в нем не только под
действием сил тяжести, направленных вниз, но и капиллярных сил,
которые могут действовать во всех направлениях. Благодаря действию
этих сил вода, просачиваясь из шурфа в сухой грунт, растекается, образуя
увлажненную зону (фигура увлажнения), форма которой изменяется во
времени, вытягиваясь вниз. По мере увеличения глубины промачивания
темп изменения фигуры увлажнения
замедляется, и расход воды на
инфильтрацию
из
шурфа
стабилизируется, однако даже при
постоянном расходе линии токов
инфильтрационного
потока
не
параллельны между собой, т.е.
площадь горизонтального сечения
потока, а значит и его скорость
меняются с глубиной. Влияние
растекания
ограничивают
1
специальной
схемой
опытных
установок
или
учитывают
в
2
расчетных
формулах.
Таким
образом, существующие методы
позволяют установить величину
3
коэффициента фильтрации только
приближенно, но с точностью,
а
б
вполне
приемлемой
для
а  различные интервалы времени
практических целей.
При инженерных изысканиях
1  t1 ; 2  t 2 ; 3  t3 t1  t 2  t3 
используются
методы
наливов,
б  линии тока воды при ее
работающих
по
методу,
инфильтрации из шурфа
разработанному
Болдыревым,
Гиринским,
Нестеровым,
Биндеманом,
Веригиным.
Все
они
предназначены для случая инфильтрации воды из шурфа в однородную
толщу, не содержащую гравитационную и капиллярную влагу, при
глубине залегания уровня подземных вод свыше 5 м от дна шурфа. Опыты
ведут при постоянной высоте столба воды в зумфе шурфа Н=10 см,
который обеспечивается специальными регуляторами до достижения
установившегося расхода (принимается расход, не отличающийся от
среднего за период 2 последних часовых наблюдений более чем на 10%)
На практике студенты подробно знакомятся с методом Н.С.
Нестерова, этот метод несколько сложнее, но совершеннее других. Он
основан на предположении, что благодаря конструкции прибора,
состоящего из двух концентрически вдавливаемых в грунт цилиндров, на
растекание расходуется вода, поступающая в грунт из кольцевого зазора, а
вода внутреннего цилиндра просачивается вертикально вниз, т.е. площадь
фильтрационного потока равно площади внутреннего цилиндра. На
основании этого допущения замеряют и регистрируют в журнале опыта
расход только из внутреннего цилиндра.
Значение коэффициента фильтрации определяется по формуле:
Кф 
Q уст
J
где Qуст – установившийся расход во внутреннем цилиндре, м3/сут, см3/мин;
ω – площадь поперечного сечения внутреннего цилиндра, м2;
J – гидравлический уклон (принимаем J=1).
Опытно-фильтрационные работы
- откачки из скважин;
- нагнетание и наливы в скважины и шурфы;
- опыты по расходометрии.
Эти работы проводят для определения водопроницаемости горных
пород, установления взаимосвязи водоносных горизонтов и определения
других гидрогеологических параметров. Результаты опытно-фильтрационных работ также характеризуют трещиноватость и закарстованность
горных пород. Данные полевых опытов используются для расчета потерь
на фильтрацию, прогнозирования изменения уровня подземных вод на
участке сооружения, приток воды в строительный котлован и
водозаборные скважины. На основании этих расчетов проектируют
противофильтрационные и дренажные мероприятия на участках
гидротехнического сооружения и защищаемых территорий. Материалы
опытно-фильтрационных работ состоят из полевых журналов, графиков и
сводных листов обработки этих данных.
Опытные откачки служат для определения водопроницаемости
горных пород, определения коэффициента фильтрации. Откачки могут
быть одиночные (1-3 суток) и кустовые (3-10 суток).
