Коэффициент фильтрации грунта

Коэффициент фильтрации — это характеристика водопроницаемости грунта, равная скорости фильтрующейся воды при единичном градиенте напора. (согласно п.3.1 ГОСТ 25584-2016). Коэффициент фильтрации измеряется в м/с или см/с, однако так как он является маленькой величиной, часто используют такую единицу измерения как: м/сут. Градиент напора — это отношение давления воды к толщине фильтруемого грунта. При строительстве или дорожных работах вычисление коэффициента фильтрации имеет очень большое значение и позволяет определить: возможность застоя воды наверху грунта после осадков, затопления фундамента, разрушения дорог или дамб.  

Содержание статьи:

• Особенности определения
• Факторы, влияющие на коэффициент фильтрации
• Способы расчета
• Практическое применение коэффициента фильтрации

Особенности определения

Коэффициент фильтрации — величина, демонстрирующая способность грунтов, насыщенных водой, пропускать жидкость. Движение воды происходит по открытым сообщающимся порам, кавернам и трещинам, под действием градиента напора.
Процесс фильтрации описывается линейным законом Дарси, который выражает зависимость скорости фильтрации от градиента напора.

У пористой среды имеется толщина, ширина и длина. Рассчитывая объемную скорость передвижения жидкости по формуле нужно учитывать соотношение между коэффициентом фильтрации и коэффициентом проницаемости жидкости, которое вычисляется с помощью уравнения.
Коэффициент фильтрации грунтов является одним из важных параметров, используемых для оценки и определения их гидрогеологических свойств. Этот коэффициент определяет скорость фильтрации воды через грунтовую среду и имеет важное значение для различных инженерно-геологических расчетов и проектирования.

Коэффициент фильтрации грунтов зависит от множества факторов, включая тип грунта, его пористость, проницаемость, гранулометрический состав и влажность. Другими словами, он характеризует способность грунта пропускать воду через свою структуру.

Для получения информации о коэффициенте фильтрации грунтов проводятся различные исследования. Одним из наиболее распространенных методов является использование полевых испытаний, таких как испытания фильтрации или испытания на проникновение воды. В этих испытаниях измеряются время и скорость проникновения воды через грунтовую среду в специально созданных сечениях или скважинах.

Факторы, влияющие на коэффициент фильтрации

Грунты различаются согласно ГОСТ 25100-2020. водопроницаемость грунтов зависит от:

• Минерального состава
• Гранулометрического состава
• Пористости
• Слоистости
• Состава фильтруемой жидкости
• Температуры
• Гидростатического напора

Минеральный состав

Состав влияет на дисперсность – степень измельчения твердых частиц грунта. У грунтов из горных пород нет дисперсности, потому что они монолитные. Со временем массив разрушается с появлением трещин. Дальнейшие преобразования приводят к измельчению породы и появлению первичных и вторичных глинистых минералов, существенно влияющих на водопроницаемость грунта. Грунт с мелкими частицами глины не пропускает воду, и она начинает накапливаться — нарушается линейный закон фильтрации. Благодаря начальному градиенту напора подземная вода начинает свободно перемещаться. Наиболее низкая фильтрация у глины (например, у монтмориллонитовой) с содержанием большого количества положительных ионов натрия, благодаря которым повышается плотность грунта. С помощью ионов Ca, Al увеличивается коэффициент фильтрации грунта.

Гранулометрический состав

У песчаных и крупнообломочных грунтов высокая водопроницаемость, которая снижается с уменьшением размера составляющих грунта. Водопроницаемость глинистых и пылеватых грунтов не подчиняется закону Дарси. Большое влияние на коэффициент фильтрации оказывает однородность гранулометрического состава. Самой высокой водопроницаемостью обладают грунты с круглыми одинаковыми частицами. Наличие мелких элементов приведет к ее снижению из-за уменьшения количества пор и изменения размера.

Пористость

Во время фильтрации воды, ее скорость зависит от формы и размера грунтовых пор. Просачиваться легче через пустоты в водопроницаемых породах и песках, в глинистых и пылеватых (лёссовидных) грунтах – она поднимается или задерживается из-за пузырьков воздуха, а в замкнутые пустоты глины, лёсса, монолитные грунты — не проникает.

Слоистость

Частицы многих грунтов со слоистым строением ориентированы в определенное направление, благодаря которому увеличивается коэффициент фильтрации. В ленточных глинах вода свободно протекает только горизонтально, а в лёссовидных грунтах с вертикальной ориентацией слоев — легко только в этом направлении.

Состав фильтруемой жидкости

В природных условиях не существует кристально чистой воды. В ее состав входят элементы, от которых зависит скорость проницаемости. Благодаря хлоридам натрия и кальция, которые образуя агрегаты из мелких частиц грунта, приводят к росту его пористости. Однако при 10% концентрации солей натрия, водопроницаемость снижается из-за увеличения вязкости и связывания воды.

