Методы определения коэффициента фильтрации грунтов

Коэффициент фильтрации определяют непосредственно на участке или в лаборатории. О каждом способе вы можете прочитать дальше.

Полевые методы исследования коэффициента фильтрации

Непосредственно на участке получают наиболее точные результаты. Коэффициент фильтрации определяется на всем массиве, а не на отдельном образце небольшого объема. Исследуемый грунт должен быть сухим. Поэтому лучшее время проведения изысканий – летние месяцы (конец июня, июль, август).

Порядок работы описан в ГОСТ 23278-2014.

Полевые методы исследований, которые применяются для определения коэффициента фильтрации:

• Опытная откачка (налив) – кустовая либо одиночная
• Налив в шурф
• Нагнетание воды в скважины интервалами
• Расходометрия скважин

Методы предназначены для разных зон грунтового массива. Два первых считаются основными, остальные – дополнительными.

Правила описаны в таблице.

Опытная откачка (налив)

В центре массива оборудуется скважина, достигающая водоносного горизонта (грунтового пласта, в котором накапливается влага). Воду будут откачивать из нее или наливать внутрь. Скважину оснащают фильтрами и отстойником.

Фильтры не обязательны, если исследуются свойства прочных скальных грунтов. В массивах дисперсных грунтов вокруг них делают обсыпку из песка или ПГС, очищенного от глинистых и пылеватых частиц. Верхняя часть обсыпки должна находиться над фильтрами.

Требования к центральной скважине:

• Диаметр – от 219 мм
• Диаметр фильтра – от 168 мм
• Длина фильтра – 6 м (для интервальных испытаний – 3 м); в маломощных массивах допускается длина, равная толщине водоносного слоя
• Длина отстойника – от 1,5 м

Рядом с центральной оборудуют несколько наблюдательных скважин. Они должны отходить в разные стороны от центра, как лучи. Такой метод называется кустовым.

Требования к наблюдательным скважинам:

• Диаметр – до 132 мм
• Диаметр фильтра – от 89 мм
• Длина фильтра – от 3 м

Правила установки скважин для наблюдения:

• В скальных массивах делают один луч из трех наблюдательных скважин.
• Если в массиве выражена анизотропия (слои направлены в разные стороны, под разными углами), необходимо установить два луча скважин.
• Самую близкую от центральной скважину располагают на расстоянии 2-5 м.
• Дальнюю скважину устанавливают на расстоянии от центра, равном 1,5 толщины грунтового массива.
• Если массив неоднородный, рядом с наблюдательными скважинами устанавливают дополнительные с ярусными фильтрами. Расстояние от центральной скважины к дополнительной равно 0,8 толщины массива.
• Две скважины для наблюдения с укороченными фильтрами устанавливаются под свободной поверхностью массива. Они опускаются в безнапорный и субнапорный пласты. Рядом с ними находятся скважины с фильтрами, достигающими нижних слоев водоносного горизонта.
• Еще две наблюдательные скважины оборудуют в соседних водоносных пластах (сверху и снизу от исследуемого). Важно следить, чтобы вода из них не перетекала в основные.

Длительность откачивания или налива воды в напорном слое (ограниченном сверху водоупорной породой) – 3 суток, в безнапорном и субнапорном – 7 суток. Допускается увеличение времени опыта до двух недель.

При одиночной опытной откачке устанавливают одну скважину для отведения или налива воды.

Ее параметры:

• Диаметр – от 168 мм
• Диаметр фильтра – от 108 мм
• Длина фильтра – от 3 м
• Длина отстойника – от 1,5 м

Продолжаться одиночная откачка, или налив должна не меньше, чем 8 часов.

Оборудование

Для полевых исследований необходимо следующее оборудование:

• Насос с водоподъемником для откачки воды; жесткая трубка для налива
• Приборы, измеряющие уровень воды и ее расход
• Приспособления, с помощью которых воду подводят к скважине или отводят от нее
• Пьезометрическая труба, через которую спускают измерительные приборы; она будет хранить аппаратуру от повреждений

Для обработки результатов исследований обязательно готовят рабочее место со столом и стульями, переносными компьютерами.

