Коэффициент фильтрации грунта

Благодаря коэффициенту фильтрации (Кф) видна быстрота прохождения жидкости сквозь грунт до полного насыщения водой. Это параметр служит, чтобы определить скорость фильтрации воды и оценить тип, пористость, проницаемость, гранулометрический состав. Единица измерения величины -м/с, из-за небольших значений часто применяют за единицу: см/с. Коэффициент фильтрации позволяет определить: возможный застой воды сверху грунта в случае затопления основания фундамента и имеет важное значение для различных строительных и дорожных работах. Закон Дарси, выражаемый зависимость скорости фильтрации от градиента напора описывает фильтрацию. Скорость фильтрации — это расход воды через площадь поперечного сечения фильтрационного потока. (согласно п.3.2 ГОСТ 25584-2016). Во время фильтрации воды, ее скорость зависит от формы и размера грунтовых пор. Благодаря наличию в пористой среде толщины, ширины и длины объемная скорость передвижения жидкости рассчитывается по формуле с учетом соотношение коэффициента фильтрации с коэффициентом проницаемости жидкости. Информацию о коэффициенте фильтрации грунтов получают в ходе проведения полевых испытаний с измерением времени и скорости проникновения воды через грунт в специальных скважинах.

Что это за показатель?

Коэффициент фильтрации грунта является одним из основных показателей в геотехнической инженерии и гидрогеологии, определяющим способность грунта пропускать через себя воду. Это значение важно для оценки водопроницаемости почв и подземных водных потоков, а также при проектировании оснований зданий и сооружений, дренажных систем и при прогнозировании затопления территорий.

Влияющие факторы

Согласно ГОСТ 25100-2020 на уровень водопроницаемости влияет:

Минеральный состав

Последующие преобразования минералов в массиве измельчают породу воздействующих на водопроницаемость грунта. глина в грунте не пропускают воду, поэтому она накапливается, нарушая линейный закон. За счет начального градиента напора происходит свободное перемещение подземной воды. Даже 10% глины в песке сильно снижает проницаемость воды. Наиболее низкой фильтрацией обладает монтмориллонитовая глина из-за высокой плотности грунта благодаря большому количеству положительных ионов натрия. Ионы Ca, Al способны увеличить, который сильно зависит от однородности.

Пористость

Процесс происходит быстрее через пустоты трещиноватых скальных грунтов. гравий, галечник, щебень, гравелистые и крупнозернистые пески- породы с крупными порами и хорошей водопроницаемостью. Из-за мелких пор в капиллярах грунтов поднимается на поверхность через слой суглинка, супеси.

Слоистость

От направления частиц в слоистых грунтах зависит водопроницаемость.

Состав фильтруемой жидкости

На проникновение в поры грунта влияет концентрация солей и других химических элементов, содержащихся в воде. Хлориды натрия в воде концентрацией 140-150 г/л увеличиваются мелкие частицы грунта улучшают пористость и, следовательно, водопроницаемость. При концентрации солей натрия свыше 10%, проникновение воды снижается, поскольку ионы Na связывают воду, увеличивая вязкость.

Температура

С ростом температуры увеличивается водопроницаемость грунта, особенно в пределах от 65 до 75°С из-за разрыва коллоидных связей.

Водопроницаемость глин наиболее зависит от температуры.

Гидростатический напор

Появлению гидростатического напора способствует гравитация и полив с давлением. Высокий гидростатический напор увеличивает плотность структуры, которая утрамбовывается из-за смещения частиц, пористость уменьшается и приводит к снижению водопроницаемости.

Опытная откачка

В центре массива оборудуют скважину диаметром – от 219 мм, достигающую грунта с водой. Скважина оснащается отстойником длиной не менее 1,5 м, фильтрами диаметром не менее 168 мм и длиной – 6 м (для интервальных испытаний – 3 м). В маломощных массивах длина фильтров соответствует максимальной толщине водоносного слоя.

