Půdní filtrační koeficient a půdní propustnost – laboratorní metody stanovení

Filtrační koeficient je charakteristikou propustnosti půdní vody, která se rovná rychlosti filtrované vody při jednotkovém tlakovém gradientu. (podle článku 3.1 GOST 25584-2016). Filtrační koeficient se měří v m/s nebo cm/s, ale protože se jedná o malou hodnotu, často se používá jednotka měření: m/den. Tlakový gradient je poměr tlaku vody k tloušťce filtrované zeminy. Během výstavby nebo silničních prací je výpočet koeficientu filtrace velmi důležitý a umožňuje vám určit: možnost stagnace vody v horní části země po srážkách, zaplavení základů, zničení silnic nebo přehrad.

Vlastnosti definice

Filtrační koeficient – hodnota prokazující schopnost zemin nasycených vodou propouštět kapalinu. K pohybu vody dochází prostřednictvím otevřených spojovacích pórů, kaveren a trhlin pod vlivem tlakového gradientu.
Proces filtrace popisuje Darcyho lineární zákon, který vyjadřuje závislost rychlosti filtrace na tlakovém gradientu.

Porézní médium má tloušťku, šířku a délku. Při výpočtu objemové rychlosti pohybu kapaliny pomocí vzorce je třeba vzít v úvahu vztah mezi koeficientem filtrace a koeficientem propustnosti kapaliny, který se vypočítá pomocí rovnice.
Filtrační koeficient zemin je jedním z důležitých parametrů používaných k posouzení a stanovení jejich hydrogeologických vlastností. Tento koeficient určuje rychlost filtrace vody půdním prostředím a je důležitý pro různé geotechnické výpočty a návrhy.

Filtrační koeficient půd závisí na mnoha faktorech, včetně typu půdy, pórovitosti, propustnosti, distribuce velikosti částic a obsahu vlhkosti. Jinými slovy, charakterizuje schopnost půdy propouštět vodu svou strukturou.

Pro získání informací o koeficientu filtrace půdy se provádějí různé studie. Jednou z nejběžnějších metod je použití polních testů, jako jsou filtrační testy nebo testy pronikání vody. Tyto testy měří čas a rychlost průniku vody půdním prostředím ve speciálně vytvořených úsecích nebo vrtech.

Faktory ovlivňující koeficient filtrace

Půdy se liší podle GOST 25100-2020. Propustnost půdy závisí na:

• Minerální složení
• Granulometrické složení
• Pórovitost
• Vrstvení
• Složení filtrované kapaliny
• Teplota
• Hydrostatická hlavice

Minerální složení

Složení ovlivňuje disperzi – stupeň mletí pevných částic půdy. Skalní půdy nemají rozptyl, protože jsou monolitické. Postupem času se masiv zhroutí s výskytem trhlin. Další přeměny vedou k drcení horniny a vzniku primárních a sekundárních jílových minerálů, které výrazně ovlivňují vodopropustnost půdy. Půda s malými jílovitými částicemi nepropustí vodu a ta se začne hromadit – zákon lineární filtrace je porušen. Vlivem počátečního tlakového gradientu se podzemní voda začíná volně pohybovat. Nejnižší filtraci má jíl (například montmorillonit) obsahující velké množství kladných sodíkových iontů, díky čemuž se zvyšuje hustota půdy. Pomocí Ca a Al iontů se zvyšuje koeficient filtrace půdy.

Klasifikace

Písčité a hrubé půdy mají vysokou propustnost vody, která se snižuje s klesající velikostí půdních složek. Vodní propustnost jílovitých a hlinitých půd se neřídí Darcyho zákonem. Rovnoměrnost distribuce velikosti částic má velký vliv na filtrační koeficient. Nejvyšší propustnost vody mají půdy s kulatými stejnými částicemi. Přítomnost malých prvků povede k jeho poklesu v důsledku snížení počtu pórů a změny velikosti.

Pórovitost

Při filtraci vody závisí její rychlost na tvaru a velikosti půdních pórů. Snáze prosakuje dutinami v propustných horninách a píscích, v jílovitých a sprašových (sprašových) půdách – stoupá nebo se zadržuje v důsledku vzduchových bublin, ale neproniká do uzavřených dutin jílu, spraše, monolitických půd.

Vrstvení

Částice mnoha zemin s vrstevnatou strukturou jsou orientovány určitým směrem, díky čemuž se zvyšuje koeficient filtrace. V pásových hlínách voda stéká volně pouze vodorovně a ve sprašových půdách s vertikálně orientovanými vrstvami stéká volně pouze tímto směrem.

Složení filtrované kapaliny

V přírodních podmínkách křišťálově čistá voda neexistuje. Obsahuje prvky, na kterých závisí míra propustnosti. Díky chloridům sodným a vápenatým, které tvoří agregáty z malých částic půdy, což vede ke zvýšení její pórovitosti. Při 10% koncentraci sodné soli se však propustnost vody snižuje v důsledku zvýšené viskozity a vazby vody.

teplota

V důsledku zahřátí na teploty od 0 do 90 ° se koeficient filtrace zvyšuje v důsledku:

• Snížení viskozity v pórech
• Rozbití koloidních vazeb
• Zvýšení počtu jednotek
• Zvýšení počtu pórů

Při nižších teplotách se pórovitost snižuje v důsledku zamrzání vody a ucpání ledu. Vlivem tání se zvyšuje hodnota filtračního koeficientu.

