Jordarnas permeabilitet förklaras

Markens permeabilitet är ett mått på hur snabbt vatten passerar genom marken/jordarten. Detta är viktig information för alla tekniska konstruktioner som är placerade på, i eller under marken. Vatten påverkar markens egenskaper. Vatten som passerar in i eller genom marken påverkar markens hållfasthet och spänningar. Läckagehastigheten genom jorddammar eller lagringsdammar har ett tydligt samband med markens permeabilitet, men sättningen och stabiliteten hos fyllningen är också starkt beroende av markens permeabilitet i grunden. Effektiviteten hos sidodräneringarna längs en transportväg beror också på permeabilitet hos marken i jordlager. Jordens permeabilitet är därför viktig.

I det här inlägget kommer vi att titta på:

• Vad betyder permeabilitet? 
• Vad är markens/ jordens permeabilitet?
• Vad påverkar markens permeabilitet?
• Varför är markens permeabilitet en viktig faktor?
• Tester på jordens permeabilitet
• Typiska värden för permeabilitet för olika jordarter 
• Redovisning av markens permeabilitet vid byggnation

 

Om du är särskilt intresserad av ett avsnitt kan du använda länkarna ovan för att navigera till det. 

Vad betyder permeabilitet?

Flödeshastigheten för en vätska genom ett poröst medium är direkt knuten till den hydrauliska gradient som orsakar flödet. Detta är känt som Darcys lag. Enkelt uttryckt kan man säga att vatten endast kommer att strömma genom en jord från A till B om det finns en tryckskillnad mellan A och B. Flödeshastigheten är direkt relaterad till storleken på denna tryckskillnad. Vätskans temperatur och viskositet har en inverkan, liksom partikelstorlek, hålrumsinnehåll och sammansättning i mediet. 

Flödeshastigheten per ytenhet kallas permeabilitet eller ibland hydraulisk konduktivitet.

Vad är markens/ jordens permeabilitet?

För jordar handlar det vanligen om vattenflöde. Jordens permeabilitet är jordens förmåga att låta vatten passera genom den.  Jordens permeabilitet representeras vanligen av permeabilitetskoefficienten (k), där k är vattenflödet per enhetsytan i jorden under en enhetlig hydraulisk gradient.

Låg permeabilitet i marken kan leda till att vatten ansamlas och mjukar upp materialet.  

Vad påverkar markens permeabilitet? 

Jorden består av partiklar med mellanliggande hålrum. Dessa hålrum kan fyllas med luft eller vatten. Om alla hålrum är fyllda med vatten då jorden är vattenmättad. Om endast en del av hålrummen är vattenfyllda sägs det att jorden är delvis vattenmättad. Vatten passerar inte genom jordpartiklar, utan strömmar genom hålrummen mellan partiklarna. Vatten kan passera genom dessa mellanliggande hålrum när det finns en tryckskillnad på grund av en skillnad i vattennivå (hydraulisk höjd) eller från sugning från växtrötter som en effekt av transpiration. Partiklarnas form och struktur, den relativa volymen av hålrummen i jorden (hålrumsförhållandet) och mättnadsgraden påverkar alla genomsläppligheten. Packning har en tydlig påverkan eftersom den minskar jordens porvolym.

Jordens skiktning påverkar också permeabiliteten. När marken byggs upp i lager, under byggnationen eller genom avlagring, är det troligt att permeabiliteten/genomsläppligheten är större horisontellt än vertikalt över lagergränserna.

Mättade jordar med låg permeabilitet innebär problem för vägar - användning av en stabiliserande geogrid, t.ex. Tensar InterAx, skyddar det svaga underlaget och gör det möjligt att packa ovanliggande fyllmassor.

 

Varför är markens permeabilitet en viktig faktor?

För jordkonstruktioner, såsom dammar eller uppsamlingsdammar, är läckagehastigheten naturligtvis viktig, men permeabiliteten är också avgörande betydelse för stabiliteten hos slänter. När jordar belastas utsätts vattnet i jorden för ett ökat tryck, som kallas portryck. Det ökade portrycket minskar kontakten mellan partiklar och partiklar och minskar markens hållfasthet. Det förhöjda portrycket avtar långsamt när vattnet rinner ut ur jorden och jorden konsolideras. Hur snabbt portrycket försvinner påverkas av jordens genomsläpplighet. Jordar med låg permeabilitet tar längre tid att konsolidera. Detta har en inverkan på hur snabbt hållfastheten ökar och även på sättningshastigheten, som båda är viktiga för alla jordkonstruktioner. När det gäller vägbanor kommer permeabilitet i jordlager  ha en tydlig inverkan på hållfastheten i underlaget under och efter byggandet. En mättad jordvolym kan därför vara lämpligare för vägkonstruktion, särskilt under byggnadsfasen.

