Коэффициент фильтрации грунта Кф –это скорость прохождения воды через грунт. Коэффициент фильтрации песка Кф численно равен скорости прохождения воды через песок при единичном напоре и измеряется в метрах за сутки. В расчетах часто используют К10 – коэффициент фильтрации приведенный к температуре воды 10 °С.
На практике определение коэффициента фильтрации наиболее востребовано в дорожном и аэродромном строительстве при устройстве дренирующих слоев из песчаных грунтов, так как значение коэффициента фильтрации используемых грунтов должно находиться в пределах 1-2 м/сутки.
Для определения коэффициента фильтрации грунтов и, в частности, коэффициента фильтрации песка используют методы, изложенные в ГОСТ 25584-2016. Рассмотрим основные моменты проведения данного анализа.
В нашей лаборатории в основном работают с песками, используемыми для строительства дорог, поэтому дальнейшее изложение материала будет относиться к данной группе грунтов.
Определение коэффициента фильтрации начинается с определения еще двух характеристик песчаного грунта, а именно, максимальной плотности и оптимальной влажности в соответствии с ГОСТ 22733-2016. Для проведения испытания по определению данных характеристик используют прибор СОЮЗДОРНИИ, схематично изображенный ниже.
1 - поддон; 2 - разъемная форма; 3 - зажимное кольцо; 4 - насадка; 5 - наковальня; 6 - груз массой 2,5 кг; 7 - направляющая штанга; 8 - ограничительное кольцо; 9 - зажимные винты; 10 - образец грунта
Порядок проведения испытания
Отбирают пробу весом 2500г из предварительно просушенного и просеянного через сито 5мм песка.
Рассчитывают количество воды Q, г, для доувлажнения отобранной пробы до влажности первого испытания по формуле:
Q=0.01*(w1-wg)*mp/(1+0.01*wg) (1)
Где mp - масса отобранной пробы, г;
wg - влажность просеянного грунта в воздушно-сухом состоянии, %;
w1 - влажность грунта для первого испытания, для мелких и пылеватых песков принимается равной 6 %.
В отобранную пробу грунта вводят рассчитанное количество воды за несколько приемов, перемешивая грунт металлическим шпателем. Затем переносят пробу грунта из чашки в эксикатор или плотно закрываемый сосуд и выдерживают ее при комнатной температуре не менее 2 ч для песчаных несвязанныхгрунтов.
Далее переносят пробу из эксикатора в металлическую чашку и тщательно перемешивают;
- загружают в собранную форму из пробы слой грунта толщиной 50-60 мм и слегка уплотняют рукой его поверхность. Проводят уплотнение 40 ударами груза по наковальне с высоты 300 мм, зафиксированной на направляющей штанге. Аналогичную операцию проводят с каждым из трех слоев грунта, последовательно загружаемых в форму. Перед загрузкой второго и третьего слоев поверхность предыдущего уплотненного слоя взрыхляют ножом на глубину 1-2 мм. Перед укладкой третьего слоя на форму устанавливают насадку;
- после уплотнения третьего слоя снимают насадку и срезают выступающую часть грунта заподлицо с торцом формы. Толщина выступающего слоя срезаемого грунта должна быть не более 10 мм.
Образующиеся после зачистки поверхности образца углубления вследствие выпадения крупных частиц заполняют вручную грунтом из оставшейся части отобранной пробы и выравнивают ножом.
Взвешивают цилиндрическую часть формы с уплотненным грунтом mi и вычисляют плотность грунта ρi по формуле:
ρi=( mi – mc)/ V (2)
Где mc - масса цилиндрической части формы без грунта, г;
mi - масса цилиндрической части формы с уплотненным грунтом, г;
V – объем формы равный 400 см3.
Извлекают из цилиндрической части формы уплотненный образец грунта. При этом из верхней, средней и нижней частей образца отбирают пробы для определения влажности грунта wi
При каждом последующем испытании влажность грунта следует увеличивать на 1%-2%, при этом необходимое количество воды для доувлажнения рассчитывается по формуле (1), где wg , и w1 влажности при предыдущем и очередном испытаниях соответственно.
Испытание считают законченным, когда с повышением влажности пробы при последующих двух испытаниях происходит последовательное уменьшение значений массы и плотности уплотняемого образца грунта, а также когда при ударах грузом происходит отжатие воды или выделение разжиженного грунта через соединения формы.
По результатам испытания строят график ρ(w).
