Определение коэффициента фильтрации грунта

Водопроницаемость - способность грунта пропускать сквозь себя воду. Движение воды по порам грунта обусловлено влиянием гравитационных сил и внешних воздействий. Численно водопроницаемость характеризуется коэффициен­том фильтрации грунта k_Ф, представляющим собой скорость фильтрации воды при гидравлическом уклоне (градиенте), равном единице.

Количество воды Q , протекающей через поперечное сечение площадью А в течение времени t при ламинарном (параллельнно-струйном) движении, по закону Дарси равно:

, ( 12 )

где k_Ф- коэффициент водопроницаемости (фильтрации); J -гидравлический уклон (градиент), равный отношению потери напора Н к длине пути фильтрации l:.

. ( 13 )

Следовательно, скорость фильтрации

, ( 14 )

откуда

, ( 15 )

т.е. при J=1 коэффициент фильтрации численно равен V . Поэтому величина k_Ф определяется в следующих единицах: см/с, м/сут, см/год и т.д, и при одинаковых условиях зависит, главным обра­зом, от пористости, давления, гранулометрического и минералоги­ческого составов.

Средние значения k_Ф для различных грунтов при давлении 0,1÷0,2 МПа представлены в табл. 12.

Таблица 12

Средние значения коэффициент фильтрации для различных грунтов

Тип грунта	Коэффициент фильтрации kФ, см/с
Пески	10-1÷10-4
Супеси	10-3÷10-6
Суглинки	10-5÷10-8
Глины	10-7÷10-10

При k_Ф = 10^-6 см/с грунты практически считаются водоупором.

Переход от одной единицы измерения величины k_Ф к другой: см/с = 864 м/сут; см/с=3*10⁷ см/год = 3*I0⁵ м/год.

Коэффициент фильтрации используется в расчетах при определении притока грунтовой воды в строительные котлованы, буровым скважинам, утечек воды из водохранилищ, консолидации водонасыщенных грунтов (времени затухания осадки фундаментов), в раз­личных фильтрационных расчетах, при проектировании дренажей, фильтров и т.д.

Существует несколько методов определения величины k_Ф, которые можно объединить в три группы: полевые, лабораторные и по эмпирическим формулам. При лабораторных исследованиях k_Ф для песков и глин определяют с помощью различных приборов. Дан­ная лабораторная работа выполняется для песков с помощью прибо­ра КФ-01 (рис.4).

Определение значений коэффициента фильтрации для пылевато-глинистых грунтов производится c помощью одометра (компрессионного прибора) по рекомендациям [ 8 ].

Необходимое оборудование: прибор КФ-01, термометр, секундомер, глубокая тарелка (поддон).

Методика определения. 1. Заполнить фильтрационную трубку 4 грунтом 9 и надеть на нее муфту 2 и упорное дно 5, предваритель­но положив на торцовые поверхности грунта латунные сетки 3 и 6 (рис. 4). Если испытывается грунт с естественной структурой, трубка задавливается в монолит грунта. Грунт с нарушенной структурой засыпается в трубку с послойныи трамбованием до получения необходимой пористости. При опытах с тонкозернистыми песками на дно трубки насыпают буферный слой песка из фракций 0,5÷0,25 мм на высоту 2÷3 мм.

2. Вставить трубку упор­ным дном во внешний стакан 7 на кольцевую подставку, соеди­ненную со шкалой напорного гра­диента 10. Винтом 9 установить нужный напорный градиент, следя за совмещением соответствующего деления на шкале 10 с верхом внешнего стакана. Заполнить внешний стакан водой и поставить на тарелку. 3. В течение 3÷4 мин небольшими порциями осторожно наливать воду на верхнюю сетку 3, пока вода не начнет выливаться из внешнего стакана. Это покажет, что грунт находится в состоянии полного водонасыщения, а вода в его порах – гидравлически непрерывна. 4. Заполнить мерный баллон водой и измерить ее температуру. Закрыть отверстие баллона большим пальцем и, быстро опроки­нув, вставить в муфту 2 до соприкосновения с сеткой 3. В таком

Рис.4. Схематический разрез прибора КФ-01 для опре­деления коэффициента фильтрации песчаных грунтов:1 - мерный баллон; 2 - муфта; 3 и 6 - ла­тунные сетки; 4 - фильтрационная трубка; 5 - упорное дно; 7 - внешний стакан; 8 - обра­зец грунта; 9 - винт для верти­кального перемещения фильтрационной трубки; 10 – шкала напорного градиента; 11 – поддон

виде баллон автоматически поддерживает над грунтом постоянный уровень воды в 1÷2 мм. Когда последний вследствие фильтрации понижается, в баллон прорывается пузырек воздуха и соответствующее количество воды вытекает из него. Этим достигается постоянство напорного градиента. Если в баллон прорываются крупные пузырьки воздуха, значит, горлышко находится на значительном расстоянии от поверхности грунта. В этом случае баллон следует опустить ниже и добиться равномерного просачивания мелких пузырьков воздуха.

5. Достигнув равномерного появления мелких пузырьков воздуха в баллоне, определите время t, в течение которого профильтруется количество воды Q=10 мл. Определения произвести при двух различных положениях уровня воды в баллоне.

6. Изменить напорный градиент, долить воду во внешний стакан и повторить операции, описанные в п.5, а при необходимости - и в п.4.

7. Вылить воду из мерного баллона. Данные занести в журнал (табл. 14) и определить значение k₁ по табл. 13 или по формуле

, ( 16 )

где Q – расход воды, равный 10 мл; А – площадь поперечного сечения цилиндра, равная 25 см²; J – напорный градиент;  - температурная поправка ; t^ - температура фильтрующейся воды, С; 864 – переводной коэффициент (из см/с в м/сут).

Таблица 13

Величина k₁ для определения коэффициента фильтрации песков

№ п/п	Температура фильтрующейся воды, t С	Величина k1 при значениях
		J= 0,6	J= 0,8	J= 1,0
1	10	576,0	432,0	345,6
2	11	559,2	416,3	335,5
3	12	543,3	407,5	325,9
4	13	528,4	396,3	317,0
5	14	514,3	384,8	308,6
6	15	500,9	375,6	300,4
7	16	488,1	366,1	292,9
8	17	476,0	359,8	285,6
9	18	464,5	348,3	278,6
10	19	453,4	340,1	272,1
11	20	443,0	332,3	265,8
12	21	433,1	324,8	259,8
13	22	423,5	317,6	254,1
14	23	414,3	310,3	248,6

Таблица 14

Результаты определения коэффициента фильтрации песка

№ п/п	J напорный градиент	Температура фильтрующейся воды, t С	Время фильтрации t, с	Коэффициент k1	Примечание
1 2 3					А=25 см2 Q=10 мл

2. Определить коэффициент фильтрации k_Ф, м/сут:

, ( 17 )

где t- время фильтрации, с.

За величину k_Ф принять среднее арифметическое значение из полученных результатов. Результат сравнить с величинами, представленными в табл. 12.

Примечания: 1. Температурная поправка вводится потому, что вязкость воды зависит от температуры, которая в реальных условиях бывает около 10С.

2. Так как студенту предлагается заряженный прибор при выполнении данной работы, п. 1 исключается.

3. Величину J рекомендуется принимать равной 1,0; 0,8; 0,6, чтобы можно было воспользоваться для расчетов данными из табл. 13.

Лабораторная работа № 7