Tester på jordens permeabilitet 

Jordpermeabilitet erhålls vanligtvis från prover som tas till laboratoriet. Det finns två typer av laboratorietester: Test med fallande tryck och test med konstant tryck. Det finns standardprotokoll för testerna, såsom ISO. 17892-11:2019.

Falling Head Test

Vid denna provning tillåts differentialtrycket (the head/tryckhöjden) genom provet att minska när vatten tränger in i provet. Trycket minskar alltså under provningens gång. Denna typ av provning är i allmänhet begränsad till finkorniga jordar.

Constant Head Test

I detta test förblir differentialtrycket över provet konstant under hela testet. Testet är lika lämpligt för grus, sand och lerjordar.

Field Testing

Fältförsök kan också utföras. Detta är vanligtvis enkla perkolationstester där ett hål borras och fylls med vatten. Tiden för vattennivån sjunkning noteras sedan som en indikator på permeabiliteten. Det finns mer trovärdiga metoder för fälttestning, t.ex. pumptestet där vatten pumpas från ett borrhål medan mätningar av hydraulisk höjd görs från en rad intilliggande hål för att bestämma den underjordiska hydrauliska portrycksprofilen under pumpningen och utifrån det beräkna ett värde för permeabiliteten.

Simple Field Percolation Test - Genom att mäta hur snabbt vattennivån sjunker i ett noggrant utformat hål kan man beräkna den mättade jordens konduktivitet, vilket är en indikator på jordens permeabilitet. 

 

Fältförsök ger troligen en mer exakt indikation av permeabiliteten än laboratorietester, som kan överskatta värdet (visa mycket lägre permeabilitet än fältförsöken). Huvudskälet till detta är att fälttesterna skulle fungera på ett stort prov där "makropermeabilitet" genom lager naturliga sprickor och jordsprickor kan förekomma. Prover i laboratoriestorlek är inte tillräckligt stora för att vara representativa för den faktiska variationen i skikten. Om markens permeabilitet är en viktig parameter i en design/konstruktion, men indatat kan vara tveksamt, är det lämpligt att göra en känslighetsanalys för att kontrollera hur förändringar i markens permeabilitet kommer att påverka en design/konstruktion.

Typiska värden för permeabilitet för olika jordarter

Även om en viss jordtyps förmåga att överföra vatten varierar på plats på grund av packning och vattenmättnad, gör den permeabilitetskoefficient som mäts under standardiserade laboratorietest det möjligt att göra en hierarki/ klassificering av jordtyper. I tabellen nedan listas jordar i ordning efter minskad permeabilitet (k, mätt i m/sek).

Redovisning av markens permeabilitet vid byggnation

Jordens permeabilitet kommer att spela en viktig roll vid utformningen av jordfyllningar och terrasser, där den långsiktiga påverkan av vattenflödet kommer att beaktas med tanke på läckage, men också för att förstå jämvikten i fyllningen och grundläggningen.

Ingenjörer som konstruerar fyllningar över svaga jordar måste också ta hänsyn till hur permeabiliteten i jordar påverkar sättningshastigheten, sättningsprofilen och bärigheten. 

När man bygger fyllningar över jordar med låg permeabilitet och låg hållfasthet ökar den ökade belastningen portrycket i underliggande jordlager. Detta minskar i sin tur markens bärighet och stabiliteten hos den fyllning som byggs. Den maximala hastigheten för byggandet av en fyllning bestäms därför av portryckets avklingande, som är en funktion av permeabiliteten. För att påskynda byggandet har ingenjörerna flera alternativ. Användning av vertikala vickdräneringar minskar dräneringsvägen och påskyndar portrycksavledningen. I vissa fall kompletteras användningen av vickdräneringar med geosyntetisk grundförstärkning, t.ex. Tensar Basetex, för att öka stabiliteten i fyllningen. Alternativt kan man använda en styv grundplattform, t.ex. TensarTech Stratum-systemet, för att öka stabiliteten i fyllningen och minska den differentiella sättningen över fyllningens bredd.

Nästa steg

Markens permeabilitet avgör hur snabbt vatten kan passera genom eller ut ur en jord. Detta har ett direkt inflytande på den tillåtna bygghastigheten för fyllningar och andra konstruktioner. Geosyntetiska lösningar som TensarTech Stratum och Tensar Basetex kan lindra vissa av konstruktionskraven och påskynda byggprocessen. Användningen av Tensar InterAx geogrid kan göra det möjligt att bygga vägar och trafikerade områden över svaga mättade jordar som inte kan dräneras före byggnationen på grund av sin låga permeabilitet.