Опытные нагнетания и наливы воды в скважины проводят для
нахождения
относительной
водопроницаемости
обводненных
и
необводненных скальных пород, которые выражаются удельным
водопоглощением. Работы нужны для выявления общих закономерностей,
пространственного изменения водопроницаемости изучаемого скального
массива, определения расчетных показателей водопроницаемости каждой
зоны, обоснование объемов противофильтрационных мероприятий. Для
перехода от удельного водопоглащения до коэффициента фильтрации в
пределах каждой обводненной зоны для нескольких интервалов
выполняется последовательное нагнетание и откачки, строят графики их
связи. Опытными нагнетаниями и наливами опробуют почти всю толщу
скальной породы, вскрываемой из скважины. Интервалы опробования как
правило должны составлять 5м и только в отдельных случаях более.
Опытные наливы в шурфы применяют для определения
коэффициента фильтрации необводненных рыхлых пород зоны аэрации.
Опыты проводятся в зумфе круглого сечения d = 0.25 – 0.5м и глубиной
0.2м, вырытого в дне шурфа. Продолжительность 1-3 смены.
Режимные наблюдения. Обычно при изысканиях делаются
стационарные наблюдения d = 85мм. Наблюдение производится за
режимом подземных вод, изменением во времени уровня подземных вод,
дебит, хим. состава, температуры. Для выявления взаимосвязи между
отдельными водоносными горизонтами также проводятся наблюдения.
Связи между подземными и поверхностными водами, нахождение области
питания и очагов разгрузки подземных вод, водопроницаемости горных
пород и прогнозирования подтопления.
ИСПЫТАНИЕ ГРУНТОВ СТАТИЧЕСКИМИ
НАГРУЗКАМИ НА ШТАМП
Схема установок
4a
4
7
6
7
6
5
3
3
Н
1 - Стенки шурфа
2 - Штамп
3 - Анкерные сваи
4 - Упорная ферма
4а - Балка
5 - Домкрат
6 - Монометр
7 - Прогибометр
8 - Обсадная труба
1
3
5
8
Рн=Н
Н - глубина установки штампа
 - плотность грунта
Рн - природное давление
скальные
t
S=f(t)
P
Sост
S=f(P)
пески
глины
илы
Sупр
S
S
Развитие осадок по ступеням нагружения штампа
t
S
P1 P2 P3
S
P
Определение модуля общей деформации грунтов статическими
нагрузками на штамп.
Все грунты в той или иной степени деформируются – сжимаются за
счет уплотнения под действием приложенной к ним статической нагрузки.
Деформация грунтов слагается из упругой нагрузки, восстанавливающейся
после снятия, и остаточной. Последняя преобладает в обломочных,
песчаных, глинистых и сильно трещиноватых скальных грунтах.
Количественной характеристикой упругой и остаточной деформации, т.е.
сжимаемости, является модуль общей деформации Е0, используемый
проектировщиками для расчета осадок сооружений. Модулем деформации
называется коэффициент пропорциональности между приращениями
нагрузки и осадки.
Модуль общей деформации в полевых условиях чаще всего
определяется по результатам испытания грунтов с помощью штампа в
шурфах, скважинах, строительный котлованах. Для испытаний в
котлованах и горных выработках применяются стандартные диски
площадью 2500, 5000 и 10000 см2, в скважинах – площадью 600 см2. На
штамп передается нагрузка, на грунт – давление P и измеряется осадка
грунта ΔS. При этом объем сжимаемого грунта значителен и по глу4бине
составляет около двух километров штампа, что по сравнению с другими
методами наилучшим образом моделирует деформируемость грунтов в
основании сооружений или в теле земляных сооружений (плотин, дамб,
насыпей). Испытания грунтов штампом
трудоемки, длительны и
дорогостоящи, но возможность использования при проектировании
сооружений наиболее достоверного прямого расчетного показателя
грунтов E0 определяет достаточно широкое применение этого вида
опытных работ в инженерно – геологических изысканиях.
Статистические нагрузки на штампы перелаются ступенями до
стабилизации осадки штампа при каждой ступени. Для создания давления
на штамп существуют различные установки. В данном задании
используется свайный гидравлический штамп конструкции ПНИИИСа.
