ODPORNOŚĆ FILTRACYJNA PIASKÓW

Odporność filtracyjna piasków

Praca stanowi kompleksowe opracowanie dotyczące problematyki odporności filtracyjnej gruntów niespoistych – równomiernie uziarnionych piasków i ich deformacji filtracyjnych powstających w wyniku mechanicznego działania wody na szkielet gruntowy. Przedstawiono w niej charakterystykę właściwości pojedynczych ziaren i cząstek ośrodka gruntowego, tworzonej przez nie struktury gruntu oraz opisujących je cech . Omówiono właściwości cieczy, warunki jej przepływu przez ośrodek porowaty oraz właściwości filtracyjne gruntu i kształtujące je czynniki. Szczególną uwagę zwrócono na problem oddziaływania filtrującej cieczy na pojedyncze ziarna i cząstki gruntu, a ponadto dokonano analizy działania siły filtracji w odniesieniu do pozostałych sił działających w ośrodku gruntowym. Omówiono rodzaje deformacji filtracyjnych występujących w gruntach niespoistych, warunki ich powstawania i mechanizmy przebiegu. Zdefiniowano czynniki decydujące o zachowaniu odporności filtracyjnej gruntów i warunki jej utraty, a następnie przedstawiono wyniki badań deformacji filtracyjnych piasków równoziarnistych w przewarstwieniach o niewielkich miąższościach.

W opracowaniu przedstawiono także analizę własną czynników kształtujących odporność filtracyjną gruntów oraz kryteriów oceny jej zachowania: kryterium geometrycznego, kryterium hydraulicznego i kryterium naprężenia. W kryterium geometrycznym rozpatrzono cechy pojedynczych ziaren i cząstek oraz struktury gruntu i ich udział w kształtowaniu podatności gruntu na wystąpienie deformacji filtracyjnych. Kryterium hydrauliczne omówiono w ujęciu dwóch warunków hydraulicznych, definiowanych za pomocą gradientu hydraulicznego i prędkości filtracji, dopuszczalnych i krytycznych, z uwzględnieniem kierunku i zwrotu filtracji. Rolę zmiany stanu naprężenia i czynników powodujących te zmiany ujęto w kryterium naprężenia.

Na zakończenie zaprezentowano analizę współudziału czynników w procesie kształtowania odporności filtracyjnej gruntów i sformułowano wnioski wynikające z danych studialnych oraz przedstawionych w pracy wyników badań własnych i analizy problemu utraty odporności filtracyjnej gruntów.