С разных сторон как лучи от центральной скважины оборудуются несколько наблюдательных скважин диаметром – не более 132 мм с фильтром диаметром– от 89 мм и длиной – от 3 м. Такой метод называется кустовым.

Правила установки скважин для наблюдения

Рядом устанавливают фильтры, достигающие слоя для наблюдения за водой. (с выраженной анизотропией -два луча).

Расстояние от центральной до самой близкой наблюдательной скважины составляет от 2 до 5 м.

Откачивание или налив воды длится три дня, можно увеличивать до 14 дней.

Для откачки в течение 8 часов устанавливается одна скважина диаметром – от 168 мм, отстойник длиной – не менее 1,5 м, фильтр с диаметром – от 108 мм и длиной – от 3 м.

Необходимое оборудование

Для полевых исследований необходимо:

1. Водоподъемник с жесткой трубкой и насосом;
2. Аппаратура для измерения уровня расхода и подведения к скважине или вывода воды;
3. Труба для спуска измерительных приборов в целях защиты аппаратуры

Обрабатывают результаты исследований в кабинете за компьютером.

Подготовка

Качество и точность результатов зависят от правильной подготовки

Перед опытами в полевых условиях проводится следующая подготовка:

1. Бурение скважин в земле с их очисткой и установкой фильтров.
2. Прокачка скважины в течение 2 часов до вытекания чистой воды.
3. Измерение уровня жидкости.
4. Прикрепление к скважинам верхних частей труб. для замера уровня воды.
5. Установка измерительной рейки.
6. Монтаж оборудования для налива, откачивания и отведения воды.
7. Установка и настройка измерительных приборов
8. Пробное откачивание и контроль уровня воды идет в течение двух часов воду, чтобы проверить работоспособность оборудования и скважины.
9. Наблюдение за восстановлением уровня воды после пробной откачки, если коэффициент фильтрации более 2 м/с, то 4 часа, если меньше – 10 часов. Организуется обязательное наблюдение на соседних участках, при необходимости - в ближайшем водоеме.
10. Разрешено останавливать водоотводное оборудование. Продолжительность первой остановки - до 10 мин, последующих (через 2 суток) – до 30 мин.
11. Изоляция скважины для предотвращения перетекания воды. Откачанная вода отводится на достаточное расстояние.

Порядок работ

Сначала проверяют наличие воды в скважине.

В журнал записывают все полученные данные:

Контроль за расходом и уровнем воды происходит в определенное время:

• Температуру воздуха, осадки, паводки, атмосферное давление
• Технические характеристики аварии
• Графики, отражающие изменения высоты водного столба в скважине, давления, объемов путем налива и откачки
• Глубину

Во время откачивания контролируют наличие воды.

Контроль за расходом и уровнем воды происходит в определенное время:

• В первые 6 минут – каждую минуту
• От 6 до 15 минут – каждые 2 минуты
• От 15 до 30 минут – каждые 5 минут
• От 30 до 80 минут – каждые 10 минут
• После 80 минут – каждые полчаса
• После 6 часов – каждый час
• После 10 часов – каждые 2 часа

Таким же образом контролируется восстановление воды по окончании опыта. Контрольная откачка проводится, чтобы проверить фильтры.

Лабораторные методики

В лабораторных условиях коэффициент фильтрации определяют с помощью различных приборов, например, замеряют числа делений, на которые опустился (поднялся) уровень воды в пьезометре, за коэффициент фильтрации образца грунта принимают среднее арифметическое отдельных вычисленных значений В лаборатории изучаются образцы как с ненарушенным сложением, так и с заданными параметрами плотности и пористости.

Сначала образцы насыщают водой, подводимой снизу. Песчаные грунты исследуют при постоянном или переменном напоре, глинистые грунты – только при переменном. Для эксперимента берется из массива, если минерализация не превышает 2 г/л, возможно использование предварительно отстоянной питьевой воды в течение суток или помещенной в вакуумную установку для удаления пузырьков воздуха.