Подготовительная работа

Перед началом опытов в полевых условиях проводят следующие подготовительные работы:

• В земле бурят скважины, очищают их и устанавливают фильтры.
• Скважину прокачивают в течение 2 часов, пока из нее не будет вытекать чистая вода.
• Измеряют уровень жидкости.
• Верхние части труб прикрепляют к скважинам. От них будут измерять уровень воды.
• Устанавливают измерительную рейку.
• Монтируют оборудование для налива, откачивания и отведения воды.
• Приборы для измерений устанавливают и налаживают.
• В течение двух часов воду откачивают и следят за ее уровнем. Это пробная откачка для проверки работы скважины и оборудования.
• Затем смотрят, когда уровень воды после пробного откачивания восстанавливается. Для наблюдений в массивах с коэффициентом фильтрации больше 2 м/с выделяют 4 часа, с меньшим – 10 часов.

Во время испытаний можно делать плановые остановки водоотводного оборудования, но не более, чем через сутки после начала опыта. Первая остановка должна длиться до 10 мин, последующие (через 2 суток) – до 30 мин.

Скважина должна иметь изоляцию, чтобы предотвратить перетекание воды. Откачанную воду следует отводить в такое место, где она не будет влиять на результаты опыта.

При полевых испытаниях обязательно нужно наблюдать за уровнем подземных вод вне зоны их проведения и на горизонтах, расположенных по соседству с участком. При необходимости следят за уровнем ближайшего водоема.

Порядок работ

Перед началом работы необходимо обязательно проверить, на каком уровне расположена вода в скважине.

Дальше в журнале фиксируют следующую информацию:

• Изменение уровня воды при ее откачивании, наливе, а также после прекращения работы
• Изменение уровня воды в близлежащем водоеме
• Данные о функционировании аппаратуры
• Погоду, осадки, паводки, атмосферное давление
• Аварии
• Графики с изменениями высоты водного столба в скважине, давления, объемов налива и откачки
• Углубление или измельчание скважин после откачки (налива)

При откачивании важно следить, чтобы фильтры и насосы не становились сухими, а при наливе – чтобы вода не переливалась.

Расход и уровень воды фиксируют через определенные промежутки времени:

• Первые 6 минут – ежеминутно
• 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 – ежечасно
• После 10 часов – каждые 2 часа

Через такие же промежутки времени фиксируют восстановление уровня воды после завершения испытаний. В самом конце проводят контрольную откачку или налив, для проверки фильтров.

Налив воды в шурф

Метод налива воды в шурф используют, чтобы определить фильтрацию в зоне аэрации, толщина которой превышает 2 м. Сначала определяют влажность, объемный вес, влагоемкость, гранулометрический состав грунта и высоту капиллярного подъема в массиве.

Методика подходит для однородных грунтов с приблизительно равными размерами зерен. Массив промачивают выше уровня капиллярной каймы.

Существует несколько вариантов испытаний:

• С постоянным напором
• Со стабилизированным расходом воды
• С нестабильным расходом воды
• С одномоментным наливом, когда уровень воды в шурфе понижается свободно

Оборудование

Для исследования необходимы:

• Концентрические кольца диаметром 35-50 см (инфильтрометры)
• Прибор для подачи жидкости в инфильтрометр
• Бур для скважины с возможностью определения глубины промачивания массива
• Место для обработки результатов, оборудованное компьютером

Порядок работы

В массиве проделывают шурф и отсыпают его крупным песком. На дно ставят кольца и вдавливают их на глубину 2 см. Внешний диаметр инфильтрометра засыпают грунтом. Подготавливают систему, через которую будет подаваться вода и измеряться ее уровень.

Когда все готово, переходят непосредственно к испытанию:

• Кольца заполняют водой на 10-20 см.
• Подают воду без перерывов, чтобы поддерживать ее постоянный уровень.
• Постоянно контролируют расход и высоту водного столба в инфильтрометре. На протяжении первого часа это делают каждые 10 мин, дальше – каждые 20-30 мин. Погрешность не должна превышать 5%, а перепады уровня – 1 см.
• Если проводится налив с постоянным напором, строится график зависимости расхода воды (Q) от времени проведения эксперимента (t), а также от объема воды, накопившейся в грунте за все время опыта (W).
• Исследование прекращают через 6 часов после того, как расход жидкости стабилизировался или график зависимости QW вышел на прямую.
• При методе со свободным снижением уровня график выстраивают на основе зависимости высоты столбика воды в кольце (h) от времени (t). Исследование в этом случае прекращают, когда инфильтрометр станет сухим.

