Permeability of sandy soils estimated from particle size distribution and field measurements

• Autorzy: Gorczewska-Langner Wioletta , Gumuła-Kawęcka Anna , Jaworska-Szulc Beata , Angulo-Jaramillo Rafael , Szymkiewicz Adam

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2023.147655

Warianty tytułu

PL

Przepuszczalność gruntów piaszczystych oszacowana na podstawie rozkładu wielkości cząstek i pomiarów terenowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Accurate estimation of soil permeability is crucial in many geotechnical applications. Empirical and theoretical equations based on soil particle size distribution (PSD) offer a fast and cheap way for preliminary estimation of permeability in granular soils, however the results obtained from various formulas available in the literature often show significant discrepancies. While several comparative studies on this topic have been published, no definite conclusions can be drawn on the performance of the predictive equations in comparison with in-situ permeability measurements. Many formulas require porosity or void ratio as input parameter, which is difficult to obtain for granular soil in-situ. In this study we applied 30 predictive equations to estimate permeability of sandy soil in an outwash plain deposit. The equations were divided into 5 groups, based on their structure and the required input parameters. Empirical formulas were used to estimate the expected in-situ porosity range. The obtained permeability values were compared to the results of in-situ permeameter measurements and pumping tests. Significant differences in the results and in their sensitivity to porosity were found between the 5 groups of methods. In general, simple equations which do not include porosity were in better agreement with measurements than the other groups.

PL

Dokładne oszacowanie przepuszczalności gruntu (k) ma kluczowe znaczenie w wielu zastosowaniach geotechnicznych. Empiryczne i teoretyczne równania oparte na rozkładzie uziarnienia (PSD) umożliwiają szybką i tanią wstępną ocenę przepuszczalności gruntów ziarnistych, jednak wyniki otrzymane z różnych wzorów dostępnych w literaturze często wykazują znaczne rozbieżności. Chociaż opublikowano kilka badań porównawczych na ten temat, nie można wyciągnąć jednoznacznych wniosków dotyczących zgodności równań predykcyjnych z pomiarami przepuszczalności wykonanymi bezpośrednio w terenie. Wiele wzorów wymaga uwzględnienia współczynnika porowatości jako parametru wejściowego, co jest trudne do uzyskania w przypadku gruntu ziarnistego in-situ. W niniejszej pracy zastosowano 30 równań predykcyjnych do oszacowania przepuszczalności gleby piaszczystej na terenie równiny sandrowej, zlokalizowanej w pobliżu miejscowości Cekcyn w Borach Tucholskich, w północnej Polsce. Badania realizowane były w ramach projektu badawczego dotyczącego określenia zasilania wód podziemnych. Równania predykcyjne podzielono na 5 grup ze względu na ich strukturę oraz wymagane parametry wejściowe. Wzory empiryczne wykorzystano do oszacowania oczekiwanego zakresu porowatości in-situ. Otrzymane wartości przepuszczalności porównano z wynikami pomiarów in-situ wykonanych za pomocą permeametru Aardvark oraz uzyskanych w wyniku próbnego pompowania. Stwierdzono istotne różnice w wynikach uzyskanych poszczególnymi wzorami oraz ich wrażliwość na współczynnik porowatości. Najlepszą zgodność wyników empirycznych z pomiarami in-situ uzyskano dla tych grup formuł, które nie uwzględniają porowatości lub uwzględniają jedynie stopień zagęszczenia, gdyż metody te opracowano pierwotnie na podstawie wyników badań terenowych. Jak wykazano w pracy, większość metod opartych na pomiarach laboratoryjnych przewiduje k niższe niż pomiary in-situ, czego powodem między innymi może być anizotropia i niejednorodność gruntu, który zwiększa przepuszczalność poziomą in situ, ze względu na obecność poziomych warstw lub soczewek o małej skali. Cechy te są trudne do uchwycenia za pomocą wzorów opartych na krzywych PSD.