Ниже приведен пример графика для песчаных грунтов.
По построенному графику определяют максимальную плотность и оптимальную влажность. Зная эти характеристики, переходят к непосредственному определению коэффициента фильтрации.
Для проведения испытания используют прибор ПКФ, схема которого приведена ниже
а также трамбовку
Порядок проведения испытания
- песок и воду, предназначенные для определения коэффициента фильтрации, выдерживают в лаборатории до выравнивания их температуры с температурой воздуха;
- песок просушивают до воздушно-сухого состояния;
- просеивают через сито с отверстиями 5 мм и определяют его гигроскопическую влажность по ГОСТ 5180;
- отбирают в фарфоровую чашку пробу песка методом квартования массой не менее 450 г;
- увлажняют с помощью мерного цилиндра отобранную пробу до оптимальной влажности и выдерживают ее в эксикаторе с водой не менее 2 ч.
Из подготовленной пробы влажного грунта отбирают навеску массой m1 для помещения в фильтрационную трубку прибора и навеску для контрольного определения фактической влажности грунта по ГОСТ 5180.
Массу m1 вычисляют по формуле,
m1=V*ρmax*(1+w0) (3)
где ρmax – максимальная плотность песка, определенная ранее;
w0 – оптимальная влажность, определенная ранее;
V – объем грунта в трубке, для ПКФ = 200 см3.
Подготовку прибора к проведению испытания производят в следующем порядке:
- съемное перфорированное дно 6 с латунной сеткой 5, покрытой кружком высокопористого материала, смоченного водой, крепят к трубке 3 и ставят ее на жесткое массивное основание;
- навеску влажного грунта массой m1 делят на три порции и последовательно укладывают их в трубку, уплотняя каждую из них с помощью трамбовки, проводя по 40 ударов груза с высоты 300 мм; перед укладкой каждой порции поверхность предыдущей уплотненной порции взрыхляют ножом на глубину 1-2 мм;
- измеряют линейкой расстояние от верхнего края трубки до поверхности уплотненного грунта; измерения проводят не менее чем в трех точках; в расчет принимают среднее значение. (При высоте образца грунта 1 в трубке более 100 мм проводят дополнительное уплотнение, которое заканчивают при высоте образца (100±1) мм.)
- укладывают на поверхность грунта слой гравия (фракция 2-5 мм) толщиной 5-10 мм;
- устанавливают трубку с грунтом на подставку 7 и вместе с ней помещают в стакан 4, который постепенно наполняют водой до верха;
- помещают стакан с трубкой в емкость для воды и заполняют ее до уровня выше слоя гравия на 10-15 мм, после появления воды в трубке над слоем гравия доливают водой верхнюю часть трубки примерно на 1/3 ее высоты;
- извлекают стакан с трубкой из емкости и устанавливают его на поддон 8.
Испытание проводят в следующем порядке:
- доливают водой трубку не менее чем на 5 мм выше нулевого деления;
- дожидаются снижения уровня воды в пьезометре 2 до отметки "0" и включают секундомер;
- фиксируют время снижения уровня воды в пьезометре до отметок 10, 20, 30, 40 и 50 мм.
При времени падения уровня воды до отметки 50 мм более 10 мин допускается проводить испытание при большем значении начального градиента напора. В этом случае трубку с подставкой извлекают из стакана и ставят непосредственно на поддон. Начальную высоту уровня воды Н0 при этом принимают равным 20см.
По результатам испытания строят график , на котором на оси Y откладывают величину C*t, а по оси X величину ln(H0/(H0-S)), где
Н0 - начальная высота уровня воды в пьезометре, см; отсчитывается от уровня слива воды;
S - снижение уровня воды в пьезометре, см;
t - время, за которое произошло снижение уровня воды на значение S, сек;
С – постоянная прибора ПКФ (в нашем случае 0,1).
Ниже приведен пример графика.
Опытные точки на графике должны наложиться на прямую линию, выходящую из начала координат, что является показателем корректности проведения испытания.
По построенному графику определяют коэффициент фильтрации (см/сек) по формуле:
K= ln(H0/(H0-S))/(C*t) (4)
Коэффициент фильтрации приведенный к температуре воды 10 °С - К10 вычисляют по формуле.
K10=864*K/(0.7+0.03*Tф) (5)
где Тф – фактическая температура воды при испытаниях, °С;
К – рассчитанный коэффициент фильтрации, см/сек.