Нагнетание воды в скважины

В природе редко встречаются однородные массивы грунтов. Кроме того, под напором воды их проницаемость изменяется. Чтобы зафиксировать коэффициент фильтрации и его изменения в таких условиях, используется методика нагнетания воды в скважины.

Для нагнетания воды применяют 2 способа:

• С напором 10 м водного столба – для изучения разницы фильтрации в разных слоях массива
• Под давлением 100 м водного столба – для определения изменений показателя вследствие воздействие гидростатического напора

Оборудование

Для проведения работ понадобятся:

• Изоляционный тампон
• Трубы для воды
• Прибор для регулировки расхода жидкости
• Измерительный прибор, определяющий силу напора, расхода жидкости и ее уровень
• Насосы

Порядок работы

В грунте делают скважину и изолируют ее тампонами. Затем монтируют установку, через которую будут нагнетать воду. На протяжении четверти часа в скважину наливают воду, чтобы проверить работу оборудования.

Нужного напора достигают увеличением его силы одной или несколькими ступенями. При этом перерывы между ступенями должны быть минимальными, а давление стабильным. Каждые 10 минут проверяют уровень воды, ее расход, контролируют изоляцию. На протяжении часа расход воды должен стать стабильным. При нагнетании под давлением 100 м водного столба стабилизацию нужно зафиксировать спустя 10 минут.

Данные об изменениях напора воды и ее расхода во времени вносят в график.

Метод расходометрии

Методику используют в неоднородных массивах, чтобы выявить участки с повышенной водопроницаемостью. Перед началом работ скважины прокачивают и укрепляют их стенки.

Оборудование

Для расходометрии понадобятся:

• Приспособление для спуска в скважину расходометра (прибора, измеряющего объем и массу расходуемой жидкости)
• Оборудование для налива либо откачивания воды
• Расходометр с измерительным пультом
• Каверномер-профилемер для определения диаметра скважины и объема пространства за ее пределами, контролирования технического состояния, поиска каверн и желобов
• Прибор для контроля уровня воды
• Источник электрического тока

Допустимые погрешности аппаратуры:

• Расходометр с порогом чувствительности не больше 0,05 л/с – 2,5%
• Прибор, определяющий уровень воды, – не более 1 см или 0,1%

Порядок работ

Сначала монтируют оборудование, прокачивают скважину, замеряют ее глубину после монтажа и настоящий диаметр (без поправки на оборудование). Затем измеряют расход воды при спуске расходометра на разную глубину. После завершения подготовительных работ ждут, когда уровень воды в скважине стабилизируется.

После подготовительной работы переходят к непосредственному исследованию. Его проводят двумя способами – динамическим и статическим. В первом случае расходометр опускается в скважину без пауз, во втором – ступенями по 0,2-10 м.

Динамический способ:

• Запускают опытную откачку или налив.
• Режим фильтрации определяют постоянными замерами уровня воды.
• При спуске расходометра записывают сигнал, констатирующий расход воды, чтобы выявить его резкое увеличение либо уменьшение (динамическая расходометрия).
• Чтобы определить, на какой глубине проводить опыт, ориентируются на данные замеров каверномера и расходометра.
• Контролируют количество жидкости, которую залили в скважину.
• Все полученные данные записывают в журнал.

Статический метод:

1. Наливают либо откачивают воду. Выжидают 5-10 минут и начинают измерения.
2. Выбирают глубину определения расхода воды с учетом данных, полученных при исследовании скважины каверномером и после пробного налива (откачки) воды.
3. Расходометр стараются не размещать в местах, где скважина резко меняет диаметр. В точках, где расход воды значительно изменяется, ступень продвижения измерительного прибора сокращают до 0,2-1 м.
4. Каждую ступень выдерживают до момента, когда крыльчатка расходометра перестанет вращаться. По скорости ее вращения и определяется расход воды. Погрешность при измерении не должна превышать 10%.
5. Параллельно с основными измерениями проводят контрольные. Их количество должно быть не меньше 10% от числа основных. Погрешность, определенная при контрольных измерениях, не должна превышать 2,5%.
6. Данные расходометрии фиксируют на графике.

