Коэффициент фильтрации (Кф) демонстрирует, как быстро проходит жидкость через слой грунта при его полном водонасыщении и градиенте напора, равном единице. Измеряется он в метрах на секунду (м/с) или сантиметрах на секунду (см/с). Градиент напора вычисляется соотношением падения напора (давления) воды к толщине грунтового слоя, через который она фильтруется.
Коэффициент фильтрации определяют при всех видах строительных работ. Он помогает понять, не будет ли вода застаиваться в верхних слоях массива после осадков, подтапливать фундамент, провоцировать разрушение дорожного полотна, дамбы или плотины.
Что такое коэффициент фильтрации и водопроницаемость грунтов
Коэффициент фильтрации — это показатель, который в конкретных цифрах демонстрирует свойство водонасыщенных грунтов пропускать жидкость. Вода в массиве движется через открытые сообщающиеся поры, каверны и трещины, под влиянием градиента напора.
Закономерности фильтрации описывает закон Дарси:
Закон Дарси актуален не только для линейной, но и для объемной фильтрации. Ведь вода проходит сквозь толщу массива, который имеет свою высоту, ширину и длину. Скорость передвижения жидкости в этой ситуации будет зависеть от двух коэффициентов – фильтрации и проницаемости.
Рассчитывают ее по формуле:
Соотношение между коэффициентами фильтрации и проницаемости выражается уравнением:
На практике чаще измеряют линейную, а не объемную фильтрацию. Она дает представление о водопроницаемости грунта и не требует дополнительных данных. Но в некоторых случаях можно встретить вычисления на основе объемной скорости. Поэтому стоит знать о разнице между двумя коэффициентами – фильтрации и проницаемости.
От чего зависит коэффициент фильтрации
Водопроницаемость грунтов зависит от множества факторов.
Сильнее всего на нее влияют:
- Минеральный состав
- Гранулометрический состав
- Пористость
- Слоистость
- Состав фильтруемой жидкости
- Температура
- Гидростатический напор
Детальнее о каждом из факторов вы можете прочитать в продолжении текста.
Минеральный состав
От минерального состава зависит дисперсность – степень измельчения твердых грунтовых частиц. Например, скальные грунты из слабо выветрелых горных пород не обладают дисперсностью, у них монолитное строение. По мере разрушения в массивах появляются трещины. В процессе дальнейших преобразований порода измельчается, в ней появляются первичные и вторичные глинистые минералы. Их влияние на проницаемость грунта для воды одно из самых существенных. Всего 10% глины в песке может очень сильно снизить его проницаемость для воды.
Мелкие глинистые частицы связывают воду. Грунт перестает ее пропускать и, наоборот, начинает накапливать. Наблюдается отклонение от линейного закона фильтрации. Только под влиянием определенного начального градиента напора связанная вода может перемещаться и переходить в свободное состояние.
Самые низкие показатели фильтрации в глинах, содержащих высокие количества положительно заряженных ионов Na (например, монтмориллонитовые). Этот элемент повышает дисперсность грунта и его свойство связывать воду. Ионы Ca, Al и Fe, наоборот, повышают водопроницаемость в 95-280 раз по сравнению с Na-содержащими грунтами.
Гранулометрический состав
Высокой водопроницаемостью обладают крупнообломочные грунты и пески. Уменьшение диаметра песчаных частиц ведет к снижению показателя. У глинистых и пылеватых грунтов он перестает подчиняться линейному закону и зависит от начального градиента напора.
Больше всего на водопроницаемость влияет однородность гранулометрического состава. Самый высокий коэффициент фильтрации будет у грунтов с округлыми частицами почти одинакового диаметра. Появление более мелкого наполнителя ведет к падению показателя. Это связано с уменьшением числа пор и изменением их формы.
Пористость
Вода фильтруется через грунтовые поры. Скорость прохождения жидкости напрямую зависит от их форм и размеров. Легче всего она проникает через крупные прямолинейные трещины и пустоты, которые встречаются в трещиноватых скальных грунтах. Крупные поры характерны для гравия, галечника, щебня, гравелистых и крупнозернистых песков. Такие породы обладают хорошей водопроницаемостью.
В мелких порах вода может задерживаться, а в капиллярах – даже подниматься в верхние слои под влиянием поверхностного натяжения. Такая ситуация наблюдается в глинистых и пылеватых (лёссовидных) грунтах.
Вода также не проникает через замкнутые пустоты, которые встречаются в глинах, лёссах, скальных грунтах. Препятствуют фильтрации и пузырьки воздуха, перекрывающие мелкие поры.
Слоистость
Многие грунты имеют слоистое строение. Их частицы ориентированы в определенном направлении. От этого зависит водопроницаемость материала. Например, в ленточных глинах вода свободно проходит в горизонтальном направлении. Сверху вниз жидкость практически не проникает.
В лёссовидных грунтах слои ориентированы вертикально. Поэтому жидкость легко перемещается сверху вниз. В горизонтальном направлении лёссы плохо пропускают воду.
Состав фильтруемой жидкости
В природе не встречается чистой дистиллированной воды. В ней всегда присутствуют соли и другие химические элементы. От состава и концентрации раствора в порах зависит водопроницаемость грунта.
При наличии в воде хлоридов натрия и кальция в концентрации 140-150 г/л, коэффициент фильтрации увеличивается на порядок по сравнению с чистой водой. Это связано с тем, что соли провоцируют образование агрегатов из мелких частиц грунта, увеличивают его пористость и водопроницаемость. Если концентрация солей натрия больше 10%, показатель падает. Ионы Na способны связывать воду, увеличивают вязкость раствора.
Температура
При увеличении температуры в пределах 0-90° водопроницаемость грунта увеличивается. Наиболее интенсивно этот процесс происходит при температуре 65-75°С.
Это связано с:
- Уменьшением вязкости воды в порах
- Разрывом коллоидных связей между жидкими и твердыми компонентами грунта, переходом связанной воды в свободную
- Увеличением количества грунтовых агрегатов (слипшихся между собой зерен)
- Повышением пористости
Наиболее выражена зависимость водопроницаемости от температуры в глинах.
При снижении температуры вода в грунте замерзает, пористость уменьшается, лед препятствует прохождению жидкости. Но после оттаивания коэффициент фильтрации резко повышается.
Гидростатический напор
Гидростатический напор воды в грунте возникает из-за гравитации. Он также создается искусственно – поливом мощной струей под давлением. При высоком гидростатическом напоре проницаемость грунта для воды повышается. В скальных породах она остается неизменной на протяжении всего времени его действия.
В дисперсных грунтах коэффициент фильтрации меняется с течением времени. Сначала он увеличивается. Затем структура грунта начинает меняться. Частицы смещаются и утрамбовываются. Сложение становится более компактным, снижается пористость, что ведет к падению водопроницаемости.
Полную версию данной статьи вы найдете на этой странице.
Также мы рекомендуем ознакомиться с другими полезными статьями на нашем сайте.
#грунты #полезные советы #свойства грунтов #коэффициент фильтрации #характеристики грунтов #строительные советы #грунт #строительный грунт #коэффициент фильтрации грунтов #водопроницаемость грунта