¿Qué es el coeficiente de permeabilidad? ¿Cómo medir el coeficiente de permeabilidad?
Introducción al coeficiente de permeabilidad
El coeficiente de permeabilidad también se denomina coeficiente de conductividad hidráulica. En medios isotrópicos, se define como el caudal unitario bajo gradiente hidráulico unitario, lo que indica la dificultad del fluido para pasar a través del esqueleto del poro. La expresión es: =k? gramo/? donde k es la permeabilidad de los medios porosos, que sólo está relacionada con las propiedades del esqueleto sólido. es el coeficiente de permeabilidad;? es el coeficiente de viscosidad dinámica;? es la densidad del fluido; g es la aceleración debida a la gravedad. En medios anisotrópicos, el coeficiente de permeabilidad se expresa en forma tensorial. Cuanto mayor sea el coeficiente de permeabilidad, mayor será la permeabilidad al agua de la roca. El coeficiente de permeabilidad de la capa de grava gruesa altamente permeable es >: 10 m/día y noche; el coeficiente de permeabilidad del limo arcilloso débilmente permeable es de 1 ~ 0,01 m/día y noche; el coeficiente de permeabilidad de la arcilla impermeable; >Método de cálculo del coeficiente de permeabilidad
Hay muchos factores que afectan el coeficiente de permeabilidad, que dependen principalmente de la forma y el tamaño de las partículas del suelo, el coeficiente desigual y la viscosidad del agua. Es difícil establecer una fórmula teórica precisa para calcular el coeficiente de permeabilidad K. Por lo general, el valor de K se puede determinar mediante métodos experimentales, incluidas mediciones de laboratorio, mediciones de campo o estimaciones empíricas.
Métodos para determinar el coeficiente de permeabilidad
¿Cuáles son los principales métodos para medir el coeficiente de permeabilidad? ¿Prueba de laboratorio? Entonces qué. ¿Medición de campo? Dos categorías.
1. Métodos de medición de laboratorio
Actualmente existen muchos instrumentos y métodos de prueba para medir el coeficiente de permeabilidad K en el laboratorio, pero ¿se pueden dividir a grandes rasgos? ¿Método de cabeza constante? y "método de cabeza variable".
El método de prueba de cabeza constante mantiene constante la cabeza del agua durante todo el proceso de prueba, por lo que la diferencia de cabeza también es constante. Como se muestra en la figura:
Durante la prueba, coloque una muestra saturada con sección transversal A y longitud L en un tubo de plástico transparente, abra la válvula de agua y permita que el agua fluya a través de la muestra de arriba a abajo. hacia abajo. La salida de agua se descarga. Después de que la diferencia de carga Δh y el caudal de permeación Q sean estables, mida la cantidad de agua V que fluye a través de la muestra después de un cierto tiempo t, entonces
V = Q*t =? *A*t
Según la ley de Darcy, v = k*i, entonces
v = k *(δh/L)* A * t
Esto lleva a la conclusión
k = q*L / A*△h=Q*L /( A*△h)
La prueba de cabeza constante es adecuada para medir alta permeabilidad Parámetros de penetración del suelo arenoso. Dado que el coeficiente de permeabilidad del suelo cohesivo es muy pequeño y la cantidad de filtración de agua también es muy pequeña, no es fácil determinarlo con precisión con esta prueba, por lo que se requiere una prueba de carga variable.
El método de prueba de altura variable consiste en que la diferencia de altura del agua cambia con el tiempo durante la prueba. El dispositivo se muestra en la siguiente figura:
El agua fluye desde el fondo hacia el. arriba a través de un tubo de vidrio vertical y un tubo en forma de U fluye a través de la muestra de suelo. Durante la prueba, después de llenar el tubo de vidrio con agua hasta la altura requerida, inicie el cronómetro para medir la diferencia de carga inicial Δh1. Después del tiempo t, mida la diferencia de carga final Δh2. Al establecer la ley de Darcy instantánea, se puede derivar la expresión del coeficiente de permeabilidad K.
Supongamos que la diferencia de carga que actúa sobre las dos secciones en cualquier momento t durante la prueba es △h. Después del tiempo dt, el nivel de agua en la tubería cae en dh, luego la cantidad de agua que fluye hacia la muestra. dentro del tiempo dt es
dVe = -a dh
Donde a es el área de la sección transversal del tubo de vidrio, el signo negativo a la derecha indica la cantidad de agua; aumenta a medida que Δ h disminuye.