Оборудование

Чтобы провести опыт в лаборатории имеется:

• Лабораторные аналитические весы
• Секундомер
• Прямой стальной нож
• Лопатка
• Винтовой пресс
• Плоские гладкие пластинки

В состав фильтрационного прибора входит:

• Прямой пологий цилиндр с заостренным краем
• Дно с перфорацией
• Латунная муфта
• Баллон, чтобы определить объем
• Устройство оценки увлажнения и регулировки с подставкой, винтом и градуированной шкалой
• Корпус

Подготовка

Грунт и вода держатся в помещении для доведения их температуры до комнатной. Цилиндр извлекают из фильтрационного сооружения, взвешивают и заполняют его испытуемым материалом.

Правила засыпки грунта с ненарушенным строением:

• Цилиндр ставится на ровную поверхность и заостренным концом обозначают границы испытуемого образца.
• Материал срезается по границам, чтобы образовался внутренний столбец высотой около 10 мм с диаметром на 0,5-1 мм большим, чем диаметр цилиндра.
• Емкость взвешивают, чтобы определить плотность материалов.

Если нет возможности определить плотность пробы с ненарушенным сложением, то коэффициент фильтрации определяется при максимально рыхлом грунте, когда его засыпают в цилиндр с высоты 5-10 см и плотном состоянии, когда после заполнения емкости слоями, его трамбуют.

Испытания глинистых грунтов

При проведении испытаний применяют фильтрационно-компрессионные установки, для создания нагрузки и переменного градиента напора.

Грунт и воду доводят до комнатной температуры. Острое кольцо для срезки грунта смазывают жиром и отделяют столбик. с учетом расположения слоев. На грунт с обеих сторон кладут увлажненную фильтровальную бумагу, накрывая прокладками и крышкой, сжимают гайками. на образец опускают арретир для предотвращения набухания. Пьезометр подключается к верхнему крану (если фильтрация изучается сверху вниз) или к нижнему крану (если фильтрация снизу вверх). Свободный кран прикрепляют резиновым шлангом к верхнему краю пьезометра или над ним.

Затем открывают кран для увлажнения грунта в зависимости от материалов. Супеси увлажняются 2 суток, суглинки – 5 суток, глины – индивидуально.

Дальше в пьезометр до крышки заливают воду увеличивая давление ступенчато. Отмечают начало фильтрации. Через ровные промежутки времени измеряют температуру воды и воздуха с точностью до 0,5°С.

Уровень воды в пьезометрах фиксируется каждые 5, 10, 15, 30 и 60 минут если быстрая фильтрация, в начале и конце рабочего дня– если медленная.

На основе полученных данных строится график. Для расчета коэффициента фильтрации используют формулу Кф= ∆ln*(Ho/Ho-S)/∆Сt, где ∆ln*(Ho/Ho-S) и ∆Сt – разница между координатами двух точек на прямой линии графика.

Практическое применение коэффициента фильтрации

В практике учитывают гранулометрический состав, физические свойства грунта, размер, качество, деформацию и воздействие напорной воды. В России существует общая классификация грунтов с учетом их фильтрационных свойств. Коэффициент фильтрации нужен для расчета нагрузки на дамбы и плотины, особенно во время поднятия уровня воды.

При планировании фильтрационного сооружения для мелиорации от коэффициента фильтрации зависит скорость снижения уровня грунтовых вод, повторного подъема в случае интенсивных осадков.

При проведенных геодезических исследованиях обязательным этапом является вычисление коэффициента фильтрации.

Изучение водопроницаемости грунта необходимо во время:

• проектирования и постройки домов
• строительства крупных жилых и промышленных комплексов
• прокладки трасс, железных дорог, взлетных полос аэродромов
• планирования дренажных систем, септиков и канализаций
• обустройства водохранилищ
• возведения дамб и плотин
• мелиорации и осушении грунтов

Перед строительством зданий и прокладкой дорог учитывают быстроту поступления воды из верхних слоев в нижние во время интенсивных осадков, возможность застаивания и подмыва основания. изучают нисходящие и восходящие потоки грунта для учета подъема грунтовых вод через толщу массива.