Определение коэффициента фильтрации песка
Коэффициент фильтрации грунта Кф –это скорость прохождения воды через грунт. Коэффициент фильтрации песка Кф численно равен скорости прохождения воды через песок при единичном напоре и измеряется в метрах за сутки. В расчетах часто используют К10 – коэффициент фильтрации приведенный к температуре воды 10 °С.
На практике определение коэффициента фильтрации наиболее востребовано в дорожном и аэродромном строительстве при устройстве дренирующих слоев из песчаных грунтов, так как значение коэффициента фильтрации используемых грунтов должно находиться в пределах 1-2 м/сутки.
Для определения коэффициента фильтрации грунтов и, в частности, коэффициента фильтрации песка используют методы, изложенные в ГОСТ 25584-2016. Рассмотрим основные моменты проведения данного анализа.
В нашей лаборатории в основном работают с песками, используемыми для строительства дорог, поэтому дальнейшее изложение материала будет относиться к данной группе грунтов.
Определение коэффициента фильтрации начинается с определения еще двух характеристик песчаного грунта, а именно, максимальной плотности и оптимальной влажности в соответствии с ГОСТ 22733-2016. Для проведения испытания по определению данных характеристик используют прибор СОЮЗДОРНИИ, схематично изображенный ниже.
1 — поддон; 2 — разъемная форма; 3 — зажимное кольцо; 4 — насадка; 5 — наковальня; 6 — груз массой 2,5 кг; 7 — направляющая штанга; 8 — ограничительное кольцо; 9 — зажимные винты; 10 — образец грунта
Порядок проведения испытания
Отбирают пробу весом 2500г из предварительно просушенного и просеянного через сито 5мм песка.
Рассчитывают количество воды Q, г, для доувлажнения отобранной пробы до влажности первого испытания по формуле:
Где mp — масса отобранной пробы, г;
wg — влажность просеянного грунта в воздушно-сухом состоянии, %;
w1 — влажность грунта для первого испытания, для мелких и пылеватых песков принимается равной 6 %.
В отобранную пробу грунта вводят рассчитанное количество воды за несколько приемов, перемешивая грунт металлическим шпателем. Затем переносят пробу грунта из чашки в эксикатор или плотно закрываемый сосуд и выдерживают ее при комнатной температуре не менее 2 ч для песчаных несвязанныхгрунтов.
Далее переносят пробу из эксикатора в металлическую чашку и тщательно перемешивают;
— загружают в собранную форму из пробы слой грунта толщиной 50-60 мм и слегка уплотняют рукой его поверхность. Проводят уплотнение 40 ударами груза по наковальне с высоты 300 мм, зафиксированной на направляющей штанге. Аналогичную операцию проводят с каждым из трех слоев грунта, последовательно загружаемых в форму. Перед загрузкой второго и третьего слоев поверхность предыдущего уплотненного слоя взрыхляют ножом на глубину 1-2 мм. Перед укладкой третьего слоя на форму устанавливают насадку;
— после уплотнения третьего слоя снимают насадку и срезают выступающую часть грунта заподлицо с торцом формы. Толщина выступающего слоя срезаемого грунта должна быть не более 10 мм.
Образующиеся после зачистки поверхности образца углубления вследствие выпадения крупных частиц заполняют вручную грунтом из оставшейся части отобранной пробы и выравнивают ножом.
Взвешивают цилиндрическую часть формы с уплотненным грунтом mi и вычисляют плотность грунта ρi по формуле:
Где mc — масса цилиндрической части формы без грунта, г;
mi — масса цилиндрической части формы с уплотненным грунтом, г;
V – объем формы равный 400 см 3 .
Извлекают из цилиндрической части формы уплотненный образец грунта. При этом из верхней, средней и нижней частей образца отбирают пробы для определения влажности грунта wi
При каждом последующем испытании влажность грунта следует увеличивать на 1%-2%, при этом необходимое количество воды для доувлажнения рассчитывается по формуле (1), где wg , и w1 влажности при предыдущем и очередном испытаниях соответственно.