После завершения испытаний рассчитывают коэффициент фильтрации по формуле Дарси, приведенной выше.

Лабораторные методики определения коэффициента фильтрации

В лаборатории изучают образцы как с ненарушенным сложением, так и с заданными параметрами плотности и пористости.

Предварительно в них определяют:

• Влажность
• Плотность частиц
• Плотность скелета (высушенного грунта с естественным сложением)
• Коэффициент пористости
• Коэффициент водонасыщения
• Плотность на границе текучести и раскатывания (для глинистых грунтов)

На первом этапе образцы насыщаются водой, которую подводят снизу. Пески исследуют при стабильном или переменном градиенте напора, глинистые грунты – только при переменном и заданном давлении. При насыщении водой глины важно следить, чтобы она не набухала.

Воду для эксперимента берут непосредственно с массива, определив предварительно состав. Минерализация не должна превышать 2 г/л. Допускается также использование обычной питьевой воды. Из нее нужно удалить пузырьки воздуха, прокипятив, отстояв сутки или поместив в вакуумную установку.

Определение коэффициента фильтрации песчаных грунтов при постоянном напоре

Этим методом определяют показатель в песчаном грунте.

Оборудование и приборы

Для проведения опыта лаборатория должна быть оснащена следующими приборами:

• Фильтрационным прибором
• Лабораторными аналитическими весами
• Термометром (погрешность измерения температуры не должна превышать 0,5°С)
• Секундомером
• Прямым стальным ножом
• Лопаткой
• Винтовым прессом
• Плоскими гладкими пластинками

Фильтрационный прибор состоит из:

• Прямого полого цилиндра с заостренным краем
• Дна с перфорациями
• Латунной муфты
• Баллона с мерной шкалой для определения объема фильтрующейся воды
• Устройства для насыщения влагой грунта и регулировки градиента напора с подставкой, винтом и градуированной шкалой
• Корпуса

Подготовка к испытаниям

Грунт и воду выдерживают в помещении, чтобы довести их температуру до комнатной. Цилиндр извлекают из фильтрационного прибора, взвешивают и заполняют его испытуемым материалом.

Правила засыпки грунта с ненарушенным строением:

1. Поверхность выравнивают.
2. Цилиндр ставят сверху и заостренным концом обозначают границы испытуемого образца.
3. Материал срезают по обозначенным границам, чтобы образовался столбец с диаметром на 0,5-1 мм большим, чем диаметр цилиндра. Высота столбца около 10 мм.
4. Одновременно со срезанием грунта на столбец насаживают цилиндр, не допуская перекосов.
5. Верхний край образца зачищают и накрывают его пластиной вместе с цилиндром.
6. Цилиндр переворачивают и закрывают второй конец пластиной.
7. Емкость взвешивают с грунтом и пластинами, определяют плотность материала.

Если нет возможности определить плотность пробы с ненарушенным сложением, коэффициент фильтрации определяют при предельно рыхлом и плотном состоянии. В первом случае грунт засыпают в цилиндр с высоты 5-10 см, во втором – заполняют емкость слоями по 1-2 см и трамбуют их постукиванием по стенкам.

Заполнение цилиндра материалом с нарушенным сложением:

1. Надевают на цилиндр латунное дно с перфорациями.
2. Засыпают грунт слоями по 1-2 см.
3. Вычисляют нужную массу материала по одной из формул:

После заполнения цилиндра корпус фильтрационного прибора заполняют водой до отметки градиента напора 1. На цилиндр надевают латунное дно с перфорированной сеткой, если это не было сделано до засыпки грунта. Постепенно емкость опускают в корпус до отметки градиента напора 0,8. Когда грунт увлажнится, на цилиндр натягивают муфту и с помощью грунта полностью его опускают. Образец оставляют на 15 минут, чтобы достичь полного водонасыщения. Затем переходят к непосредственным опытам и вычислениям.