De acuerdo con la ley de Darcy, el flujo de filtración que sale de la muestra dentro del tiempo dt es:
dVo = k*i*A*dt = k*(△h/L)* A* dt
En la fórmula, el área de la sección transversal de la muestra A; l longitud de la muestra.
Según el principio de flujo continuo de agua se debe obtener dVe = dVo.
k = (a*L/A*t)㏑(△h1/△h2)
O expresada en logaritmos comunes, la fórmula anterior se puede escribir como
k = 2,3 *(A * L/A * t)LG(△h 1/△H2)
2. Método de medición in situ
La prueba de penetración generalmente utiliza prueba de penetración.Es un método simple para medir el coeficiente de permeabilidad de capas sueltas y formaciones rocosas en el campo. La prueba de infiltración del pozo de prueba a menudo adopta el método del pozo de prueba, el método de bucle único y el método de bucle doble.
Método del pozo de prueba
Excave un pozo de prueba cuadrado o circular de cierta profundidad (30-50 cm) en suelo seco en la superficie. El fondo del pozo es de 3-5. metros de distancia del nivel freático. Extender en el fondo arena filtrante de 2-3 cm de espesor. Al llenar el pozo de prueba con agua, el nivel del agua en el pozo de prueba siempre debe estar aproximadamente 10 cm por encima del fondo del pozo. Para facilitar la observación del nivel del agua en el pozo, se debe colocar una escala en el fondo del pozo. Calcule la cantidad de agua que se filtra del fondo del pozo Q por unidad de tiempo y divídala por el área del fondo del pozo para obtener la velocidad de filtración promedio v=Q/F. Cuando la columna de agua en el pozo no es alta (igual a 10 cm), se puede considerar que el gradiente de la altura del agua es cercano a 1, por lo que k (coeficiente de permeabilidad) = v. Este método es adecuado para medir arena donde la presión capilar tiene poco impacto. Si se utiliza en suelos arcillosos, el coeficiente de permeabilidad medido es mayor.
Método de un solo anillo
Se incrusta un anillo de hierro con una altura de 20 cm y un diámetro de 35,75 cm en el fondo del pozo de prueba en el área definida por el anillo de hierro. es de 1.000 centímetros cuadrados. El anillo de hierro presiona el fondo del hoyo hacia el hoyo hasta una profundidad de 10 cm. La pared del anillo debe estar en estrecho contacto con la capa de suelo y se debe esparcir arena filtrante de 2 a 3 cm de espesor sobre el anillo. Al inicio de la prueba, la columna de agua en el anillo fue controlada por la botella Mariot y mantenida a una altura de 10 cm. Cuando la prueba continúa hasta que se fija la cantidad de agua de filtración Q, la velocidad de filtración se puede calcular de acuerdo con la siguiente fórmula: v = Q/F. La velocidad de filtración obtenida es el valor del coeficiente de permeabilidad de la capa suelta y la capa de roca.
Método de doble anillo
Inserte dos anillos de hierro en el fondo del pozo de prueba y agregue un anillo interior para formar un anillo concéntrico. El diámetro del anillo exterior es de 0,5 metros y el diámetro del anillo interior es de 0,25 metros. Durante la prueba, se vierte agua en el anillo de hierro y se controla que las columnas de agua de los anillos exterior e interior estén a la misma altura que la botella de Mariot (por ejemplo, 10 cm). Con base en los datos tomados del círculo interior, utilice el método anterior para determinar los valores del coeficiente de permeabilidad de la capa suelta y la formación. Dado que el agua en el anillo interior sólo penetra verticalmente, se elimina el error en la zona de penetración lateral, por lo que es más preciso que el método del pozo de prueba y el método de anillo único. El agua que penetra entre el anillo interior y el anillo exterior es principalmente dispersión lateral y absorción capilar. El anillo interior es la penetración real de capas sueltas y capas de roca en dirección vertical.
Cuando la cantidad de agua permeable tiende a ser estable en la prueba de permeabilidad, el coeficiente de permeabilidad se puede calcular con precisión de la siguiente manera (considerando la influencia adicional de la presión capilar): k (coeficiente de permeabilidad) = QL/ F (H+Z+L).
Entre ellos:
q-el volumen de agua de filtración estable (centímetros cúbicos/minuto);
f-el área de fuga del anillo interior de el pozo de prueba (centímetros cuadrados);
z——El espesor del agua circundante en el pozo de prueba (cm
h——Presión capilar (generalmente igual a la mitad de); la altura de elevación del capilar geotécnico) (cm);