Permeability Tests and Permeameter - prove di permeabilità e permeametro

Riassunto: definizione di permeabilità (permeability for dummies)

La permeabilità (o conducibilità idraulica) è essenzialmente una misura della velocità alla quale un fluido (generalmente acqua) può attraversare un mezzo poroso saturo (nel nostro caso il suolo), ammesso che vi sia un “gradiente” (ovvero una differenza di potenziale) che fa muovere l’acqua da un punto all’altro.

E’ espressa dimensionalmente come una velocità (generalmente metri/secondo), è regolata dalla legge di Darcy.

Abstract: definition of permeability (permeability for dummies)

Permeability (or hydraulic conductivity) is essentially a measure of the speed at which a fluid (generally water) can cross a saturated porous medium (in our case the soil), provided that there is a "gradient" (ie a potential difference) which makes the water move from one point to another.

It is expressed dimensionally as a speed/velocity (generally meters / second), it is governed by Darcy's law.

Il gradiente può essere dato da una differenza di livello o pressione fra un punto A e B, come da un moto indotto da operazioni di pompaggio.

Le cose si complicano quando il suolo non è saturo, dato che intervengono fenomeni quali la suzione e la presenza di acqua contenuta nei pori (bulk water)

In terreni insaturi l'acqua interstiziale può essere presente sotto due diverse forme con differenti effetti sullo scheletro solido:

- acqua del menisco = acqua presente come lenti ai contatti interparticellari circondati da pori secchi (vuoti)

- acqua nei pori (bulk water) = acqua che allaga i pori come nei terreni saturi

La presenza di acqua sotto queste due diverse forme è il motivo per cui il comportamento ingegneristico dei terreni insaturi differisce da quello dei terreni saturi.

The gradient can be given by a difference in level or pressure between a point A and B, as well as by a motion induced by pumping operations.

Things get complicated when the soil is not saturated, given that phenomena such as suction and the presence of water contained in the pores (bulk water) intervene

In unsaturated soils, interstitial water can be present in two different forms with different effects on the solid skeleton:

- meniscus water = water present as lenses at interparticle contacts surrounded by dry (empty) pores

- water in the pores (bulk water) = water that floods the pores as in saturated soils

The presence of water under these two different forms is the reason why the engineering behavior of unsaturated soils differs from that of saturated soils.

La permeabilità a piccola scala dipende da diversi fattori: indice dei vuoti, porosità, dimensioni, forma e disposizione delle particelle di terreno, curva granulometrica, densità del terreno, grado di saturazione, caratteristiche chimiche e geologiche del terreno e dell’acqua.

A grande scala la permeabilità globale di un determinato strato dipende anche dall’omogeneità dello strato stesso e dalle condizioni al contorno.

Inoltre è necessario distinguere fra permeabilità orizzontale e verticale, a seconda che il moto sia in direzione orizzontale o verticale nel medesimo strato.

Quando la permeabilità orizzontale è diversa da quella verticale si parla di anisotropia di un determinato strato, tipicamente si ha Kh>Kv, dipendendo dalla storia deposizionale.

Quando si parla di anisotropia è necessario riferirsi allo stesso strato o una determinata porzione di terreno che può includere diversi strati o piccoli strati (ad esempio varvature) che possono alterare drasticamente i valori di anisotropia.

Per esempio, con riferimento alla figura seguente, nel primo caso la “permeabilità” orizzontale calcolata come la velocità di trasmissione da un punto A ad un punto B è sostanzialmente differente dal secondo, in cui entra in gioco la permeabilità verticale dello strato argilloso.

Small-scale permeability depends on several factors: void index, porosity, size, shape and arrangement of soil particles, grain size curve, soil density, degree of saturation, chemical and geological characteristics of the soil and water.

On a large scale, the global permeability of a given layer also depends on the homogeneity of the layer itself and the boundary conditions.

Furthermore, it is necessary to distinguish between horizontal and vertical permeability, depending on whether the motion is in a horizontal or vertical direction in the same layer.

When the horizontal permeability is different from the vertical one we speak of anisotropy of a determined layer, typically we have Kh> Kv, depending on the depositional history.

When we talk about anisotropy it is necessary to refer to the same layer or a specific portion of soil which can include different layers or small layers (for example varves=very thin layers) which can drastically alter the anisotropy values.

For example, with reference to the following figure, in the first case the horizontal “permeability” calculated as the transmission speed from a point A to a point B is substantially different from the second, in which the vertical permeability of the clayey layer comes into play.

Quindi in definitiva la determinazione esatta della permeabilità è alquanto complicata, tuttavia vi sono strumenti che la permettono, sia in piccola scala che a larga scala.

So ultimately the exact determination of permeability is somewhat complicated, however there are tools that allow it, both on a small and large scale.

Parlando di prove PUNTUALI (ovvero eseguite a fondo foro) le più popolari usate nel corso dei sondaggi, a seconda si tratti di terreni o roccia sono le LEFRANC e LUGEON

Le prove di permeabilità “standard” tipo Lefranc si eseguono a fondo foro e consistono nel riempire la colonna di rivestimento di acqua e misurare l’abbassamento (assorbimento) in funzione del tempo (carico variabile) o misurare la quantità d’acqua necessaria a mantenere il livello costante (carico costante); sono prove affidabili se eseguite in numero statisticamente valido e trovano applicazione in terreni permeabili (sabbie, ghiaie); in argille tale prova –se fosse ben eseguita- durerebbe per ore o giorni.

Le prove Lugeon si eseguono IN ROCCIA (o comunque terreni compatti) e consistono nella preventiva esecuzione di un PREFORO entro il quale viene posto un packer (otturatore), che permette l’iniezione di acqua a pressione solo in un tratto localizzato del preforo; si misura la pressione e il flusso di acqua in funzione del tempo.

Con pressioni molto più elevate e modalità esecutive poco diverse (ma con attrezzature speciali) tale prova è definita di “fratturazione idraulica”, permettendo di ricavare indirettamente le caratteristiche meccaniche della roccia stessa.

Fra gli altri metodi più utilizzati oltre alle Lefranc si citano gli SLUG TEST che essenzialmente consistono nel sottrarre o aggiungere in modo “istantaneo” (non continuo come nelle prove di pompaggio) un determinato volume d’acqua dal foro (attrezzato a piezometro) e misurare la velocità di ripristino del livello originario.

Vi sono anche SLUG TEST “PNEUMATICI” che consistono nel “pressurizzare” un piezometro e misurare la velocità di ripristino delle condizioni iniziali dopo aver tolto la pressione.

Quindi gli SLUG TEST sono eseguiti avendo a disposizione un piezometro mentre le prove LEFRANC sono condotte in avanzamento in un foro di sondaggio all’interno del tubo di rivestimento.

Talking about tests which are performed at the bottom of the hole (hence dealing with low volume of soil) the most popular used during the bore-holes, depending on whether they are soil or rock are the LEFRANC and LUGEON

The "standard" permeability tests of the Lefranc type are carried out at the bottom of the hole and consist of filling the casing with water and measuring the lowering (absorption) as a function of time (variable load) or measuring the quantity of water necessary to maintain the constant level (constant load); they are reliable tests if performed in statistically valid numbers and find application in permeable soils (sands, gravels); in clays this test - if it was well done - would last for hours or days.

The Lugeon tests are carried out  in rocks (or in any case stiff soils) and consist in the preventive execution of a PRE-HOLE within which a packer is placed, which allows the injection of water under pressure only in a localized section of the pre-hole; the pressure and the flow of water are measured as a function of time.

With much higher pressures and slightly different execution methods (but with special much stronger equipment) this test is defined as "hydraulic fracturing", allowing to indirectly obtain the mechanical characteristics of the rock itself.

Among the other most used methods in addition to the Lefranc tests, mention is made of the SLUG TEST which essentially consist in subtracting or adding in an "instantaneous" way (not continuous as in the pumping tests) a certain volume of water from the hole (equipped with a piezometer) and measuring the speed of restoration of the original level.

There are also "PNEUMATIC" SLUG TESTS which consist of "pressurizing" a piezometer and measuring the speed of restoration of the initial conditions after releasing the pressure.

Then the SLUG TESTS are performed with a available piezometer while the LEFRANC tests are conducted inside the casing while it is drilled down, at different depth.

La Lefranc è nella pratica comune una prova molto semplice e speditiva da eseguire (in sabbia e ghiaia) , ma nel momento in cui dovrebbero essere seguite determinate prescrizioni per una corretta esecuzione che permetta una interpretazione affidabile diventa una prova abbastanza laboriosa.

Infatti l’affidabilità della prova dipende essenzialmente dal fatto di avere una “camera di prova” al fondo del foro di materiale “indisturbato” e con una forma ben definita e certa.

Nella realtà la prova Lefranc si esegue in terreni SABBIOSI che tendono a rifluire dentro la colonna di rivestimento nel momento stesso in cui si interrompe il pompaggio di acqua; quindi la prova NON si potrebbe eseguire nel terreno “rifluito”. Per evitare il rifluimento è necessario aggiungere all’acqua polimero o bentonite, alterando completamente le caratteristiche di permeabilità del fondo foro!

Per ovviare a ciò sarebbe necessario lavare il foro con acqua pulita e/o con utensili appositi, posizionare immediatamente della ghiaia nella camera così ottenuta a fondo foro ed eseguire finalmente la prova.

Oppure usare una seconda colonna riempita a fondo foro di ghiaia.

Cosa che quasi nessuno fa (visti i prezzi di mercato)!

Lefranc is in common practice a very simple and relatively quick test to be performed (in sand and gravel), but when under certain requirement for a correct execution (leading to a correct interpretation) it may become a rather laborious and time-consuming test.

In fact, the reliability of the test essentially depends on the fact of having a "test chamber" at the bottom of the hole of "undisturbed" material and with a well-defined and certain shape.

In common practice, the Lefranc test is carried out in SANDY soils which tend to flow back into the casing at the same time as the water flow is stopped; thus the test could NOT be performed in the disturbed soil. To avoid backflow, it is necessary to add polymer or bentonite to the water, completely altering the permeability characteristics of the bottom of the hole!

To overcome this it would be necessary to wash the hole with clean water and / or with special tools, immediately place grave (for not making the hole collapse) in the chamber thus obtained at the bottom of the hole and finally carry out the test. Or use a second casing filled at the bottom of the gravel hole. Which almost nobody does (given the market prices!).

Il fatto di dover eseguire la prova Lefranc in una porzione di terreno con caratteristiche geometriche NOTE e in terreno quasi INDISTURBATO sono di fatto le più importanti limitazioni.

Perciò si ovvia con “espedienti” quali infiggere una seconda colonna riempita al fondo di ghiaia, oppure creando un preforo con appositi utensili in cui installare una specie di “pozzo” filtrante provvisorio, così facendo si è sicuri almeno di eseguire la prova Lefranc in un foro a geometria definita.

A tale proposito nelle figure seguenti è mostrato un dispositivo usato in una campagna di indagini dove era determinante conoscere con precisione la permeabilità (progetto deposito scorie radioattive ); in pratica era un tratto filtrante che era posto in opera con cavo (wireline) dentro la colonna di rivestimento dopo che un piccolo carotiere (sempre wireline) creava una “tasca” in cui si inseriva il tratto filtrante, nel contempo prelevando una carota di terreno per un confronto di laboratorio.

Questo dispositivo permetteva l’esecuzione di prove “simil-Lefranc” anche pressurizzando la colonna dato che la permeabilità era spesso così bassa da non permettere l’abbassamento dell’acqua in colonna solo per gravità!

Carrying out the Lefranc test in a section of soil with well-known size and shape and in almost UNDISTURBED soil are in fact the most important limitations.

Hence these problems are solved with "gimmicks" such as driving a second casing filled with gravel at the bottom, or creating a pre-hole with special tools in which to install a kind of temporary filtering "well”.

In this regard, the following figures show a device used in an geotechnical investigation campaign where it was crucial to know the permeability (design of a deep underground radioactive waste deposit); it was a “filtering section” which was installed with cable (wireline) inside the casing after a small core-barrel (always wireline) created a "pocket" in which the filtering section was inserted, while at the same time taking a core of soil for a laboratory comparison.

This device made it possible to perform "Lefranc-like" tests also by pressurizing the column since the permeability was often so low that the water in the column was not lowered by gravity only.

Nella figura che segue a sinistra è mostrato lo schema di prova con pressurizzazione, mentre a destra si vede in dettaglio il permeametro.

Si nota sulla parte superiore una specie di elica che serviva per creare un tratto sufficientemente isolato idraulicamente, avvitando il permeametro nel terreno.

Quando l’acqua in qualche caso passava attraverso il tratto isolato idraulicamente (con l’elica) risaliva all’esterno della colonna. Un sensore di pressione era posto all’esterno della colonna, e quando rilevava una variazione durante la prova significava che l’acqua stava cominciando a filtrare attraverso il tratto isolato (con elica) e quindi la prova era sospesa.

Si nota anche il particolare di aggancio del sistema wireline (in basso a destra)

In the following figure on the left is shown the test scheme with pressurization, while on the right you can see the wireline-permeameter in detail.

On the upper part there is a kind of auger which was used to create a sufficiently hydraulically isolated section, screwing the permeameter into the ground.

When the water in some cases passed through the hydraulically isolated section (with the auger) it went up outside the column. A pressure sensor was placed outside the casing, and when it detected a variation during the test it meant that the water was beginning to filter through the auger isolated section and therefore the test was suspended.

Note also the detail of the wireline system (bottom right).

L’interpretazione delle prove LEFRANC a carico variabile nel corso dei sondaggi si basa su numerose formule, le quali fanno riferimento a:

•      Misura di livelli (variazione di livello in colonna)

•      Misura dei Tempi

•      Caratteristiche geometriche (diametri, profondità, battente d’acqua o carico piezometrico)

•      Coefficienti correttivi (di forma)

Quindi in definitiva:

K=funzione (DH, DT, coefficiente di forma)

Nella schermata a fianco è mostrata l’interpretazione di una prova Lefranc, fatta peraltro in Argilla, con un tempo di riequilibrio di oltre 55 ore !!

In sabbia le prove sono molto più rapide (qualche minuto o decina di minuti)

The interpretation of the LEFRANC variable load tests is based on numerous formulas, which refer to:

·        Level measurement (level change in column)

·        Time measurement

·        Geometric characteristics (diameters, depth, water head or piezometric load)

·        Correction coefficients (form)

·        So ultimately:

·        K = function (DH, DT, form factor)

The screenshot shows the interpretation of a Lefranc test, performed in silt, with a rebalancing time of more than one hour.

In sand the tests are much faster (a few minutes or some ten minutes)

La prova LEFRANC può essere eseguita a CARICO COSTANTE, in tal caso la prova consiste nel riempire la colonna di acqua e misurare (anziché l’abbassamento) la portata di acqua necessaria per mantenere un certo livello.

A differenza di quella a carico variabile per l’esecuzione di tale prova è necessario avere un contalitri.

E’ generalmente più indicata in terreni molto permeabili, dove l’abbassamento avviene in modo rapido e difficilmente misurabile.

segue una delle numerose tabelle impiegate per definire il COEFFICIENTE DI FORMA impiegato nella interpretazione delle prove Lefranc

The LEFRANC test can be performed with CONSTANT HYDRAULIC HEAD.

In this case the test consists in filling the column with water and measuring (instead of lowering) the water flow rate which is necessary to maintain a certain level.

Unlike the variable load one, for the execution of this test it is necessary to have a flowmeter.

It is generally more suitable in very permeable soils, where the lowering occurs quickly and difficult to measure.

Following are some figures showing the shape coefficient to be used in interpretation formulae.

Come si è potuto brevemente vedere l’esecuzione delle prove di permeabilità Lefranc in foro di sondaggio è un procedimento apparentemente semplice, ma in realtà una prova correttamente eseguita presupporrebbe un impiego di risorse ben più ampio ed articolato di quello normalmente dispiegato.

In particolare la preparazione del fondo foro (e la relativa stabilizzazione in certi casi) è una pratica molto impegnativa che nella maggioranza dei casi non è richiesta né compensata.

Per cui le prove Lefranc vengono spesso eseguite semplicemente interrompendo la perforazione, riempiendo il tubo di rivestimento di acqua e misurando l’abbassamento per qualche minuto o decina di minuti.

Pertanto –come peraltro per tutte le prove- sarebbe consigliabile eseguire un numero statisticamente significativo di prove di permeabilità Lefranc, e preferibilmente confrontare i risultati con altri tipi di prova, possibilmente una prova di pompaggio per i casi più importanti.

As a final note the execution of the Lefranc permeability tests in the bore-hole is an apparently simple procedure, but in reality a correctly performed test would require a much wider and more complex use of resources than that normally deployed.

In particular, the preparation of the bottom of the hole (and the relative stabilization in certain cases) is a very demanding practice which in the majority of cases is neither required nor paid.

So Lefranc tests are often performed simply by interrupting the drilling, filling the casing with water and measuring the lowering for a few minutes or some ten minutes.

Therefore - as for all the tests - it would be advisable to perform a statistically significant number of Lefranc permeability tests, and preferably to compare the results with other types of test, possibly a real-scale pumping test for the most important cases.

Per una determinazione più precisa della permeabilità ho progettato un altro tipo di permeametro per terreni saturi, realizzato da INTEC srl.

Questo permeametro può essere impiegato in un vasto range di terreni, compresi quelli dove l’infissione di strumenti che permetterebbero un rilievo diretto della permeabilità (BAT, CPTU, HPT) non è possibile (ad esempio sabbie dense, ghiaia, terreno molto compatto)

Il nuovo tipo di permeametro consiste in una “fiala” dove viene creato il vuoto dove sono presenti due sensori di pressione collegati all’elettronica (convertitori A/D, processore, amplificatore, ecc) a sua volta connessa tramite cavo a un datalogger di superficie.

La fiala è contenuta in un tubo alla cui estremità vi è una punta con un’elica e un manicotto che copre un filtro di materiale poroso (teflon o altro).

 For a more precise determination of the permeability I have designed another type of permeameter for saturated soils, made by INTEC srl.

This permeameter can be used in a wide range of soils, including those where the insertion of tools that would allow direct detection of permeability (BAT, CPTU, HPT) is not possible (for example dense sands, gravel, very compact soil)

The new type of permeameter consists of a "vial" where the vacuum is created where there are two pressure sensors connected to the electronics (A / D converters, processor, amplifier, etc.) in turn connected by cable to a surface data logger .

The vial is contained in a tube at the end of which there is a tip with auger and a sleeve that covers a porous material filter (Teflon or other).

Le procedure sono le seguenti (si veda il video all'inizio):

-perforazione rivestita fino alla profondità di prova meno 50 cm

-creazione di vuoto dentro la fiala e settaggio dei parametri

-infissione a rotazione della punta con elica (e manicotto)

-sollevamento del permeametro, la parte inferiore resta solidale al terreno e lo scorrimento del manicotto scopre il filtro.

-l’acqua entra nella fiala e i sensori misurano: curva di pressurizzazione durante il riempimento e variazione di livello nella fiala, variazione di pressione una volta che la fiala è riempita. L’analisi di questi dati permette di ricavare un valore della permeabilità più attendibile di quello ricavato con una prova Lefranc

-allo stesso tempo si può ottenere un campione indisturbato di acqua (circa 2 litri)

L’elettronica del permeametro è già predisposta per l’impiego della memoria, che permetterà di evitare l’impiego del cavo e permetterà l’uso di questo strumento anche con il sistema wireline, estendendo il campo di applicazione a grandi profondità e soprattutto permettendo l’esecuzione molto più rapida delle prove. Del resto il primo prototipo realizzato nel 2011 sia pur semplificato nella parte elettronica era stato concepito per l’uso con sistema wireline e impiegato fino a -180 m di profondità.

The procedures are as follows (see video at the beginning):

-cased drilling up to the test depth minus 50 cm

-creation of vacuum inside the vial and setting of parameters

- rotational insertion of the tip with auger (and sleeve)

- lifting of the permeameter, the lower part remains integral with the ground and the sliding of the sleeve opens the filter.

- the water enters the vial and the sensors measure: pressurization curve during filling and level variation in the vial, pressure variation once the vial is filled. The analysis of these data allows us to obtain a more reliable permeability value than that obtained with a Lefranc test

- at the same time an undisturbed sample of water can be obtained (about 2 liters)

The electronics of the permeameter is already prepared for the use of the memory (and eventually some AI implementation in the software), which will avoid the use of the cable and will allow the use of this instrument also with the wireline system, extending the field of application to great depths and above all allowing the much faster execution of tests. After all, the first prototype built in 2011, albeit simplified in the electronic part, was designed for use with the wireline system and used up to -180 m depth.

Sono allo studio procedure che permettano di eseguire una prova di permeabilità anche in terreni non saturi.

Procedures are being studied that will allow a permeability test to be carried out even in unsaturated soils.