Установка состоит из жесткого стального штампа площадью 5000
см, упорной фермы, четырех анкерных свай, гидравлического домкрата
мощностью 50 т и насосной станции с манометром для создания давления
на штамп, двух прогибометров (индикаторов) для регистрации осадок
штампа в мм.
Методы и технические средства опытно – полевых работ
В состав инженерно – геологических изысканий как обязательный
элемент исследования входят исследования грунтов в поле, т.е.
непосредственно на месте их залегания.
Изучение грунтов в натурных условиях преследует главную цель –
оценку их физико-механических свойств в условиях естественного
залегания с присущими конкретному массиву грунтов неоднородностью
состава и свойств грунтов, с естественным напряжением, влажностным и
температурным режимом.
Исследования включают разнообразные виды разведки и испытаний
грунтов полевыми методами: геофизичекими, радиоизотропными,
зондировочными, статистическими нагружениями, сдвигами целиков,
испытанием инвентарных свай и т.д.
В практике инженерно-геологических изысканий полевые методы
применяются, как правило, в комплексе с лабораторными исследованиями
грунтов. Выбор каждого метода и их рационального комплекса
определяется решаемой задачей, стадией проектно-изыскательских работ,
сложностью инженерно-геологических условий и степенью изученности
исследуемого района.
Приведем общую схему исследований грунтов комплексом полевых
методов. После предварительного изучения геологических условий района
по
фондовым
и
литературным
данным,
а
также
после
рекогносцировочного обследования изучаемого района выполняется
ограниченный объем бурения для уточнения геологического строения
рассматриваемого участка. Затем выполняется комплекс полевых работ по
геофизической разведке с целью установления мощности рыхлых
четвертичных отложений, отбивки кровли плотных, прочных пород и
уточнения положения уровня подземных вод. После этого проводятся
испытания грунтов динамическим или статическим зондированием для
выделения границ пород с разной плотностью – прочностью, т.е. для
инженерно-геологического расчленения в увязке с литологическим
составом.
В основании этих исследований выделяются однородные слои и
линзы и намечаются места для более подробных исследований грунтов
штампами, сдвигами целиков и другими более трудоемкими
и
дорогостоящими методами. Иногда эти методы заменяются более
дешевыми экспресс – методами типа зондирования и лопастного сдвига.
Указанные выше методы используются в следующих наиболее
распространенных модификациях:
- геофизические – сейсмо- и электроразведка;
- зондировочные – динамическое, статистическое и вибрационное
зондирование;
- радиоизотопные – гамма – гамма и нейтронный каротаж;
Методы и средства буровых работ
Бурение скважин производят буровым наконечником, который,
соединяясь с бурильными трубами, создает буровой снаряд. Удары или
вращение этого снаряда и передачу на него давления осуществляют
буровыми станками, приводимыми в действие различными двигателями.
При
инженерно-геологических
исследованиях
применяют
следующие виды бурения скважин: ручное ударно-вращательное,
вращательно-колонковое, вибрационное.
Ручное ударно-вращательное бурение из-за низкой производитель –
ности и высокой трудоемкости применяется в крайне ограниченном
объеме. Ручным способом бурят скважины в рыхлых грунтах на глубину
до 10 – 15 м.
Вращательно-колонковое бурение позволяет бурить скважины почти
во всех разновидностях пород, включая и скальные, глубиной до 100 м и
более. Буровой снаряд состоит из пустотелой колонковой трубы длиной
0.5 – 4.5 м с коронкой и колонной бурильных штанг. При вращении
бурового снаряда коронка колонковой трубы с зачеканенными в ней
зубьями из твердых сплавов прорезает кольцевой канал в породе, т.е.
выбуривает столбик породы – керн. После заполнения колонковой трубы
керном буровой снаряд отрывают от забоя и поднимают на поверхность.
Затем отвинчивают коронку и извлекают керн из колонковой трубы.
Вибробурение – один из наиболее производительных способов
бурения, при котором буровой снаряд погружается в породу благодаря
вибрационным колебаниям. При помощи вибратора глинистые и песчаные
обводненные породы проходят на глубину до 15 – 20 м. Следует помнить,
что под влиянием вибрации глинистые грунты изменяют свою структуру и
уплотняются.
