Механика грунтов

Проницаемость - способность горных пород фильтровать сквозь себя флюиды при наличии перепада давления. 

 Абсолютная проницаемость

Проницаемость образца керна, насыщенного одним флюидом (водой или нефтью), инертным по отношению к породе, зависит целиком и полностью от свойств породы, а не от насыщающего флюида. Как правило, абсолютной проницаемостью называют проницаемость керна по гептану.

  Газопроницаемость (Проницаемость по воздуху, гелию, азоту и т.д)

проницаемость образца керна при пропускании через него газа, зависит от давления. При высоких давлениях газопроницаемость приближается к значению абсолютной проницаемости, при низких - иногда значительно (на 50% и более) превышает её, что происходит из-за эффекта Клинкенберга - проскальзывания газа при низких давлениях.

  Эффективная (фазовая) проницаемость

Проницаемость породы для отдельно взятого флюида (K_o, K_w), при числе присутствующих в породе фаз, большим единицы. Эффективная проницаемость зависит от флюидонасыщения (степени насыщенности флюидов и их физико-химических свойств).

  Эффективная газопроницаемость

Как правило  под эффективной газопроницаемостью понимают газопроницаемость породы при остаточной флюидонасыщенности (водонасыщенности). Определяется на образцах с остаточной водонасыщенностью также как и обычная газопроницаемость, с одним условием- при определении должны поддерживаться такие перепады давления, при которых не происходит вытеснения остаточного флюида.

  Относительная проницаемость

Отношение эффективной проницаемости (K_o, K_w) к эффективной проницаемости по нефти, замеренной в породе, насыщенной только связанной водой (K_oSwir). 
K_ro = K_o / K_oSwir 
K_rw = K_w / K_oSwir

  Источники данных о проницаемости

• гидродинамические исследования, данные эксплуатации,
• лабораторные исследования на образцах пористой среды (керна), в условиях максимально приближённых к пластовым,
• использование данных о схожем пласте,
• математические модели (эмпирические зависимости),
• корреляционные зависимости по данным ГИС.

  Лабораторные методы определения проницаемости

Проницаемость породы определяется при фильтрации флюидов через керн. Для оценки пользуются линейным законом фильтрации Дарси, по которому скорость фильтрации флюида в пористой среде пропорциональна градиенту давления и обратно пропорциональна вязкости: 
V = Q / F = K × ΔP / μ × L 
K = Q × μ × L / ΔP × F, где

• V - скорость линейной фильтрации (см/с),
• Q - объёмный расход флюида (см³/с),
• μ - вязкость флюида (сП),
• ΔP - перепад давления (атм),
• F - площадь фильтрации (см²),
• L - длина образца (см),
• K - проницаемость (Д).

Ненапорные  подземные воды в зоне полного  насыщения передвигаются при  наличии разности гидравлических напоров (уровней) от мест с более высоким  к местам с низким напором (уровнем). Разность напоров ∆H = H1 - H2 в сечениях I и II (Рисунок 3) обуславливает движение воды в направлении сечения II. Скорость движения грунтового потока зависит от разности напора (чем больше ∆H, тем больше скорость) и длины пути фильтрации.

Отношение разности напора ∆H к длине пути l называют гидравлическим уклоном (градиентом) I = ∆H/l

Основной  закон фильтрации подземных вод. Современная теория движения подземных  вод основывается на применении закона Дарси:

 

 

Где Q – расход воды или количество фильтрующей воды в единицу времени, м3/сут; kф – коэффициент фильтрации, м/сут; F – площадь поперечного сечения потока воды, м2; ∆H – разность напоров, м; I – длина пути фильтрации, м.

Выведено  это выражение для пород с  ламинарным (параллельно, струйчатым, без пульсации) характером движения подземных вод, которое имеет место в песках, песчаниках и других породах. Позднее Н.Н. Павловским, Т.Н. Каменским и Н.К. Гиринским доказана правомерность этого закона и для гравелистых пород, где скорости достигают 125 м/сут.

Эту скорость фильтрации называют кажущейся, поскольку  расход потока отнесен ко всей площади  поперечного сечения фильтрующей  породы. Если принять напорный градиент за единицу, то коэффициент фильтрации можно рассматривать как кажущуюся скорость движения воды.

Действительную  скорость (Vq) представляет собой отношение  расхода воды к той части поперечного  сечения, которая занята порами:

 

 

В глинистых  породах, где много физически  влаги, не участвующей в гравитационном движении воды и заполняющей поры, различают активную пористость (Пакт), показывающую какая часть сечения породы способна пропускать движущуюся воду

Пакт=П  – WММВ . γск

Где WММВ  максимальная молекулярная влагоёмкость в долях единицы, γск - объемный вес  скелета породы

Методы  определения коэффициента фильтрации.