Порядок работы

Скорость фильтрации определяют ступенями. Сначала цилиндр поднимают до отметки градиента напора 0,2. Специальный баллон с отметками объема заполняют водой, закрывают горлышко пальцем и переворачивают на поверхность грунта. Затем палец отодвигают, чтобы вода свободно стекала в грунт.

Когда уровень воды в баллоне достигнет ровной отметки (например, 20 см3), включают секундомер. Засекают время до момента, когда жидкость опустится до следующей ровной отметки (например, 19 см3). Опускают цилиндр и повторяют эксперимент при других градиентах напора – 0,4; 0,6; 0,8; 1. Данные записывают в журнал.

Обработка результатов

Сначала определяют скорость фильтрации для каждого из опытов с разным градиентом напора по формуле:

Данные скорости фильтрации заносят в график, где на оси ординат отмечена скорость (v), а на оси абсцисс – градиент напора (J). Если исследования проведены корректно, соединенные точки образуют прямую линию.

Вычисляют коэффициент фильтрации для каждого опыта:

Если испытания проводились при температуре 10°С, рассчитывают коэффициент фильтрации К₁₀:

Определение коэффициента фильтрации песчаного грунта при переменном напоре

Для проведения исследований понадобятся:

• Фильтрационный прибор
• Весы
• Термометр
• Секундомер
• Посудина для воды на 8-10 л
• Линейка из металла на 300 мм
• Нож с прямым стальным лезвием

Фильтрационный прибор состоит из цилиндрической трубки, съемного дна из латуни, пьезометра с делениями, подставки для трубки, поддона и стакана.

Подготовка к испытаниям

Грунт и воду доводят до комнатной температуры. Цилиндрическую трубку взвешивают и засыпают в нее испытуемый материал, чтобы получился столбик высотой 100 мм. Повторно взвешивают уже заполненную посудину и определяют плотность грунта.

На поверхность грунта укладывают гравий фракции 2-5 мм. Толщина слоя должна быть 5-10 мм. Трубку ставят на подставку, а затем в стакан, который медленно наполняют водой. Когда жидкость поднимется на 10-15 мм выше гравия, доливают дополнительную порцию, чтобы она заполнила третью часть посудины. После этого трубку вместе со стаканом устанавливают на поддон.

Проведение испытания

В трубку доливают воду, чтобы она поднялась на 5 мм выше отметки «0». Дальше ждут, когда столбик опустится до «0», и включают секундомер. Затем фиксируют время, за которое уровень жидкости снижается на 10 мм, 20 мм, 30 мм, 40 мм, 50 мм. Вода не должна находиться ниже слоя гравия.

Если снижение уровня жидкости на 50 мм длится больше 10 минут, испытание проводят при большем градиенте напора. Трубку с грунтом для этого вынимают из стакана и ставят просто на поддон.

Обработка результатов

Все результаты испытаний вносят в журнал. На их основании строят график.

На оси ординат графика откладывают значения, высчитанные по формуле ln*(Ho/Ho-S), где ln – натуральный логарифм, Но – начальная высота уровня воды в пьезометре, S – высота, на которую снизился уровень воды.

На оси абсцисс откладывают значения Сt, где t – время, за которое водный столбик снизился на высоту S. С высчитывают по формуле С=Fk/Fnlk, где Fk – площадь сечения грунтовой пробы, Fn – площадь сечения трубки над пробой, lk – высота грунтовой пробы.

На графике фиксируют точки, которые затем соединяют линией. При правильно проведенных испытаниях она получается прямой.

Коэффициент фильтрации при комнатной температуре вычисляют по формуле Кф= ln*(Ho/Ho-S)/Сt. Кф10 вычисляют по формуле К₁₀=864*(К/Т), которая использовалась в предыдущей методике.

Коэффициент фильтрации глинистых грунтов

Опыты проводятся в фильтрационно-компрессионных установках, которые позволяют создавать нагрузку и переменный градиент напора.

