Hệ số thấm nước của đất là gì?
Hệ số thấm nước của đất (hydraulic conductivity / permeability), ký hiệu k, là tốc độ nước thấm qua môi trường đất dưới gradient thủy lực đơn vị. Hệ số k phản ánh khả năng đất cho phép nước di chuyển qua các lỗ rỗng giữa các hạt. Đây là thông số nền tảng trong địa kỹ thuật, thủy văn và thiết kế hệ thống thoát nước.
Định luật Darcy và ý nghĩa k
Hệ số thấm k xuất phát từ Định luật Darcy (1856):
v = k × i
Trong đó: v = vận tốc thấm (m/s); k = hệ số thấm (m/s); i = gradient thủy lực (không thứ nguyên = chênh lệch cột nước / chiều dài thấm). Đơn vị k thường dùng là m/s hoặc cm/s; trong thủy văn còn dùng m/ngày.
Giá trị k tiêu biểu theo loại đất
| Loại đất | k (m/s) | Khả năng thoát nước | Ứng dụng thiết kế |
|---|---|---|---|
| Cuội sỏi thô | 10⁻¹ – 10⁻² | Rất cao | Lớp lọc, drain |
| Cát sạch (cát thô) | 10⁻³ – 10⁻⁴ | Cao | Nền thoát nước tốt |
| Cát mịn | 10⁻⁵ – 10⁻⁷ | Trung bình | Cần kiểm tra thấm |
| Silt (bột) | 10⁻⁶ – 10⁻⁸ | Thấp | Thoát nước chậm |
| Sét pha (sét thường) | 10⁻⁸ – 10⁻¹⁰ | Rất thấp | Nền có áp lực nước lỗ rỗng |
| Sét nén chặt | <10⁻¹⁰ | Gần không thấm | Đê đập, màng chống thấm tự nhiên |
Phương pháp thử nghiệm xác định k
Thử nghiệm cột nước cố định (Constant Head Test)
Áp dụng cho đất hạt thô (cát, sỏi) có k > 10⁻⁴ m/s. Giữ chênh lệch cột nước ổn định qua mẫu đất, đo lưu lượng Q qua thời gian t:
k = Q × L / (A × h × t)
Q = lưu lượng; L = chiều dài mẫu; A = diện tích mặt cắt; h = chênh lệch cột nước. Tiêu chuẩn: ASTM D2434.
Thử nghiệm cột nước giảm dần (Falling Head Test)
Áp dụng cho đất hạt mịn (silt, sét) có k < 10⁻⁴ m/s. Đo thời gian nước giảm từ cột nước h₁ xuống h₂ qua ống đo nhỏ diện tích a:
k = (a × L) / (A × t) × ln(h₁/h₂)
Tiêu chuẩn: ASTM D5084.
Thử nghiệm hiện trường
- Thử bơm (pumping test): Bơm nước từ giếng thử, đo mực nước giếng quan trắc xung quanh để xác định k tầng chứa nước.
- Thử Lefranc: Đổ nước vào hố khoan, đo tốc độ thoát nước.
- Permeameter hiện trường (Guelph permeameter): Đo k bão hòa tại chỗ.
Các yếu tố ảnh hưởng đến k
- Cỡ hạt và phân bố hạt: Hạt lớn, đều cỡ → lỗ rỗng lớn → k cao.
- Độ rỗng (void ratio e): e cao → k cao; k tăng theo lũy thừa của e.
- Cấu trúc đất: Đất phân lớp, nứt nẻ có k định hướng.
- Độ nhớt nước: Nhiệt độ cao → độ nhớt thấp → k tăng; cần hiệu chỉnh về nhiệt độ tiêu chuẩn 20°C.
- Hàm lượng khoáng sét: Khoáng montmorillonite hút nước trương nở, giảm k mạnh.
Ứng dụng trong thiết kế
- Thiết kế đê đập: Đánh giá nguy cơ thấm và ổn định đê.
- Thoát nước công trình: Tính toán hệ thống drain, hạ mực nước ngầm.
- Cố kết đất: k ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ cố kết và lún.
- Ô nhiễm đất nước ngầm: Đánh giá tốc độ lan truyền chất ô nhiễm.
- k của sét bao nhiêu?
- Sét có k từ 10⁻⁸ đến 10⁻¹⁰ m/s, coi như không thấm nước trong điều kiện thực tế xây dựng.
- Thử constant head hay falling head cho cát?
- Cát thô dùng constant head test (ASTM D2434); cát mịn và silt dùng falling head test (ASTM D5084).
- k có thay đổi theo thời gian không?
- Có. Đất sét trương nở làm giảm k theo thời gian; đất cát bị xói lở hạt mịn có thể tăng k. Cần kiểm tra định kỳ cho công trình quan trọng.