Расчетным путем коэффициент фильтрации определяется преимущественно для песков и гравелистых пород. Эти методы являются приближенными и рекомендуются на начальных этапах исследования. Для расчетов используют одну из многочисленных эмпирических формул, связывающих коэффициент фильтрации грунта с его гранулометрическим составом, пористостью степенью однородности

Лабораторные  методы основаны на изучении скорости движения воды через образец грунта при различных градиентах напора. Все приборы для лабораторного  определения коэффициента фильтрации могут быть подразделены на два типа: с постоянным напором и с переменным. Рисунок 1

Принцип работы приборов: В цилиндрический сосуд с двумя боковыми пьезометрами П1 и П2 помещают испытуемый грунт, через  него фильтруют воду под напором. Зная диаметр цилиндра F, напорный градиент (I = ΔH/L) и измеряя расход профильтровавшейся воды Q, находим коэффициент фильтрации по формуле kф = QL/F(h1-h2),

Где h1 и h2 – показатели пьезометров; L –  расстояние между точками их соединения

Приборы, моделирующие постоянство напорного градиента, т. е. установившееся движение, применимы в основном для грунтов с высокой водопроницаемостью, например для песков. Для суглинков и супесей применяют приборы типа ПВГ (Рисунок 5), позволяющие определять коэффициент фильтрации образцов с нарушенной и ненарушенной структурой. Для глинистых пород наибольшее значение имеет определение коэффициента фильтрации в образцах с ненарушенной структурой, обжатых нагрузкой, под которой грунт будет находиться в основаниях зданий и сооружений.

Приборы, моделирующие переменный напор, характеризующий  неустановившееся движение, обычно используют для определения коэффициента фильтрации связных грунтов с малой водопроницаемостью.

Простота  и дешевизна лабораторных методов  позволяет широко их использовать для массовых определений коэффициента фильтрации.

Полевые методы позволяют определить коэффициент  фильтрации в условиях естественного  залегания пород и циркуляции подземных вод, что обеспечивает наиболее достоверные результаты.

Коэффициент фильтрации водоносных пород определяют с помощью откачек воды из скважин, а в случае неводоносных грунтов – методом налива воды в шурфы и нагнетанием воды в скважины.

Наилучшим питьевым качеством обладают воды при pH = 6,5…8,5. Химически чистая вода бесцветна. Окраску воде придают механические примеси. Прозрачность воды зависит от цвета и наличия мути. Вкус связан с составом растворенных веществ: соленый – от хлористого натрия, горький – от сульфата магния и т. д. Запах зависит от наличия газов биохимического происхождения (сероводород и др.) или гниющих органических веществ.

Вода  для питьевых целей должна быть бесцветна, прозрачна, не иметь запаха, быть приятной на вкус. Количество растворенных солей  не должно превышать 1,0 г/л. Не допускается  содержание вредных для здоровья человека химических элементов (уран, мышьяк и др.) и болезнетворных бактерий. Последнее в известной мере может быть нейтрализовано обработкой воды ультразвуком, хлорированием, озонированием и кипячением.

Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воздействии растворенных в воде солей на строительные материалы, в частности, на портландцемент. Поэтому при строительстве фундаментов и различных подземных сооружений необходимо уметь оценивать степень агрессивности подземных вод и определять меры борьбы с ней. В существующих нормах, оценивающих степень агрессивности вод по отношению к бетону, кроме химического состава воды, учитывается коэффициент фильтрации пород. Одна и та же вода может быть агрессивной и неагрессивной. Это обусловлено различием в скорости движения воды — чем она выше, тем больше объемов воды войдет в контакт с поверхностью бетона и, следовательно, значительнее будет агрессивность.

По отношению  к бетону различают следующие  виды агрессивности подземных вод:

Общекислотная – оценивается величиной pH.

Сульфатная  – определяется по содержанию иона SO42-

Магнезиальная – устанавливается по содержанию иона Mg2+

Карбонатная – связанная с воздействием на бетоны агрессивной углекислоты (возможен только в песчаных породах)

Агрессивное действие подземных вод на металлы (коррозия металлов). Подземная вода с растворенными в ней солями и газами может обладать интенсивной  коррозионной активностью по отношению  к железу и другим металлам. Подземные  воды обладают коррозионными свойствами при содержании в них также агрессивной углекислоты, минеральных и органических кислот, солей тяжелых металлов, сероводорода, хлористых и некоторых других солей. Мягкая вода действует значительно агрессивней, чем жесткая. Влияние сильнокислых и сильно щелочных вод способствует наибольшему разъеданию металлов. Коррозии способствует повышение температуры воды, увеличение скорости ее движения, электрического поля в грунтовых толщах.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Сопротивление горных пород и грунтов сдвигу. Условия Мора-Кулона.  

Ответ: Геологический разлом, или разрыв — нарушение сплошности горных пород, без смещения (трещина) или со смещением пород по поверхности разрыва. Разломы доказывают относительное движение земных масс. Крупные разломы земной коры являются результатом сдвига тектонических плит на их стыках. В зонах активных разломов часто происходят землетрясения как результат выброса энергии во время быстрого скольжения вдоль линии разлома. Так как чаще всего разломы состоят не из единственной трещины или разрыва, а из структурной зоны однотипных тектонических деформаций, которые ассоциируются с плоскостью разлома, то такие зоны называют зонами разлома. 

      Геологические разломы делятся на три основные группы в зависимости от направления  движения. Разлом, в котором основное направление движения происходит в вертикальной плоскости, называется разломом со смещением по падению; если в горизонтальной плоскости — то сдвигом. Если смещение происходит в обеих плоскостях, то такое смещение называется сбросо-сдвигом. В любом случае, наименование применяется направлению движения разлома, а не к современной ориентации, которая могла быть изменена под действием местных либо региональных складок либо наклонов.