Температура

В результате нагрева до температуры от 0 до 90° коэффициент фильтрации растет из-за:

• Уменьшения вязкости в порах
• Разрыва коллоидных связей
• Увеличения числа агрегатов
• Повышения количества пор

При пониженной температуре пористость уменьшается из-за замерзания воды и препятствия льда. Благодаря таянию значение коэффициента фильтрации растет.

Гидростатический напор

Гравитация приводит к гидростатическому напору. Его можно создать с помощью струи с высоким давлением. От высокого гидростатического напора повышается водопроницаемость. Значение может оставаться неизменным, или увеличиваясь, из-за смещения частиц структура грунта уплотняется, поэтому в дальнейшем происходит снижение.

Способы расчета

Водопроницаемость определяется при проведении испытаний как на строительной площадке, так и лабораторным путем.

Для точных значений водопроницаемости исследуют сухой грунт.
В соответствии с правилами и требованиями ГОСТ 23278-2014 на разных зонах грунтового массива проводятся замеры, с использованием методов в виде:

• Кустовой либо одиночной на основе опытной откачки (налива)
• Налива в шурф
• Нагнетания воды в скважины интервалами
• Расходометрии скважин
  

Два первых метода — основные, остальные – дополнительные.
Лабораторная методика
В лаборатории перед изучением образцов с ненарушенным сложением, с заданной плотностью и пористостью определяют:

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

В ходе проведения опыта к образцам снизу добавляют кипяченую питьевую воду без воздуха, отстояв сутки или поместив в вакуумную установку, также можно из массива, чтобы ее минерализация не превышала 2 г/л. Песок и торф исследуются в условиях стабильного или переменного градиента напора, глинистые грунты – только с переменным и заданным давлением. Во время насыщения водой за глиной необходимо следить, чтобы она не набухала. Супеси следует увлажнять 2 суток, суглинки – 5 суток.

Практическое применение коэффициента фильтрации

Коэффициент фильтрации грунтов имеет практическое применение в различных отраслях, включая гидрогеологические исследования, проектирование инженерных сооружений, обработку воды, а также в строительстве и охране окружающей среды. Знание коэффициента фильтрации грунтов позволяет оценить проницаемость грунта и его влияние на окружающую среду, а также принять соответствующие меры и решения для обеспечения безопасности иустойчивости сооружений.

Для определения коэффициента фильтрации грунтов обычно используются специальные приборы и оборудование. Испытания проводятся на меньшем объеме грунта, представляющем область интереса, чтобы получить точные и репрезентативные данные. Качество и точность результатов зависят от правильной подготовки и выполнения деталей испытаний.

В практике геотехнических исследований коэффициент фильтрации грунтов часто выражается в аналитических формулах, учитывающих различные факторы, такие как гранулометрический состав, физические свойства грунта, а также деформацию и воздействие напорной воды. Эти формулы позволяют оценить коэффициент фильтрации с учетом различных условий и параметров.

Классификация грунтов по их коэффициенту фильтрации имеет большое значение для инженерного проектирования. В России существует общая классификация грунтов с учетом их фильтрационных свойств, которая учитывает как постоянные, так и изменчивые показатели в зависимости от геологических и гидрогеологических условий.
Во время геодезических исследований обязательно вычисляют коэффициент фильтрации, который помогает:

• При проектировании и постройке частных домов
• При строительстве крупных жилых и промышленных комплексов
• Во время прокладки трасс, железных дорог, грунтовок, взлетных полос аэродромов
  
• Перед планировкой дренажных систем
• Во время планировки септиков и канализаций
• Перед обустройством водохранилищ
• Во время возведения дамб и плотин
• Перед мелиорацией и осушением грунтов

Во время строительства зданий и прокладки дорог важно знать водопроницаемость грунта в нисходящих и восходящих потоках, вода не смогла застаиваться и подмывать основания, особенно из-за паводка или интенсивных дождей.
Через слои дренажных систем вода должна свободно проходить по трубам за пределы участка, чтобы мелкие частицы не засоряли их. Поэтому вокруг дренажа делают муфту из материала с разной фракцией – песка, мелкого и крупного щебня, гравия.
Для обустройства канализации и септиков коэффициент фильтрации помогает рассчитать скорость сточных вод, проходящих через грунт, чтобы стоки могли достаточно очищаться без загрязнения грунтовых вод. Обустраивая водохранилища важно, чтобы они не осушались из-за быстрой фильтрации. Поэтому при необходимости, на дно водоемов насыпают грунт с плохой водопроницаемостью.

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.

Сложный процесс определения коэффициента фильтрации могут провести специалисты при планировании фундамента, дренажа, септика и канализации. Во время самостоятельного расчета применяют нормативные документы, таблицы ГОСТы, а также нужно знать тип грунта. Если уровень воды будет понижаться, то изменится расход воды и площадь фильтрации, что неизбежно даст значительную погрешность и усложнит расчеты.