Оценка коэффициента фильтрации (Кф) почвы

Кф используется для определения возможности почвы пропускать жидкость. Имеет важное значение в геотехнической инженерии, гидрогеологии, строительстве, так как помогает понять, как вода перемещается через грунты, и как это может повлиять на инженерные сооружения и окружающую среду.

Водопроницаемость - способность почвы пропускать жидкость через свои поры под действием силы тяжести. Водопроницаемость является интегральной характеристикой грунта и зависит от таких факторов, как размер, форма частиц грунта, их уплотнение, насыщенность водой и прочее.

Коэффициент фильтрации - показатель, оценивающий способность грунта пропускать водяные потоки через себя под действием гидростатического напора. Простыми словами - он отражает скорость перемещения жидкости через слой грунта, когда этот слой полностью насыщен водой и градиент напора равен единице. Градиент напора вычисляется как отношение изменения давления воды к толщине грунтового слоя, через который выполняется фильтрация. Кф необходим при проектировании различных объектов строительства.

Важно понимать, что Кф и водопроницаемость грунта тесно связаны, но измеряются по-разному. Кф оценивает скорость перемещения воды через грунт под действием гидравлического градиента, тогда как водопроницаемость устанавливает возможность почвы пропускать воду в целом.

Существует 2 вида фильтрации:

• линейная. Оценивает скорость перемещения воды через грунт на единичную длину (линейный путь) при определенном градиенте напора. Особенно полезна, когда необходимо оценить скорость потока воды через грунт вдоль одного направления.
• объемная. Исследует скорость перемещения жидкости через грунт на единичный объем грунта. Данный подход учитывает множество путей, по которым вода может перемещаться в пластах грунта. Обычно применяется в трехмерном пространстве, учитывая множество факторов: плотность грунта, пористость, структура, насыщенность водой.

Что влияет на коэффициент фильтрации?

Наименование	Краткое описание
Составы: гранулометрический, минеральный	Минеральный состав грунта существенно влияет на его дисперсность. Например, скальные грунты, состоящие из породы с низкой степенью выветривания, имеют монолитное строение без дисперсности. Однако, по мере разрушения в таких грунтах начинают появляться деформации. Далее порода измельчается, и в ней образуются вторичные, первичные глинистые минералы, влияющие на проницаемость. Например, всего 10% содержание глины в песке может радикально снизить данный показатель. Грунты с крупными обломками и песчаные грунты обладают высокой водопроницаемостью. Если диаметр частиц песка уменьшается, то показатель водопроницаемости снижается. Грунты с  частицами округлой формы и практически одинакового диаметра имеют самый высокий коэффициент фильтрации.
Слоистость	Для большинства почв характерно слоистое строение, а их частицы расположены в определенном направлении. Данный фактор влияет на водопроницаемость. Например, в ленточных глинах вода перемещается только в горизонтальном направлении, а в лессовидных – вертикальном.
Поры	Грунтовые поры выступают в качестве фильтрации. Скорость движения воды зависит от их диаметра и формы.
Температура	Наиболее интенсивно процесс водопроницаемости происходит при t 65-75 градусов, поскольку вязкость воды уменьшена, а пористость увеличена.
Гидростатика	За счет гравитации образуется гидростатический напор, влияющий на проницаемость грунта.
Фильтруемая жидкость	При высокой концентрации хлоридов натрия, кальция повышается коэффициент фильтрации, так как соль является катализатором появления мелких частиц грунта.

Методы определения коэффициента фильтрации (ГОСТ 25584-2016, ГОСТ 23278-2014)

Существующие методы классифицируют на 2 большие группы:

1. Лабораторные;
2. Полевые.

Лабораторные

Исследуют образцы с заданными параметрами пористости и плотности, а также с ненарушенным сложением. Включают 2 подхода: при постоянном напоре, при переменном напоре.

Постоянный напор. Для работы потребуются: лопатка, секундомер, фильтрационный прибор, термометр, аналитические весы лабораторного типа, винтовой пресс, стальной нож (прямой). Состоит из 4 этапов:

1. Подготовка. Воду и грунт выдерживают до комнатной температуры. Из фильтрационного прибора извлекают цилиндр, взвешивают его;
2. Засыпка грунта. Алгоритм действий зависит от типа строения (ненарушенный, нарушенный). Конструкция фильтрационного прибора заполняется жидкостью до маяка градиента напора 1. Далее в корпус помещают цилиндр до отметки 0.8, выжидают увлажнения грунта, натягивают муфту, опускают цилиндр до самого конца. Затем оставляют образец на 15 минут и приступают к исследованиям и вычислениям;
3. Рабочий процесс. Для вычисления скорости фильтрации используется секундомер. В ходе работ цилиндр перемещают по отметкам, переворачивают и засекают время, за которое жидкость опустится до следующего уровня. Данные записывают в журнал;
4. Работа с результатами – вычисляется скорость и коэффициент фильтрации, используя формулы: Кф = V/J, K10 = 864* K/T, V = V/tF.