Испытание считают законченным, когда с повышением влажности пробы при последующих двух испытаниях происходит последовательное уменьшение значений массы и плотности уплотняемого образца грунта, а также когда при ударах грузом происходит отжатие воды или выделение разжиженного грунта через соединения формы.
По результатам испытания строят график ρ(w).
Ниже приведен пример графика для песчаных грунтов.
По построенному графику определяют максимальную плотность и оптимальную влажность. Зная эти характеристики, переходят к непосредственному определению коэффициента фильтрации.
Для проведения испытания используют прибор ПКФ, схема которого приведена ниже
а также трамбовку
Порядок проведения испытания
— песок и воду, предназначенные для определения коэффициента фильтрации, выдерживают в лаборатории до выравнивания их температуры с температурой воздуха;
— песок просушивают до воздушно-сухого состояния;
— просеивают через сито с отверстиями 5 мм и определяют его гигроскопическую влажность по ГОСТ 5180;
— отбирают в фарфоровую чашку пробу песка методом квартования массой не менее 450 г;
— увлажняют с помощью мерного цилиндра отобранную пробу до оптимальной влажности и выдерживают ее в эксикаторе с водой не менее 2 ч.
Из подготовленной пробы влажного грунта отбирают навеску массой m1 для помещения в фильтрационную трубку прибора и навеску для контрольного определения фактической влажности грунта по ГОСТ 5180.
Массу m1 вычисляют по формуле,
где ρmax – максимальная плотность песка, определенная ранее;
w0 – оптимальная влажность, определенная ранее;
V – объем грунта в трубке, для ПКФ = 200 см 3 .
Подготовку прибора к проведению испытания производят в следующем порядке:
— съемное перфорированное дно 6 с латунной сеткой 5, покрытой кружком высокопористого материала, смоченного водой, крепят к трубке 3 и ставят ее на жесткое массивное основание;
— навеску влажного грунта массой m1 делят на три порции и последовательно укладывают их в трубку, уплотняя каждую из них с помощью трамбовки, проводя по 40 ударов груза с высоты 300 мм; перед укладкой каждой порции поверхность предыдущей уплотненной порции взрыхляют ножом на глубину 1-2 мм;
— измеряют линейкой расстояние от верхнего края трубки до поверхности уплотненного грунта; измерения проводят не менее чем в трех точках; в расчет принимают среднее значение. (При высоте образца грунта 1 в трубке более 100 мм проводят дополнительное уплотнение, которое заканчивают при высоте образца (100±1) мм.)
— укладывают на поверхность грунта слой гравия (фракция 2-5 мм) толщиной 5-10 мм;
— устанавливают трубку с грунтом на подставку 7 и вместе с ней помещают в стакан 4, который постепенно наполняют водой до верха;
— помещают стакан с трубкой в емкость для воды и заполняют ее до уровня выше слоя гравия на 10-15 мм, после появления воды в трубке над слоем гравия доливают водой верхнюю часть трубки примерно на 1/3 ее высоты;
— извлекают стакан с трубкой из емкости и устанавливают его на поддон 8.
Испытание проводят в следующем порядке:
— доливают водой трубку не менее чем на 5 мм выше нулевого деления;
— дожидаются снижения уровня воды в пьезометре 2 до отметки «0» и включают секундомер;
— фиксируют время снижения уровня воды в пьезометре до отметок 10, 20, 30, 40 и 50 мм.
При времени падения уровня воды до отметки 50 мм более 10 мин допускается проводить испытание при большем значении начального градиента напора. В этом случае трубку с подставкой извлекают из стакана и ставят непосредственно на поддон. Начальную высоту уровня воды Н0 при этом принимают равным 20см.
По результатам испытания строят график , на котором на оси Y откладывают величину C*t, а по оси X величину ln(H0/(H0-S)), где
Н0 — начальная высота уровня воды в пьезометре, см; отсчитывается от уровня слива воды;
S — снижение уровня воды в пьезометре, см;
t — время, за которое произошло снижение уровня воды на значение S, сек;
С – постоянная прибора ПКФ (в нашем случае 0,1).
