Коэффициент пористости

Коэффициент пористости $e$  — отношение объёма пустот ${V_{V}}$ к объёму твёрдых частиц ${V_{S}}$. Стоит заметить, что в объём пустот входит объём воды и объём воздуха (пористость).

Фазовая диаграмма грунта. Где ${V_{V}}$ — объём пустот (включая пустоты занятые водой и воздухом), ${V_{S}}$ — объём сухого грунта, ${V_{T}}$ — общий объём.

Для решения практических задач принимают ${V_{V}}$ = $e$ и ${V_{S}}$=1. Соответственно: $e={\frac {V_{V}}{V_{S}}}={\frac {V_{V}}{1}}$

Коэффициент пористости в геотехнике

Коэффициент пористости — один из основных показателей состава и свойств грунтов, одна из переменных состояния грунтов. Согласно ГОСТ 25100-2020, различают коэффициент пористости песка в предельно рыхлом и плотном состояниях ($e_{max}$, $e_{min}$ соответственно)

$e={\frac {V_{V}}{V_{S}}}={\frac {V_{V}}{V_{T}-V_{V}}}={\frac {n}{1-n}}$

Разница между коэффициентом пористости и коэффициентом пустотности

В геотехнике символ пористости, $\phi$ обозначает угол внутреннего трения при дренированном сдвиге. Из-за этого уравнение обычно переписывают с использованием буквы $n$ пористости:

$n={\frac {V_{V}}{V_{T}}}$.

Как можно заметить выше пустотность это отношение объёма пустот к объёму твёрдых частиц (аналогично влажности, отношение массы воды к массе сухого грунта). Пористость же это отношение объёма пустот к общему объёму.

Зависимость между пустотностью и пористостью можно выразит как

$n={\frac {V_{V}}{V_{T}}}={\frac {V_{V}}{V_{S}+V_{V}}}={\frac {e}{1+e}}$

где $e$ — коэффициент пустотности, $n$ — пористость, V _V — объём пустот (воздух и вода), V _S — объём твёрдых частиц, а V _T — общий или объёмный объём.

Применение

• Контроль тенденции изменения объёма. Если Коэффициент пористости большой (рыхлый грунт) $e_{max}$, пустоты в грунте имеют тенденцию к минимизации под нагрузкой — соседние частицы сжимаются. Противоположная ситуация происходит, когда коэффициент пустотности относительно невелик (плотный грунт), $e_{min}$.
• Контроль проводимости жидкости (способность движения воды через почву). Рыхлые почвы обладают высокой проницаемостью, плотные являются менее проницаемыми.
• Движение частиц. В рыхлом грунте частицы могут перемещаться довольно легко, в то время как в плотном более мелкие частицы не могут проходить через пустоты, что приводит к их задержке.

Методы определения

Существует множество методов определения максимального и минимального коэффициента пустотности. Наиболее часто используемыми из этих методов являются методы, приведенные в ASTM D4254 (максимальной доли пустот) и D 4253 (минимальная доли пустот).

Критический Коэффициент пористости

${e_{cr}}$ значение коэффициента пустотности, при котором объём грунта не изменяется при сдвиге. В случае, если ${e_{0}}$>${e_{cr}}$ происходит разжижение грунтов (${e_{0}}$>${e_{cr}}$ грунт рыхлый и песок будет разжижаться, если предотвратить дренаж). Насыщенные грунты с коэффициентом пустотности более 1,0; содержит больше объема воды, чем объема твердого вещества. Состояние е>1,0 наблюдается во многих мелкозернистых грунтах. При изучении состава и свойств грунта мало внимания будет уделяться свойствам жидкой фазы, почти полностью сосредоточившись на минералогии и структуре твердой фазы. Это объясняется тем, что классическая механика грунтов основана на понятии эффективного напряжения, которое предполагает, что изменение объема и прочностные характеристики зависят от напряжений, переносимых зернистой структурой (твердой фазой), а водная фаза нейтральна.

Коэффициент пустотности в материаловедении

В материаловедении связан с пористостью следующим образом:

$e={\frac {V_{V}}{V_{S}}}={\frac {V_{V}}{V_{T}-V_{V}}}={\frac {\phi }{1-\phi }}$

а также как

$\phi ={\frac {V_{V}}{V_{T}}}={\frac {V_{V}}{V_{S}+V_{V}}}={\frac {e}{1+e}}$

где $e$ — коэффициент пустотности, $\phi$ — пористость, V _V — объём пустот (например, жидкости), V _S — объём твердых частиц, а V _T — общий или объемный объём. Эта цифра актуальна для композитов, горнодобывающей промышленности (особенно в отношении свойств хвостов) и почвоведения.