Переменный напор. Для работы потребуются: весы, фильтрационный прибор, термометр, стальной нож (прямой), металлическая линейка, емкость для воды до 10 литров. Состоит из 3 этапов:

1. Подготовка. Начало, засыпка аналогичны предыдущей методике. Дополнительно на поверхность грунта, засыпанного в цилиндрическую трубку, укладывается гравий диаметром от 2 до 5 мм (толщина слоя не менее 5 и не более 10 мм). Далее трубку размещают на подставку, в стакан заливают воду, пока жидкость не достигнет уровня на 10-15 мм выше гравия. Затем доливают еще воды, до тех пор, пока не заполнится 3 часть посудины;
2. Испытания. Доливают жидкость, пока не достигнет уровня на 5 мм выше «0». Выжидают момента, когда вода опустится до уровня «0», и включают секундомер, который показывает время снижения жидкости на 10, 20...50 мм;
3. Работа с результатами. Полученные данные вносят в журнал для последующего построения графика.

Полевые

Для испытания берется сухой грунт. Кф устанавливается на всем массиве участка. Применяются 4 методики: налив в шурф, опытная откачка, расходометрия скважин, нагнетание воды в скважины. Два первых – основные, остальные – дополнительные.

Опытная откачка

Позволяет оценить гидравлическую проводимость грунта путем создания искусственного гидравлического градиента и измерения времени, за которое вода проникает через грунт.

В центре исследуемой зоны формируется специальная скважина. В данную скважину вода может поступать путем откачки или налива. Для оптимизации процесса внутри скважины применяются фильтры, отстойник. Если проводится исследование характеристик прочных скальных грунтов, применение фильтров необязательно.

В случае массивов грунтов из твердых обломков, зерен, частиц вокруг скважины создается обсыпка из песка или прочного геосинтетического материала. Важно, чтобы верхний слой обсыпки находился выше уровня фильтров, обеспечивая эффективную фильтрацию.

Потребуются: пьезометрическая трубка, насос, устройства для подвода и отвода воды и прочее.

Налив в шурф

Применяется для оценки фильтрации в области аэрации с толщиной свыше 2 метров. В начале проводится анализ влажности, гранулометрического состава грунта, объемного веса, влагоемкости, высоты капиллярного подъема. Данный метод эффективен для однородных грунтов с примерно одинаковыми размерами частиц. Массив насыщают водой выше уровня капиллярного подъема. Потребуются: бур, инфильтрометры, оборудование для подачи жидкости, место для анализа данных.

Расходометрия скважин

Используется в гетерогенных грунтах с целью обнаружения областей с повышенной водопроницаемостью. Перед началом процедуры производится прокачка, укрепление стенок скважин. Для исследования используют прибор отслеживания уровня жидкости, расходометр, устройство для откачивания либо налива воды, прибор, измеряющий массу и объем расходуемой жидкости.

Нагнетание воды в скважины.

Довольно редко можно обнаружить грунты, которые были бы абсолютно однородными. Вдобавок, под воздействием водного давления их способность к фильтрации может меняться. Используются насосы, трубы для воды, изоляционный тампон, измерительный прибор, устройство для регулировки расходы жидкости.

Где применять Кф?

Основные области:

• строительство дамб;
• проектирование канализаций, дренажных систем;
• проектирование и постройка домов, крупных ЖК;
• прокладка ЖД-дорог, полос аэродромов и др.

В инженерной практике позволяют определить, насколько быстро вода будет перемещаться через грунт и какие могут быть последствия для строительных проектов. Например, при проектировании дренажных систем, фундаментов, дамб, туннелей.

Знание Кф играет важную роль в гидрогеологических исследованиях, связанных с оценкой запасов подземных вод, прогнозированием распределения воды в почве и другими аспектами управления водными ресурсами.

Типы грунтов по Кф

Выделяют 5 типов:

• сверх водопроницаемый – более 30 м/с;
• сильноводопроницаемый – 3...30 м/с;
• средне водопроницаемый – 0,3...3 м/с;
• незначительный - 0,005...0,3 м/с;
• абсолютно непроницаемый – до 0,005 м/с