Hydrostatická hlavice

Gravitace má za následek hydrostatický tlak. Lze jej vytvořit pomocí vysokotlakého paprsku. Vysoký hydrostatický tlak zvyšuje propustnost vody. Hodnota může zůstat nezměněna, nebo vzrůst v důsledku přemístění částic, struktura půdy se zhutní, takže dojde k dalšímu poklesu.

Metody výpočtu

Vodopropustnost se zjišťuje zkouškami jak na stavbě, tak v laboratoři.

Pro přesné hodnoty propustnosti vody se zkoumá suchá půda.
V souladu s pravidly a požadavky GOST 23278-2014 se měření provádějí v různých zónách půdní hmoty pomocí metod ve formě:

• Shluk nebo jeden na základě experimentálního čerpání (plnění)
• Nalévání do jámy
• Vstřikování vody do studní v intervalech
• Měření průtoku studní

První dvě metody jsou základní, ostatní jsou doplňkové.
Laboratorní technika
V laboratoři se před studiem vzorků s neporušenou strukturou, s danou hustotou a pórovitostí, určí následující:

• Влажность
• Hustota částic
• Hustota skeletu (vysušená půda s přírodním složením)
• Koeficient pórovitosti
• Koeficient nasycení vody
• Hustota na hranici výnosu a válcování (pro jílovité půdy)

Během experimentu se ke vzorkům zespodu přidává převařená pitná voda bez vzduchu, která se nechá stát jeden den nebo se umístí do vakuové instalace, může být i z pole tak, aby její mineralizace nepřesáhla 2 g/l. Písek a rašelina jsou studovány za podmínek stabilního nebo proměnlivého tlakového gradientu, jílovité půdy – pouze s proměnným a stanoveným tlakem. Při nasycení vodou je třeba hlínu hlídat, aby nenabobtnala. Písčitá hlína by měla být navlhčena 2 dny, hlína – 5 dní.

Praktická aplikace koeficientu filtrace

Koeficient půdní filtrace má praktické aplikace v různých průmyslových odvětvích, včetně hydrogeologického výzkumu, inženýrského projektování, úpravy vody, ale i ve stavebnictví a ochraně životního prostředí. Znalost koeficientu filtrace půdy umožňuje posoudit propustnost půdy a její vliv na životní prostředí, stejně jako přijímat vhodná opatření a rozhodnutí k zajištění bezpečnosti a stability staveb.

Ke stanovení koeficientu filtrace půdy se obvykle používají speciální přístroje a zařízení. Testy se provádějí na menším objemu půdy představující zájmovou oblast, aby se získala přesná a reprezentativní data. Kvalita a přesnost výsledků závisí na správné přípravě a provedení detailů testu.

V praxi geotechnického výzkumu je filtrační koeficient zemin často vyjádřen v analytických vzorcích, které zohledňují různé faktory, jako je distribuce velikosti částic, fyzikální vlastnosti zeminy, ale i deformace a vliv tlakové vody. Tyto vzorce umožňují odhadnout koeficient filtrace s přihlédnutím k různým podmínkám a parametrům.

Klasifikace zemin podle jejich filtračního koeficientu má velký význam pro inženýrské navrhování. V Rusku existuje obecná klasifikace půd zohledňující jejich filtrační vlastnosti, která zohledňuje konstantní i proměnné ukazatele v závislosti na geologických a hydrogeologických podmínkách.
Při geodetickém průzkumu je třeba vypočítat koeficient filtrace, což pomáhá:

• Při projektování a stavbě soukromých domů
• Při výstavbě velkých obytných a průmyslových komplexů
• Při výstavbě dálnic, železnic, polních cest, přistávacích drah letišť
• Před plánováním odvodňovacích systémů
• Při plánování septiků a kanalizací
• Před stavbou nádrží
• Při stavbě přehrad a přehrad
• Před rekultivací a odvodněním zemin

Při stavbě objektů a pokládání komunikací je důležité znát vodopropustnost půdy při sestupných a vzestupných tocích, voda nemohla stagnovat a odplavovat základy, zejména v důsledku povodní nebo intenzivních dešťů.
Přes vrstvy drenážních systémů musí voda volně proudit potrubím mimo lokalitu, aby je malé částice neucpávaly. Proto se kolem drenáže vyrábí spojka z materiálu s různými frakcemi – písek, drobná a hrubá drť, štěrk.
U kanalizačních instalací a septiků koeficient filtrace pomáhá vypočítat rychlost odpadní vody procházející zemí tak, aby odpadní voda mohla být dostatečně čištěna bez kontaminace podzemních vod. Při stavbě nádrží je důležité, aby nedocházelo k jejich vysychání v důsledku rychlé filtrace. Proto se v případě potřeby na dno nádrží nasype zemina se špatnou propustností vody.

Filtrační koeficient je potřebný pro výpočet zatížení přehrad a přehrad, zejména při stoupající hladině.
Při plánování filtrační stavby pro rekultivaci závisí rychlost poklesu hladiny podzemní vody a její opakovaný vzestup v případě intenzivních srážek na koeficientu filtrace.

Složitý proces stanovení koeficientu filtrace mohou odborníci provést při plánování základů, odvodnění, septiku a kanalizace. Při nezávislých výpočtech se používají regulační dokumenty, tabulky GOST a také musíte znát typ půdy. Pokud hladina vody klesne, změní se průtok vody a filtrační plocha, což nevyhnutelně způsobí významnou chybu a zkomplikuje výpočty.