Słowa kluczowe

EN

groundwater flow; particle size distribution; filtration coefficient; soil permeability; sandy soil

PL

przepływ wód podziemnych; krzywa uziarnienia; współczynnik filtracji; przepuszczalność gruntu; grunt piaszczysty

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 69, nr 4
• Strony: 187--204
• Opis fizyczny: Bibliogr. 61 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Gorczewska-Langner Wioletta

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Gdańsk, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-9907-5528

autor

Gumuła-Kawęcka Anna

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Gdańsk, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-6316-7439

autor

Jaworska-Szulc Beata

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Gdańsk, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-0082-6120

autor

Angulo-Jaramillo Rafael

• Laboratoire LEHNA, Vaulx-en-Velin, France

• https://orcid.org/0000-0002-9774-1598

autor

Szymkiewicz Adam

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Gdańsk, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-1573-7323

Bibliografia

• [1] J. Sobieraj, M. Bryx, and D. Metelski, “Management of rainwater as a barrier for the development of the City of Warsaw”, Archives of Civil Engineering, vol. 68, no. 4, pp. 419-443, 2022, doi: 10.24425/ace.2022.143047.
• [2] Z. Skrzypczak, A. Różański, I. Bagińska, and R. Pratkowiecki, “Construction of dams using the hydraulic fill method, discussion of the methodology of the Tailings Storage Facility Zelazny Most”, Archives of Civil Engineering, vol. 68, no. 2, pp. 227-242, 2022, doi: 10.24425/ace.2022.140639.
• [3] M. Vuković and A. Soro, Determination of hydraulic conductivity of porous media from grain size composition. Littleton: Water Resources Publications, 1992.
• [4] M. Kasenow, Determination of Hydraulic Conductivity from Grain Size Analysis. Littleton: Water Resources Publications, 2002.
• [5] A. Szymkiewicz and A. Kryczałło, “Obliczanie współczynnika filtracji piasków i żwirów na podstawie krzywej uziarnienia: przegląd wzorów empirycznych”, Inżynieria Morska i Geotechnika, no. 2, pp. 110-121, 2011.
• [6] R.P. Chapuis, “Predicting the saturated hydraulic conductivity of soils: a review”, Bulletin of Engineering Geology and the Environment, vol. 71, no. 3, pp. 401-434, 2012, doi: 10.1007/s10064-012-0418-7.
• [7] K. Urumović and Sr.K. Urumović, “The referential grain size and effective porosity in the Kozeny-Carman model”, Hydrology and Earth System Sciences, vol. 20, no. 5, pp. 1669-1680, 2016, doi: 10.5194/hess-20-1669-2016.
• [8] M. Kimura, “Prediction of tortuosity, permeability, and pore radius of water-saturated unconsolidated glass beads and sands”, The Journal of the Acoustical Society of America, vol. 143, no. 5, pp. 3154-3168, 2018, doi: 10.1121/1.5039520.
• [9] X.W. Ren and J.C. Santamarina, “The hydraulic conductivity of sediments: A pore size perspective”, Engineering Geology, vol. 233, pp. 48-54, 2018, doi: 10.1016/j.enggeo.2017.11.022.
• [10] M. Arshad, M.S. Nazir, and B.C. O’Kelly, “Evolution of hydraulic conductivity models for sandy soils”, Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Geotechnical Engineering, vol. 173, no. 2, pp. 97-114, 2020, doi: 10.1680/jgeen.18.00062.
• [11] K. Urumović, S. Borović, and D. Navratil, “Validity range and reliability of the United States Bureau of Reclamation (USBR) method in hydrogeological investigations”, Hydrogeology Journal, vol. 28, no. 2, pp. 625-636, 2020, doi: 10.1007/s10040-019-02080-2.