Ниже приведен пример графика.
Опытные точки на графике должны наложиться на прямую линию, выходящую из начала координат, что является показателем корректности проведения испытания.
По построенному графику определяют коэффициент фильтрации (см/сек) по формуле:
Коэффициент фильтрации приведенный к температуре воды 10 °С — К10 вычисляют по формуле.
где Тф – фактическая температура воды при испытаниях, °С;
К – рассчитанный коэффициент фильтрации, см/сек.
Словарь специальных терминов
при разных величинах расхода Q. То есть k для данного грунта численно равен расходу воды, который просачивается через цилиндр из грунта единичной длины и единичного поперечного сечения при поданном на него единичном напоре и имеет размерность см/с (или м/с). Формально из описанного эксперимента коэффициент фильтрации можно определить как для нескального, так и для скального грунта.
Коэффициент фильтрации зависит не только от грунта, но и от фильтрующейся жидкости: чем более вязкая жидкость, тем ниже ее коэффициент фильтрации. Поэтому в общем случае говорят о коэффициенте фильтрации такой-то жидкости через такой-то грунт. В нашей дисциплине речь идет только о воде. Для воды в зависимости от грунта величины коэффициента фильтрации представлены в таблице 1.
Таблица 1. Значение коэффициентов фильтрации для различных грунтов
Коэффициент фильтрации k, см/с
Нижней границей изучаемого фильтрационного потока обычно служит водоупор — поверхность (кровля) водонепроницаемых пород, коэффициент фильтрации которых существенно меньше коэффициента фильтрации вышележащих пород, через которые происходит фильтрация.
В зависимости от вида верхней границы потока различают напорную и безнапорную фильтрацию. К безнапорной относится фильтрация непосредственно через тело сооружения (рис. 1), обходная фильтрация в берегах (рис. 2). На поверхности безнапорного фильтрационного потока давление постоянное и равно атмосферному. Свободную поверхность безнапорного фильтрационного потока называют поверхностью депрессии (рис. 1).
Рис. 1 Схема безнапорного фильтрационного потока через однородное тело земляной плотины с дренажём на водонепроницаемом основании 1 – кривая депрессии; 2 – дренажная призма
Рис. 2 Схема обходного фильтрационного потока
Фильтрацию называют напорной, если на верхней границе потока давление выше атмосферного. Фильтрация под подошвой сооружения является напорной. Фильтрация в трубе типа прибора Дарси — так же напорная.
Коэффициент фильтрации и водопроницаемость грунтов
Под водопроницаемостью грунтов подразумевается способность почвенных пластов пропускать воду под влиянием силы тяжести. Данная характеристика учитывается при использовании грунта для дорожного строительства, возведения насыпей, дренирующих и водоотводящих сооружений, при расчете скорости уплотнения почвы под воздействием нагрузки, пр.
Матусевич Анастасия Анатольевна
Главный геолог
Выпускница Российского Университета Дружбы Народов (РУДН) по специальности поиски и разведка месторождений полезный ископаемых.
Стаж работы
Оглавление
При повышении в составе грунта глинистых и пылеватых включений, водопропускная способность резко снижается. Максимальная отдача влаги характерна для песка. Хорошо пропускают воду гравий, галечник, трещиноватыепороды, средняя способность у торфа, суглинков, супесей, мергелей и известняков. Совершенно не пропускают влагу кристаллические массивные горныепороды, глина, осадочные нетрещиноватые. Мелкозернистые породы могут отбирать воду у крупнозернистых.
Коэффициент фильтрации
Важнейшей характеристикой грунтов является коэффициент фильтрации, то есть скорость прохождения воды через среду с гидравлическим градиентом, равняющимся единице. Среднее значение коэффициента фильтрации для рыхлых почв
| Порода | Коэффициент фильтрации, м/сутки |
| Суглинки | 0,05 |
| Супесь | 0,05-0,1 |
| Лесс | 0,05-1 |
| Песок:пылеватыйс мелким зерномзерном средней крупностис крупным зерном | 0,5-11-55-2020-50 |
| Гравий | 50-150 |
| Галечник | 100-500 |
| Галечник крупной фракции без песчаного наполнителя | 500-1000 |
- Полевой. Обеспечивает наиболее правдивые результаты, так как проводится в условиях естественного залегания пород и циркуляции грунтовых вод. Метод подразумевает откачку воды из скважин, а при работе с неводоносными грунтами – налив воды в шурфы с последующим нагнетанием жидкости в скважины.
- Расчетный. Используется метод для песчаных пород и гравия, не является основным, так как дает приблизительные результаты, может применяться на начальных стадиях изысканий. Для проведения расчетов используются эмпирические формулы, которые связывают коэффициент фильтрации с гранулометрическим составом грунта, его пористостью и другими характеристиками.
- Лабораторный. Исследования основываются на изучении скорости прохождения воды через толщу грунта при разной силе напора. Для работы применяются два типа приборов – с постоянным и переменным напором.
- Устройства, моделирующие постоянный напор жидкости, используются для песчаных почв, характеризующихся высокой влагопроницаемостью. В емкость цилиндрической формы, оснащенную двумя пьезометрами, помещают образец грунта, через который фильтруют жидкость под напором. Расчеты выполняются по формуле:Q = kфIF: кф= Q/FI= QL/F(h1—h2), где F – диаметр сосуда, I – напорный градиент, Q – количество профильтрованной воды, h1и h2 – данные пьезометров,L – расстояние между точками подсоединения пьезометров.
- Устройства, моделирующие переменный напор, который характеризует неустановившееся движение водных частиц, применяются для грунтов с малой влагопроницаемостью. Приборы позволяют вести наблюдение во время изменения напорного градиента от 50 до 0,1 в пробах грунта, которые находятся под определенным давлением. В основе такого устройства находится одометр, посредством которого и оказывается давление на грунт. По трубкам к одометру подводится вода, по ним же жидкость отводится после фильтрации. Создание напора проводится при помощи пьезометрических трубок.
Организация «ГеоКомпани» качественно, быстро и по выгодным ценам выполнит инженерно-геологические изыскания для участков в Москве и МО. У нас можно заказать как комплексные, так и отдельные услуги. Работаем в соответствии с ГОСТами и СНиПами.
Коэффициент фильтрации грунта (понятие и средние значения)
Коэффициент фильтрации — это характеристика проницаемости грунта по отношению к конкретной фильтрующейся воде; при линейном законе фильтрации равен скорости фильтрации воды при единичном градиенте напора. (согласно п.3.1 ГОСТ 25584-2016).
Коэффициент фильтрации — это параметр, характеризующий проницаемость грунтов в отношении фильтрации воды при полном насыщении, численно равный скорости фильтрации при единичном градиенте напора. (согласно п.2.7 ГОСТ 23278-2014).
Скорость фильтрации — это расход воды через единицу площади поперечного сечения фильтрационного потока. (согласно п.3.2 ГОСТ 25584-2016).
Коэффициент фильтрации определяется:
- в лаборатории в соответствии с ГОСТ 25584-2016 «Грунты. Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации»
- полевыми методами путем откачки в соответствии с ГОСТ 23278-2014 «Грунты. Методы полевых испытаний проницаемости»
Единицы измерения коэффициент фильтрации: м/сут; см/с.
