Механическое воздействие фильтрационного потока на скелет грунта
Грунт представляет собой пористое тело, состоящее из твердой фазы (скелета) и пор между отдельными частицами грунта, образующими скелет. Эти поры могут быть заполнены: а) воздухом (практически сухой грунт); б) частично воздухом, частично водой (трехфазная система); в) целиком водой (двухфазная система). В некоторых случаях поры грунта, ограниченные скелетом, находящимся обычно в том или другом напряженном состоянии, могут быть частично заполнены «свободными» (не защемленными в скелете) частицами грунта. В дальнейшем, говоря о грунте, в порах которого имеется вода, будем рассматривать только двухфазную систему. Вода, двигаясь в порах такого грунта, омывает его частицы, причем она воздействует на эти частицы не только механически, но в некоторых случаях еще и химически (выщелачивая растворимые включения, если таковые имеются). Рассмотрим только механическое (силовое) воздействие фильтрационного потока на скелет грунта. 1. Элементарные и суммарные силы гидравлического воздействия фильтрационного потока на скелет грунта. Движение воды в порах грунта обычно ламинарное. Представим (рис. 12.4, а) некоторую частицу А грунта (в увеличенном виде) и две опоясывающие ее линии тока (1—1—1 и 2—2—2). В связи с наличием потерь напора уровень жидкости в воображаемых пьезометрах Пи П2 и Я3 будет падать по течению. В этом случае твердая частица испытывает слева большие нормальные давления р, чем справа (рис. 2.4, б).
Помимо нормальных давлений р к поверхности твердой частицы А приложены еще (со стороны движущейся воды) касательные напряжения т0 трения (рис. 2.4, е). Сложив геометрически все элементарные нормальные (см. рис. 2.4,6) и касательные (см. рис. 2.4, в) усилия, приложенные к поверхности частицы, получим силу, действующую на данную частицу грунта со стороны фильтрационного потока (рис. 2.4, г). Силу, стремящуюся сдвинуть с места частицу, можно назвать элементарной силой гидравлического воздействия (элементарной в том смысле, что эта сила приложена к одной частице).
Представим теперь достаточно большой объем грунта (рис. 2.5). На каждую твердую частицу грунта, входящую в этот объем, действует своя сила f (силы f имеют разное значение и разное направление). Геометрическая сумма всех сил, относящихся к рассматриваемому объему.
Таким образом: 1) на данную единицу объема грунта, находящегося ниже кривой депрессии, со стороны фильтрационного потока действует фильтрационная сила, направленная вдоль линии тока, а также 2) сила взвешивания, направленная вертикально вверх; 3) значение фильтрационной силы может быть найдено ца основе данных теории фильтрации, так как эти данные позволяют определить уклон, входящий в формулу (2.4). Элементарные силы гидравлического воздействия f не могут быть установлены непосредственно на основании данных теории фильтрации, поскольку эта теория оперирует сплошной средой и не позволяет найти местные пьезометрические уклоны, относящиеся к отдельным частицам.
При выяснении возможности возникновения макродеформаций грунта, т. е. возможности перемещения относительно больших объемов грунта, можно оперировать силами. При этом для удобства расчета рассматривают единицу объема грунта, находящегося ниже кривой депрессии (рис. 2.7).
На эту единицу объема грунта действуют три объемные силы (рис. 2.7, а): 1) сила удельного веса сухого грунта; 2) удельная сила гидродинамического взвешивания; 3) удельная фильтрационная сила.
Две вертикальные силы можно сложить. При этом вместо схемы на рис. 2.7, а получают расчетную схему на рис.
Таким образом, при расчете макродеформаций грунта, насыщенного движущейся водой, грунт в области фильтрационного потока надлежит рассматривать как взвешенный с удельным весом Уизв; дополнительно необходимо учитывать, что к каждой единице объема этого грунта приложена сила f$, действующая по направлению скорости фильтрации.