SPIS TREŚCI
Streszczenie  13
Summary  15
Резюме 17
1. WSTĘP  19
2. BUDOWA GRUNTU  23
2.1. Charakterystyka pojedynczych ziaren i cząstek gruntu 23
2.2. Struktura gruntu 28
2.3. Parametry charakteryzujące strukturę gruntu  33
2.3.1. Cechy wskaźnikowe 33
2.3.2. Współzależność cech struktury gruntu 37
2.3.3. Kształt i wymiary porów  38
2.4. Podsumowanie 43
3. PRZEPŁYW WODY PRZEZ OŚRODEK GRUNTOWY  45
3.1. Przepuszczalność hydrauliczna gruntów 45
3.2. Czynniki kształtujące przepuszczalność hydrauliczną  49
3.3. Właściwości filtracyjne piasków 56
4. SIŁY DZIAŁAJĄCE W OŚRODKU GRUNTOWYM  57
4.1. Siły działające na pojedyncze ziarna i cząstki gruntu 57
4.1.1. Rodzaje sił i ich znaczenie dla zachowania się ziaren i cząstek w strumieniu
filtrującej cieczy  57
4.1.2. Siły szkieletowe  61
4.1.3. Siły od ciężaru własnego  63
4.1.4. Siły wyporu 63
4.1.5. Siły hydrodynamiczne  64
4.2. Siły działające na objętość gruntu 67
4.3. Podsumowanie 70
5. DEFORMACJE FILTRACYJNE  72
5.1. Klasyfikacja deformacji filtracyjnych  72
5.2. Mikrodeformacje 74
5.2.1. Oddziaływanie siły filtracji na pojedyncze ziarna i cząstki gruntu  74
5.2.2. Sufozja  80
5.2.3. Erozja  82
5.2.4. Kolmatacja  836
5.3. Makrodefomacje  84
5.3.1. Oddziaływanie siły filtracji na jednostkę objętości gruntu 84
5.3.2. Upłynnienie statyczne 88
5.3.3. Przebicie hydrauliczne  89
5.3.4. Wyparcie spowodowane działaniem siły filtracji 90
5.4. Komentarz do zasad klasyfikowania deformacji filtracyjnych  90
6. ODPORNOŚĆ FILTRACYJNA  93
6.1. Wprowadzenie 93
6.2. Czynniki decydujące o odporności filtracyjnej  94
6.3. Mechanizm utraty odporności filtracyjnej 98
6.4. Odporność filtracyjna piasków w przewarstwieniach o małej miąższości – stan wiedzy
i uzasadnienie badań własnych  99
7. BADANIA ODPORNOŚCI FILTRACYJNEJ PIASKÓW W PRZEWARSTWIENIACH
O MAŁEJ MIĄŻSZOŚCI 102
7.1. Cel i zakres badań  102
7.2. Badany materiał 103
7.3. Stanowisko badawcze  105
7.4. Metodyka badań i plan eksperymentu 106
7.5. Badania i obserwacje utraty odporności fi ltracyjnej  107
7.5.1. Charakter deformacji fi ltracyjnej i mechanizm utraty odporności fi ltracyjnej
przewarstwień o niewielkiej miąższości 107
7.5.2. Wyniki pomiarów 111
7.6. Praktyczny aspekt badań  116
8. ANALIZA CZYNNIKÓW KRYTERIUM GEOMETRYCZNEGO  117
8.1. Wprowadzenie 117
8.2. Wymiary porów a wymiary przemieszczanych ziaren  117
8.3. Skład granulometryczny a sufozyjność gruntu  120
8.4. Skład granulometryczny a kolmatacja 125
8.5. Współczynnik przesklepienia  127
8.6. Liczba kontaktów ziaren  127
8.7. Właściwości gruntów a rodzaj deformacji filtracyjnej  128
8.7.1. Wskaźnik jednorodności a rodzaj deformacji filtracyjnej  128
8.7.2. Wilgotność molekularna a rodzaj deformacji filtracyjnej. 130
8.7.3. Zagęszczenie a rodzaj deformacji filtracyjnej  132
8.8. Podsumowanie 133
9. ANALIZA CZYNNIKÓW KRYTERIUM HYDRAULICZNEGO 135
9.1. Wprowadzenie 135
9.2. Warunek gradientu hydraulicznego 137
9.2.1. Wpływ gradientu hydraulicznego na upłynnienie statyczne  137
9.2.2. Wpływ gradientu hydraulicznego na przebicie hydrauliczne 143
9.2.3. Wpływ gradientu hydraulicznego na sufozję 160
9.3. Warunek prędkości filtracji  167
9.3.1. Wpływ prędkości filtracji na upłynnienie statyczne 167
9.3.2. Wpływ prędkości filtracji na przebicie hydrauliczne 169
9.3.3. Wpływ prędkości filtracji na sufozję  169
9.4. Prędkość krytyczna erozji powierzchniowej w analizie warunków hydraulicznych utraty odporności fi ltracyjnej 1727
9.5. Właściwości filtracyjne gruntów a rodzaj deformacji fi ltracyjnej 174
9.6. Wpływ czasu występowania warunków hydraulicznych na utratę odporności fi ltracyjnej. 175
9.7. Podsumowanie 176
10. ANALIZA CZYNNIKÓW KRYTERIUM NAPRĘŻENIA  182
10.1. Wprowadzenie 182
10.2. Zmiany stanu naprężenia w wyniku wystąpienia oddziaływania statycznego  182
10.3. Zmiany stanu naprężenia w wyniku wystąpienia oddziaływania dynamicznego, cyklicznego lub monotonicznego  186
10.4. Naprężenia graniczne styczne  189
10.5. Podsumowanie 191
11. WSPÓŁUDZIAŁ POSZCZEGÓLNYCH CZYNNIKÓW W KSZTAŁTOWANIU ODPORNOŚCI FILTRACYJNEJ 193
12. PODSUMOWANIE I WNIOSKI  198
Bibliografia  202
Załącznik. Wyniki pomiarów odporności filtracyjnej gruntów 212
Wykaz symboli 213
List of symbols 220
Spis rysunków  227
List of fi gures 231
Spis tabel  235
List of tables 236