Классификация грунтов по водопроницаемости в зависимости от коэффициента фильтрации в соответствии с таблицей Б.7 ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация»
Таблица Б.7 ГОСТ 25100-2011
Коэффициент фильтрации Кф, м/сут
Приведем справочные таблицы со средними значениями коэффициентов фильтрации различных грунтов:
Коэффициент фильтрации различных грунтов и характеристика их водопроницаемости (по Н.Н. Маслову)
| Грунты | Кф, м/сут | Характеристика грунтов по водопроницаемости |
|---|---|---|
| Глины, монолитные скальные грунты | < 5 ·10 −5 | Практически непроницаемые |
| Суглинки, тяжелые супеси, нетрещиноватые песчаники | до 5 ·10 −3 | Весьма слабопроницаемые |
| Супеси, слаботрещиноватые глинистые сланцы, песчаники, известняки | до 0,5 | Слабопроницаемые |
| Пески тонко- и мелкозернистые, трещиноватые скальные грунты | до 5 | Проницаемые |
| Пески среднезернистые, скальные грунты повышенной трещиноватости | до 50 | Хорошо проницаемые |
| Галечники, гравелистые пески, сильно трещиноватые скальные грунты | > 50 | Сильнопроницаемые |
Ориентировочные коэффициент фильтрации грунтов (Основания, фундаменты и подземные сооружения под. ред. Е. А. Сорочана и Ю. Г. Трофименкова, 1985 г.)
| Грунты | Кф, м/сут |
|---|---|
| Галечниковый (чистый) | >200 |
| Гравийный (чистый) | 100-200 |
| Крупнообломочный с песчаным заполнителем | 100-150 |
| Песок: | |
| гравелистый | 50-100 |
| крупный | 25-75 |
| средней крупности | 10-25 |
| мелкий | 2-10 |
| пылеватый | 0,1-2 |
| Супесь | 0,1-0,7 |
| Суглинок | 0,005-0,4 |
| Глина | |
| Торф | |
| слаборазложившийся | 1-4 |
| среднеразложившийся | 0,15-1 |
| сильноразложившийся | 0,01-0,15 |
Ориентировочные коэффициент фильтрации различных грунтов (Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений под. ред. М. И. Горбунова — Посадова 1964 г.)
| Грунты | Кф, см/с | Кф, м/сут |
|---|---|---|
| Глины нетрещиноватые | < 8,64·10 −5 | |
| Суглинки, тяжелые супеси | от 10 −6 до 10 −7 | от 8,64·10 −4 до 8,64·10 −5 |
| Супеси, трещиноватые глины | от 10 −4 до 10 −6 | от 8,64·10 −2 до 8,64·10 −4 |
| Пылеватые и мелкозернистые пески | от 10 −3 до 10 −4 | от 0,864 до 8,64·10 −2 |
| Среднезернистые пески | от 10 −1 до 10 −3 | от 86,4 до 0,864 |
| Крупнозернистые пески, галечники | от 10 -2 до 10 −1 | от 8,64 до 86,4 |
Ориентировочные коэффициент фильтрации грунтов (Механика грунтов, основания и фундаменты под ред. С. Б. Ухова, 1994 г. стр.92 )
| Грунты | Кф, см/с | Кф, м/сут |
|---|---|---|
| Пески | от а·10 −1 до а·10 −4 | от а·10 до а·10 −1 |
| Супеси | от а·10 −3 до а·10 −6 | от а· до а·10 −3 |
| Суглинки | от а·10 −5 до а·10 −8 | от а·10 −2 до а·10 −5 |
| Глины | от а·10 −7 до а·10 −10 | от а·10 −4 до а·10 −7 |
a — любое число от 1 до 9,9 (поскольку диапазон измерения коэффициента фильтрации очень велик, а точность экспериментального определения относительно невелика, обычно его находят с точностью до порядка, т.е. значением а пренебрегают)
Ориентировочные коэффициент фильтрации грунтов (Механика грунтов Н. А. Цытович, 1983 г. стр.41 )
| Грунты | Кф, см/с | Кф, м/сут |
|---|---|---|
| Супеси | от r·10 −3 до r·10 −6 | от r до r·10 −3 |
| Суглинки | от r·10 −5 до r·10 −8 | от r·10 −2 до r·10 −5 |
| Глины | от r·10 −7 до r·10 −10 | от r·10 −4 до r·10 −7 |
r — любое число от 1 до 9