При гидрогеологических исследованиях применяют следующие
виды бурения: роторный способ и ударно-канатное бурение.
Роторный способ – это вращательное бурение сплошным забоем, с
промывкой или продувкой воздухом, с вращателем на поверхности.
Роторное бурение используется для бурения скважин любой глубины на
водоносные горизонты, ранее хорошо изученные. Недостаток:
невозможность качественной геологической документации.
Ударно-канатное бурение рекомендуется в районах с недостаточной
гидрогеологической изученностью, т.к. позволяет вести тщательное
геологическое и гидрогеологическое описание. Глубина бурения в
нескальных породах – до 100 – 150 м, в скальных – на большую глубину.
Проходка ведется за счет сбрасывания на забой утяжеленного бурового
снаряда, подвешенного на канате, и последующего его подъема на
поверхность вместе с породой.
Изучение установки динамического зондирования УБП – 15М и
предварительная оценка физико-механических свойств
песчаных грунтов.
Динамическое
зондирование
является
полевым
методом
непрерывного изучения свойств грунтов вдоль вертикальной оси
зондировочной скважины. Метод заключается в определении
сопротивления грунтов внедрению зонда, состоящего из конического
наконечника и штанги под действием динамической нагрузки. Разница в
сопротивлении грунтов объясняется отличием состава, состояния и
свойств. Метод применим для глинистых, песчано-глинистых, песчаных и
песчано-гравийных отложений.
Методом динамического зондирования решаются следующие задачи:
- расчленение разреза песчано-глинистых грунтов на слои и линзы;
- ориентировочная оценка физико-механических свойств грунтов
(для промышленно-гражданских сооружений III-IV класса
капитальности физико-механические характеристики могут являтся
расчетными, для сооружений I, II класса получаемые показатели
уточняются лабораторными, полевыми опытными работами);
- выбор мест расположения опытных площадок и отбора образцов
грунтов для уточнения их физико-механических свойств путем
лабораторных исследований, штамповых и др, опытов в поле.
Сопротивление, оказываемое грунтом внедрению в него зонда,
называется условным динамическим сопротивлением зондированию.
Количественно оно оценивается условным динамическим сопротивлением
грунтов Рд (МПа) в соответствии с ГОСТ 19912-81 и определяется по
формуле
Рд 
где
К . А.Ф.n
h
К - коэффициент, учитывающий потери энергии при ударе;
А - показатель удельной кинетической энергии, Н/см (кгс/см)
Ф - коэффициент для учета потерь энергии на трение штанг о грунт.
n - число ударов в серии;
h - глубина погружения зонда за один залог, см
Метод динамического зондирования широко используется при
проведении инженерно-геологических изысканий под жилищное и
промышленное строительство, строительство дорог, возведение ЛЭП, газои нефтепроводов и т.д. Из-за простоты конструкции зондировочных
установок, их небольшой массы, удобства в обслуживании (бригада из
двух человек) этот метод широко применяется как в России, так и за
рубежом.
Динамическое зондирование значительно сокращает стоимость
изысканий и срок проведения полевых работ, т.к. зондировочные
испытания выполняются быстрее и стоимость их значительно ниже
буровых и горнопроходческих работ, лабораторных исследований и
других опытных испытаний грунтов.
Изучение плотности песчаных грунтов методом динамического
зондирования с помощью ручного зонда
Ручной зонд отличается от зонда УБП преимущественно размерами.
Конус ЛЗЗ геометрически подобен конусу большой установки. Сохранено
и отношение диаметра зонда и штанги; диаметр зонда 18 мм, штанги – 10
мм. Длина штанги в зависимости от модификации зонда ЛЗЗ-1, ЛЗЗ-2,
ЛЗЗ-3 – от 0.7 до 1 м. Груз массой 2.5 кг, высота сбрасывания груза 20 см.