• [12] J.Díaz-Curiel, M.J. Miguel, B. Biosca, and L. Arévalo-Lomas, “New granulometric expressions for estimating permeability of granular drainages”, Bulletin of Engineering Geology and the Environment, vol. 81, no. 10, pp. 1-15, 2022, doi: 10.1007/s10064-022-02897-4.
• [13] K. Parylak, Z. Zieba, A. Buldys, and K. Witek, “Weryfikacja wyznaczania współczynnika filtracji gruntów niespoistych za pomocą wzorów empirycznych w ujęciu ich mikrostruktury”, Acta Scientiarum Polonorum. Architectura, vol. 12, no. 2, pp. 43-51, 2013.
• [14] F. Pliakas and C. Petalas, “Determination of hydraulic conductivity of unconsolidated river alluvium from permeameter tests, empirical formulas and statistical parameters effect analysis”, Water Resources Management, vol. 25, no. 11, pp. 2877-2899, 2011, doi: 10.1007/s11269-011-9844-8.
• [15] K. Dołżyk and I. Chmielewska, “Predicting the coefficient of permeability of non-plastic soils”, Soil Mechanics and Foundation Engineering, vol. 51, no. 5, pp. 213-218, 2014, doi: 10.1007/s11204-014-9279-3.
• [16] J. Rosas, O. Lopez, T.M. Missimer, K.M. Coulibaly, A.H. Dehwah, K. Sesler, and D. Mantilla, “Determination of hydraulic conductivity from grain-size distribution for different depositional environments”, Groundwater, vol. 52, no. 3, pp. 399-413, 2014, doi: 10.1111/gwat.12078.
• [17] J. Říha, L. Petrula, M. Hala, and Z. Alhasan, “Assessment of empirical formulae for determining the hydraulic conductivity of glass beads”, Journal of Hydrology and Hydromechanics, vol. 66, no. 3, pp. 337-347, 2018, doi: 10.2478/johh-2018-0021.
• [18] I.C. Toumpanou, I.A. Pantazopoulos, I.N. Markou, and D.K. Atmatzidis, “Predicted and measured hydraulic conductivity of sand-sized crushed limestone”, Bulletin of Engineering Geology and the Environment, vol. 80, no. 2, pp. 1875-1890, 2021, doi: 10.1007/s10064-020-02032-1 .
• [19] J. Kozeny, “Uber kapillare Leitung der Wasser in Boden”, Boden Sitzungsberichte Wiener Akademie, vol. 136, pp. 271-306, 1927.
• [20] C.S. Slichter, “Theoretical investigation of the motion of ground waters”, in The 19th Annual Report US Geophys Survey. 1899, pp. 304-319.
• [21] F. Zunker, “Das Verhalten des Bodens zum Wasser”, in Handbuch der Bodenlehre, vol. 6. Berlin: Springer, 1930, pp. 66-220.
• [22] Z. Białas and A. S. Kleczkowski, “O przydatności niektórych wzorów empirycznych dla określania współczynnika filtracji”, Archiwum Hydrotechniki, vol. 17, no. 3, 1970.
• [23] C. Cheng and X. Chen, “Evaluation of methods for determination of hydraulic properties in an aquifer-aquitard system hydrologically connected to a river”, Hydrogeology Journal, vol. 15, no. 4, pp. 669-678, 2007, doi: 10.1007/s10040-006-0135-z.
• [24] J.Y. Cheong, S.Y. Hamm, H.S. Kim, E.J. Ko, K. Yang, and J.H. Lee, “Estimating hydraulic conductivity using grain-size analyses, aquifer tests, and numerical modeling in a riverside alluvial system in South Korea”, Hydrogeology Journal, vol. 16, no. 6, pp. 1129-1143, 2008, doi: 10.1007/s10040-008-0303-4.
• [25] M.K.N. Shamsuddin, W.N.A. Sulaiman, M.F. Ramli, and F.M. Kusin, “Vertical hydraulic conductivity of riverbank and hyporheic zone sediment at Muda River riverbank filtration site, Malaysia”, Applied Water Science, vol. 9, no. 1, pp. 1-22, 2019, doi: 10.1007/s13201-018-0880-x.
• [26] T. Vienken and P. Dietrich, “Field evaluation of methods for determining hydraulic conductivity from grain size data”, Journal of Hydrology, vol. 400, no. 1-2, pp. 58-71, 2011, doi: 10.1016/j.jhydrol.2011.01.022.