Детали фильтрационно-компрессионной установки:

• Поддон с посудиной, в которую через боковой кран (штуцер) подается вода
• Кольцо с острым нижним краем для срезки грунта
• Металлический фильтр, через который свободно поступает и отводится жидкость
• Крышка для кольца
• Пьезометры (полые трубки с делениями); их стандартный диаметр – 0,4 см (для быстрой фильтрации его увеличивают до 1 см, для медленной уменьшают до 0,1-0,2 см)
• Прибор, предотвращающий набухание глины (арретир)
• Измерительный прибор с делениями по 0,01 мм, фиксирующий вертикальную деформацию
• Приспособления для создания вертикальной нагрузки

Все детали установки герметичные, в них не должно быть защемленных воздушных пузырьков. Изготавливают элементы из нержавеющего металла. Прибор должен обеспечивать и сохранять определенный градиент напора и стабильное давление. Вода в установку может подаваться как сверху, так и снизу. Образец нагружается строго по центру, давление передается непрерывно или ступенями.

Подготовка к испытаниям

Грунт и воду доводят до комнатной температуры. Кольцо смазывают изнутри жиром, ставят на выравненную поверхность грунта и отделяют столбик, как описано в предыдущих испытаниях. Обязательно учитывают природное расположение слоев в массиве. От этого будет зависеть величина коэффициента фильтрации.

Сверху и снизу грунт прикрывают увлажненной фильтровальной бумагой, вырезанной кружком с диаметром, равным диаметру кольца.

Кольцо устанавливают на металлические фильтры, закрывают прокладками и крышкой, зажимают гайками. Опускают на образец арретир, чтобы предотвратить набухание. При испытании с нагрузкой дополнительно устанавливают упор, индикатор и стойку с держателем.

Пьезометр подключают к верхнему крану (при изучении фильтрации сверху вниз) или нижнему крану (для фильтрации снизу вверх). Свободный кран прикрепляют шлангом из резины к посудине с водой, расположенной у верхнего края пьезометра или над ним.

После завершения монтажа открывают кран, соединенный с посудиной, наполненной водой, и начинают насыщать грунт влагой. Супеси увлажняют 2 суток, суглинки – 5 суток, глины – по индивидуальному плану. Процедура не нужна, если природное водонасыщение грунта превышает показатель 0,98.

Кран перекрывают, когда грунт полностью насытится влагой. Дальше заливают материал в пьезометре водой из верхнего крана до самой крышки. Давление струи увеличивают ступенчато.

При опытах с грунтом нарушенного сложения его сначала разминают, чтобы не оставалось комков с диаметром больше 2 мм.

Массу материала с природной влажностью высчитывают по формулам m=Vρ или m=V*(1+ω/1+e)*ρs.

При испытаниях высушенного грунта для определения массы используют формулу:

Дальше грунт взвешивают, отбирают нужное количество материала и трамбуют его в кольце. При необходимости пробу прессуют.

Порядок работы

Пьезометр наполняют водой и устанавливают стартовый напор (по разнице уровней в пьезометре и сливе). Далее подключают кран (нижний при восходящем потоке, верхний – при нисходящем). Затем наполняют еще один пьезометр и ставят его рядом, чтобы контролировать испарение.

Кран, который соединяет пьезометр с фильтрационно-компрессионным прибором, и кран слива откручивают. Засекают момент начала фильтрации. Через ровные отрезки времени измеряют температуру воды и воздуха с точностью до 0,5°С.

Периодически фиксируют уровень воды в двух пьезометрах. При быстрой фильтрации это делают каждые 5, 10, 15, 30 и 60 минут, при медленной – после начала и в конце рабочего дня. Записей об уровне жидкости в течение всего исследования должно быть не меньше шести.

Если вода опускается на одно деление быстрее, чем за 40 с, его заменяют на более узкий. Испарение фиксируют на дополнительном пьезометре. Затем вычитают его значение из показателя фильтрации (снижения уровня жидкости в главной трубке).

Вычисление результатов

На основе данных опытов строят график. Его принцип такой же, как и при испытании с переменным градиентом напора. Коэффициент фильтрации рассчитывают по формуле Кф= ∆ln*(Ho/Ho-S)/∆Сt, где ∆ln*(Ho/Ho-S) и ∆Сt – разница между координатами двух точек на прямой линии графика.

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