Это обеспечивает уменьшение энергии удара пропорционально
уменьшению диаметра конуса. ЛЗЗ создан для контроля плотности
укладки намывных и насыпных искусственных песчаных грунтов в
процессе их укладки, т.е. при подготовке искусственных оснований,
возведении дамб, плотин и др. земляных сооружений. Контроль,
выполненный послойно по мере укладки или намыва грунта, позволяет
оперативно и дешево охарактеризовать плотность грунтов, являющуюся
одним из главных показателей качества строительства. Последовательное
послойное зондирование позволяет оценить искусственный грунтовый
массив на всю мощность. Недостаток зонда – малая длина, что исключает
его применения при изысканиях естественных оснований сооружений.
При работе с ЛЗЗ рекомендуется применять более простой
показатель динамического зондирования N (уд/дм), представляющий
собой число молота, необходимое для погружения зонда на 10 см
N  10
n
h
n – число ударов в залоге, т.е. условно принятое число ударов, после
которого производится замер осадки зонда;
h – глубина погружения зонда от залога, см.
Определение коэффициента фильтрации грунтов опытными
откачками воды из скважины
Откачки – основной и наиболее распространенный метод опытнофильтрационных исследований водонасыщенных грунтов. При кустовой
откачке бурят центральную скважину, из которой производится откачка
воды насосом, и ряд наблюдательных скважин, по которым следят за
изменением уровня воды во время откачки. Наблюдательные скважины
располагаются на нескольких лучах, сходящихся к центральной скважине
и на разных расстояниях от центральной скважины. Это позволяет
определить гидравлический уклон в ходе опыта на разных направлениях.
Откачки обычно проводятся в двухС
трех понижениях уровня воды в
Н-2
центральной скважине. Величина каждого
Ю
понижения в центральной скважине и в
Н-3
сильноводопроницаемых грунтах не менее
Н-9 Н-10 Н-11
Н-7 Н-8
1 м, в средне- и маловодопроницаемых –
ЦС
1.5 – 2 м. Продолжительность откачки при
Н-4
одном понижении в однородных грунтах
Н-5
определяется
реальными
гидрогеологическими
условиями
и
изменяется от нескольких часов до
ЦС - центральная скважина с насосными
фильтрами
нескольких месяцев.
Н-1 - Н-П - наблюдательные скважины,
Методы обработки результатов
оборудованные фильтрами
опытных откачек основаны на решении
фильтрации по определенным расчетным схемам, учитывающим
геологическое строение участка, степень и характер вскрытия пласта
скважиной и расположение в ней фильтра; вид откачки. Некоторые
наиболее употребляемые формулы для расчета коэффициента фильтрации
при откачках из совершенных скважин в однородных пластах приведены
на рисунке. В этих формулах приняты следующие обозначения:
Кф
Q
r0
h
S1, S2, S3
x1, x2
Hиm
R
- коэффициент фильтрации, м/сут;
- дебит скважины, м3/сут;
- радиус центральной скважины (фильтры), м;
- динамический уровень воды в центральной скважине, отсчитываемый от ее дна, м;
- понижение уровня соответственно в центральной, первой и
второй наблюдательной скважинах, м;
- расстояние от центральной скважины до первой и второй
наблюдательных скважин;
- мощность пласта соответственно безнапорных и напорных вод.
- радиус влияния отметки
Определение коэффициента фильтрации грунтов методом
экспресс-налива в скважину
Экспрес-налив производится путем быстрого (теоретически
мнгновенного) возмущения напора водоносного пласта с последующей
регистрацией изменений уровня воды в скважине. Источником
возмущения напора может быть налив некоторого объема в скважину.
Замеры изменения уровней подземных вод в скважине после налива
позволяют рассчитать коэффициент фильтрации водоносного горизонта.
Преимущество экспресс налива перед опытными откачками состоит
в том, что он дает возможность быстро и без больших затрат средств
провести массовое опробование скважин на значительной территории.
Недостаток этого метода заключается в том, что с его помощью
удается определить фильтрационные свойства пород только в зоне,
непосредственно примыкающей к опытной скважине.