• [27] J. Song, X. Chen, C. Cheng, D. Wang, S. Lackey, and Z. Xu, “Feasibility of grain-size analysis methods for determination of vertical hydraulic conductivity of streambeds”, Journal of Hydrology, vol. 375, no. 3-4, pp. 428-437, 2009, doi: 10.1016/j.jhydrol.2009.06.043.
• [28] C. Lu, X. Chen, C. Cheng, G. Ou, and L. Shu, “Horizontal hydraulic conductivity of shallow streambed sediments and comparison with the grain-size analysis results”, Hydrological Processes, vol. 26, no. 3, pp. 454-466, 2012, doi: 10.1002/hyp.8143.
• [29] R.P. Chapuis, “Estimating the in situ porosity of sandy soils sampled in boreholes”, Engineering Geology, vol. 141-142, pp. 57-64, 2012, doi: 10.1016/j.enggeo.2012.04.015.
• [30] M.A. Maroof, A. Mahboubi, E. Vincens, and A. Noorzad, “Effects of particle morphology on the minimum and maximum void ratios of granular materials”, Granular Matter, vol. 24, no. 1, pp. 1-24, 2022, doi: 10.1007/s10035-021-01189-0.
• [31] A. Gumuła-Kawecka, B. Jaworska-Szulc, A. Szymkiewicz, W. Gorczewska-Langner, M. Pruszkowska-Caceres, R. Angulo-Jaramillo, and J. Šimůnek, “Estimation of groundwater recharge in a shallow sandy aquifer using unsaturated zone modeling and water table fluctuation method”, Journal of Hydrology, vol. 605, art. no. 127283, 2022, doi: 10.1016/j.jhydrol.2021.127283.
• [32] S. Turek, Poradnik hydrogeologa. Warszawa: Wydawnictwa Geologiczne, 1971.
• [33] G. Kovacs, Seepage hydraulics. Elsevier, 1981.
• [34] W. Beyer and K.H. Schweiger, “Zur Bestimmung des entwässerbaren Porenanteils der Grundwasserleiter”, Wasserwirtschaft - Wassertechnik, vol. 19, o. 2, 1969.
• [35] T.L. Youd, “Factors controlling maximum and minimum densities of sands. Evaluation of Relative Denisty and Its Role in Geotechnical Projects Involving Cohesionless Soils”, in ASTM Special Technical Publications. American Society for Testing and Materials (ASTM), 1973, pp. 98-112.
• [36] D.W. Urish, “Electrical resistivity-hydraulic conductivity relationships in glacial outwash aquifers”, Water Resources Research, vol. 17, no. 5, pp. 1401-1408, 1981, doi: 10.1029/WR017i005p01401.
• [37] J. Zheng and R.D. Hryciw, “Index void ratios of sands from their intrinsic properties”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, vol. 142, no. 12, art. no. 06016019, 2016, doi: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001575.
• [38] R.P. Chapuis and M. Aubertin, “On the use of the Kozeny - Carman equation to predict the hydraulic conductivity of soils”, Canadian Geotechnical Journal, vol. 40, no. 3, pp. 616-628, 2003, doi: 10.1139/T03-013.
• [39] T.T. Nguyen and B. Indraratna, “The role of particle shape on hydraulic conductivity of granular soils captured through Kozeny-Carman approach”, Géotechnique Letters, vol. 10, no. 3, pp. 398-403, 2020, doi: 10.1680/jgele.20.00032.
• [40] A. Revil and L.M. Cathles, “Permeability of shaly sands”, Water Resources Research, vol. 35, no. 3, pp. 651-662, 1999, doi: 10.1029/98WR02700.
• [41] F.T. Mavis and E.F. Wilsey, A study of the permeability of sand. University of Iowa City, 1936.
• [42] K. Urumović and K.Sr. Urumović, “Comment on “HydrogeoSieveXL: an Excel-based tool to estimate hydraulic conductivity from grain-size analysis”: technical note published in Hydrogeology Journal, 2015, 23, pp. 837-844, by JF Devlin”, Hydrogeology Journal, vol. 25, no. 2, pp. 589-591, 2017, doi: 10.1007/s10040-016-1509-5.
