Коэффициент пористости: формула расчета и значение

Коэффициент пористости - один из важнейших показателей, характеризующих свойства грунтов. От его значения зависят прочность оснований зданий, качество дорожных покрытий, плодородие почв. Давайте разберемся, что представляет собой этот коэффициент, как его определяют и какое практическое значение он имеет.

Определение коэффициента пористости

Коэффициент пористости - это отношение объема пор в грунте к объему твердых частиц (скелета) этого грунта:

Коэффициент пористости = Объем пор / Объем твердых частиц

Он также тесно связан с плотностью грунта и плотностью его частиц. Пористость грунтов классифицируется в соответствии с ГОСТ 25100-2011 по значениям этого коэффициента:

• Непористые грунты - е ≤ 0,05;
• Слабопористые грунты - 0,05 < е ≤ 0,12;
• Среднепористые грунты - 0,12 < е ≤ 0,65;
• Сильнопористые грунты - е > 0,65.

Таким образом, чем выше значение коэффициента пористости, тем больший объем пор содержит грунт.

Методы определения коэффициента пористости

Существует два основных метода определения коэффициента пористости грунтов - экспериментальные и расчетные.

Экспериментальные методы подходят в основном для скальных или очень плотных грунтов. Они основаны на насыщении образцов грунта водой и измерении объемов жидкости и твердого вещества. Это достаточно трудоемкий процесс.

Расчетные методы более удобны и часто используются на практике. Коэффициент пористости вычисляется по формуле:

е = (ρs - ρd) / ρs

где ρ_s - плотность частиц грунта, ρ_d - плотность сухого грунта. Эти параметры определяются по стандартным методикам.

Преимущество расчетных методов в том, что они не требуют специального лабораторного оборудования и затрат времени. Недостаток - меньшая точность по сравнению с прямыми измерениями.

Значения коэффициента пористости для разных грунтов

Коэффициент пористости может сильно варьироваться для грунтов различного типа, гранулометрического состава, плотности сложения и других факторов.

Для песчаных грунтов пористость обычно выше, чем для глинистых. Чем крупнее фракции, тем больший объем пор между ними образуется. Также на пористость влияет степень окатанности частиц. С глубиной под действием большего давления пористость уменьшается.

Как видно из таблицы, у среднего песка коэффициент пористости больше. Это связано с большим количеством пустот между частицами.

Для глинистых грунтов пористость обычно не превышает 50%. Наиболее высокие значения характерны для торфов и заторфованных почв - до 95%.

Таким образом, коэффициент пористости позволяет количественно оценить объем пор в грунте, что важно для решения многих практических задач.

Виды пористости грунтов

Помимо общего коэффициента пористости, выделяют несколько его разновидностей в зависимости от характера пор.

Открытая и закрытая пористость

По расположению относительно твердых частиц грунта поры делятся на открытые и закрытые. Открытая пористость образована пустотами между зернами, частицами и агрегатами. Такие поры связаны друг с другом и с внешней средой.

Закрытая пористость представлена изолированными полостями внутри структурных элементов грунта. Они не имеют выхода наружу.

Микро-, мезо- и макропористость

По размерам пор грунты делят на микропористые (диаметр пор менее 0,001 мм), мезопористые (0,001-0,1 мм) и макропористые (свыше 0,1 мм).

Микропоры способны удерживать лишь пленочную влагу, мезопоры заполнены капиллярной влагой. Наибольшее значение для фильтрации имеют макропоры, через которые свободно движутся жидкость и газ.

Связь пористости с фильтрационными свойствами

От соотношения открытых и закрытых пор зависят фильтрационные характеристики грунта – водопроницаемость и водоотдача. Чем выше доля открытых пор, тем лучше грунт пропускает воду под действием градиента напора.

При преобладании закрытой пористости движение влаги затруднено или полностью блокировано. Поэтому такие грунты малопригодны в качестве оснований гидротехнических сооружений, их необходимо предварительно дренировать.

Коэффициент водонасыщения

Наряду с общим коэффициентом пористости определяют коэффициент водонасыщения грунта S_r. Он показывает, какая часть пор заполнена водой:

S_r = W / (e · ρ_s · ρ_w)

Здесь W - природная влажность грунта, ρ_s - плотность частиц грунта, ρ_w - плотность воды, e - коэффициент пористости.

В зависимости от S_r грунты классифицируются на маловлажные, влажные и водонасыщенные. Этот показатель учитывается при расчете устойчивости откосов, фундаментов и других геотехнических конструкций.

Практическое значение коэффициента пористости

Коэффициент пористости имеет большое практическое значение при решении инженерных задач в строительстве, сельском хозяйстве, горном деле.

В геотехнических расчетах

Коэффициент пористости учитывается при расчете осадки фундаментов, устойчивости откосов, несущей способности оснований сооружений. Чем выше пористость грунта, тем больше его сжимаемость и ползучесть, тем большие деформации может испытывать конструкция.

Для классификации грунтов

В соответствии со значениями коэффициента пористости грунты делят на непористые, слабопористые, среднепористые и сильнопористые. Также по этому показателю классифицируются песчаные грунты (на плотные, средней плотности и рыхлые).

В сельском хозяйстве

Для роста растений необходима почва с оптимальным соотношением твердых частиц, воздуха и влаги в поровом пространстве. Коэффициент пористости позволяет оценить этот баланс и при необходимости изменить свойства почвы.

При разработке месторождений

При бурении скважин и добыче полезных ископаемых важно знать пористость вмещающих горных пород. От этого зависит приток флюидов в скважину, нефте- и газоотдача пластов.

Регулирование коэффициента пористости

Существуют различные способы регулирования пористости грунтов для решения практических задач: