7. Коэффициент фильтрации

Коэффициент фильтрации К_ф является одной из важней­ших характеристик свойств грунта. Он характеризует водо­проницаемость грунтов. Коэффициент фильтрации входит в рас­четные формулы для определения притока воды к различным водозаборным сооружениям, а также в формулы по расчету деформаций оснований во времени.

Коэффициент фильтрации ра­вен расходу воды при фильтрации ее в грунте, отнесенного к единице площади в единицу времени при напорном градиенте, равным единице.

Коэффициент фильтрации имеет размерность скорости см/сек, м/сут и т. д.

Наиболее точно коэффициент фильтрации можно определить путем проведения опытных откачек в полевых условиях. В лабо­раторных условиях коэффициент фильтрации определяется с помощью различных приборов.

Для ориентировочных, предварительных оценок водопро­ницаемости песков коэффициент фильтрации может определять­ся по эмпирическим формулам, исходя из гранулометрического состава.

Определение коэффициента фильтрации по эмпирической формуле Хазена

Формула Хазена применима для определения коэффи­циента фильтрации песков с действующим диаметром d₁₀ = 0,1 - 3,0 мм и коэффициентом неоднородности

Определение гранулометрического состава и 'построение суммар­ной кривой (см. рис. 3.1) производится по методике, описанной выше.

Коэффициент фильтрации при температуре воды t°C опре­деляют по формуле

где: С - эмпирический коэффициент, принимаемый равным от 400 до 1200 в зависимости от крупности частиц, их однородности и примесей глинистых частиц; для чи­стых и однородных песков С = 1200 - 800, для загряз­ненных и неоднородных песков – С = 800 - 400;

d₁₀ - действующий диаметр в мм;

 - температурный коэффициент, определяе­мый в зависимости от температуры воды t по эмпирической формуле:

 = 0,7+ 0,03t,

где t - температура воды в град С;

Коэффициент фильтрации может быть определен с помощью номограмм по формуле Хазена (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Номограмма для определения коэффициента фильтрации к формуле Хазена

Для грунта, гранулометрический состав которого приведен в табл. 3.1, получаем 0,1< d₁₀ = 0,13 < 3,0 и

При t = 18°С  = 0,7+ 0,03t = 0,7 + 0,0318 = 1,24, значит,

К_ф = 800 • 0,13² • 1,24= 16,8 м/сут.

По номограмме (см. рис. 7.1) для этих же данных находим К_Ф при t = 0°С:

К_ф = 9,5 м/сут.

Для t = 18°С

К_ф = 9,5/0,7 1,24=16,8 м/сут.

Определение коэффициента фильтрации в универсальной трубке КФ

Универсальная трубка предназначена для определения коэффициента фильтрации песчаных грунтов нарушенной, а также ненарушенной структуры.

Необходимые приборы:

• универсальная трубка КФ (рис. 7.2);

• секундомер;

• металлический или стеклянный поддон;

• легкая деревянная трамбовка;

• термометр для измерения температуры воды.

Рис. 10. Схематический разрез универсальной трубки КФ:

1 – внешний стакан; 2 – внутренний стакан; 3 – крышка; 4 – мерный цилиндр; 5 – сетка; 6 – грунтовая трубка; 7 – грунт; 8 – поддон.

Проведение опыта. Грунтовую трубку 6 заполняют песчаным грун­том 7. При испытании грунта нарушенной структуры грунт по­дают в трубку небольшими порциями и слегка уплотняют лег­кой деревянной трамбовкой. Если грунт - мелкий или пылеватый песок, то на дно трубки засыпают тонкий слой (3 мм) песка фракции 0,5 - 0,25 мм для предотвращения выноса при фильтра­ции мелких частиц.

В случае испытания грунта ненарушенной структуры трубку вдавливают в грунт и затем извлекают ее вместе с находящимся в ней грунтом. Избыток грунта, высту­пающий из трубки, срезают ножом с прямым лезвием.

Внутренний стакан 2 устанавливают на показателе напор­ного градиента 1,0, а внешний стакан 1 заполняют водой.

Трубку с грунтом помещают во внутренний стакан и, медлен­но вращая его, устанавливают в положение с напорным гради­ентом 0,8.

После появления капиллярной воды на поверхности грунта укладывают сетку 5 и на трубку надевают крышку 3. Внутренний стакан с трубкой перемещают в крайнее нижнее поло­жение.

Затем мерный цилиндр 4 заполняют водой, температуру ко­торой предварительно замеряют, и устанавливают в крышке трубки.

Внутренний стакан с трубкой устанавливают в положение с напорным градиентом 0,6 и доливают воду во внешний стакан до появления ее в прорезях внешнего стакана. Вода из мер­ного цилиндра автоматически поддерживает заданный напор­ный градиент.

О работе мерного цилиндра свидетельствуют пузырьки воз­духа, прорывающиеся в цилиндр.

Объем профильтровавшейся воды (10 - 30 см³) замеряют с помощью мерного цилиндра.

Время фильтрации определяют по секундомеру два раза при различных положениях уровня воды в мерном цилиндре и при­нимают среднее значение. Затем опыт повторяют при других значениях напорного градиента (0,8 и 1,0).

Коэффициент фильтрации при заданной температуре опре­деляют по формуле

где: Q - объем профильтровавшейся воды в см³,

F - площадь поперечного сечения трубки, равная 25 см²;

T - время фильтрации в сек;

I - напорный градиент;

864 - коэффициент для перевода размерности см/сек в м/сут. Коэффициент фильтрации при t = 10°С определяют по формуле

где К_ф - коэффициент фильтрации при заданной температуре;

 - температурный коэффициент.

Температурный коэффициент определяется по формуле  = 0,7 + 0,03 t.

Результаты опыта заносят в таблицу 7.1.

Таблица 7.1

Форма записи данных для определения коэффициента фильтрации

№ монолита или пробы	№ опыта	Напорный градиент I	Объём отфильтрованной воды Q, см3	Время фильтрации Т, сек			Коэффициент фильтрации Кф, м/сут	Среднее значение Кф, м/сут
				1	2	среднее
1	1	0,6	10	80	84	82	7,04	7,077
	2	0,8	10	59	63	61	7,10
	3	1,0	10	50	48	49	7,06

Примечание: площадь кольца прибора F = 25 cм², температура воды t = 18 ⁰C, температурный коэффициент  = 1,24.