• [43] A. Zuber, “Obliczanie współczynnika filtracji skał sypkich z krzywej uziarnienia”, in Materiały VI Konferencji Współczesne Problemy Hydrogeologii w Polanicy Zdroju. Wrocław: Oficyna Wydawnicza Sudety, 1993, pp. 415-419.
• [44] R.P. Chapuis, “Predicting the saturated hydraulic conductivity of sand and gravel using effective diameter and void ratio”, Canadian Geotechnical Journal, vol. 41, no. 5, pp. 787-795, 2004, doi: 10.1139/t04-022.
• [45] M. Mbonimpa, M. Aubertin, R.P. Chapuis, and B. Bussière, “Practical pedotransfer functions for estimating the saturated hydraulic conductivity”, Geotechnical and Geological Engineering, vol. 20, pp. 235-259, 2002, doi: 10.1023/A:1016046214724.
• [46] I.A. Palagin, “Opredelenie vodopronicaemosti zernistych materialov i niesviazlych gruntov”, Gidrotehnicheskoje Stroitielstvo, no. 3, pp. 41-42, 1964.
• [47] A.L. Gol’din and L.N. Rasskazov, Proektirovanie gruntovych plotin. Moskwa: Energoatomizdat, 1987.
• [48] I.A. Skabałłanowicz, Gidrogeołogiczeskije rasczety po dinamike podzemnych wod. Moskwa, 1960.
• [49] K. Terzaghi, “Principles of soil mechanics: III. Determination of permeability of clay”, Engineering News Records, vol. 95, no. 21, pp. 832-836, 1925.
• [50] A.A. Shahabi, B.M. Das, and A.J. Tarquin, “An empirical relation for coefficient of permeability of sand”, in Proceedings of the Fourth Australia-New Zealand Conference on Geomechanics, Perth, 14-18 May 1984. 1984, pp. 54-57.
• [51] W. Beyer, “Zur Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit von Kiesen und Sanden aus der Kornverteilungskurve”, Wasserwirtschaft - Wassertechnik, vol. 14, no. 6, 1964.
• [52] J.P. Powers, A.B. Corwin, P.C. Schmall, and W.E. Kaeck, Construction dewatering and groundwater control: new methods and applications. John Wiley & Sons, 2007, doi: 10.1002/9780470168103.ch28.
• [53] A. Hazen, “Some physical properties of sand and gravel, with special reference to their use in filtration”, in Massachusetts State Board of Health. 24th Annual Report. Boston, 1892, pp. 539-556.
• [54] W.C. Krumbein and G.D. Monk, “Permeability as a function of the size parameters of unconsolidated sand”, Transactions of the AIME, vol. 151, no. 1, pp. 153-163, 1943.
• [55] F.D. Masch and K.J. Denny, “Grain size distribution and its effect on the permeability of unconsolidated sands”, Water Resources Research, vol. 2, no. 4, pp. 665-677, 1966, doi: 10.1029/WR002i004p00665.
• [56] F. Seelheim, “Methoden zur Bestimmung der Durchlässigkeit des Bodens”, Zeitschrift für Analytische Chemie, vol. 19, no. 1, pp. 387-418, 1880.
• [57] J. Zieschang, “Die Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit von Lockergesteinsgrundwasserleitern”, Zeitschrift für Angewandte Geologie, vol. 10, no. 7, pp. 364-370, 1964.
• [58] P. Bischoff, H. Fliegner, L. Richter, and H. Wehner, “Die Ermittlung des Durchlässigkeitsbeiwert "kf" mittels elektronicher Datenverarbeitungsanlagen aus den Ergebnissen von Siebanalysen”, Zeitschrift für Angewandte Geologie, vol. 14, no. 2, pp. 88-93, 1968.
• [59] W.C. Krumbein, and L.L. Sloss, Stratigraphy and sedimentation. San Francisco: W. H. Freeman, 1963.
• [60] A.C. Muller and S. Guido, “Uczenie nienadzorowane i przetwarzanie wstępne”, in Machine learning, Python i data science. Gliwice: Helion SA, 2021, pp. 150-167.
• [61] P. Bruce, A. Bruce, and P. Gedeck, Statystyka praktyczna w data science, 2nd ed. Gliwice: Helion SA, 2021.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).