Low gradient permeability measurements in a triaxial system

Abstract

Permeability measurements were conducted with the flow-pump method on sand, sandy silt and silty clay specimens in a conventional triaxial system by introducing and withdrawing water at known constant flow rates into the base of a specimen with a flow-pump, and by monitoring the head difference induced across the length of the specimen with a sensitive differential pressure transducer. The results show that the previously reported advantages of the flow-pump method, compared with conventional constant head and falling head methods, were realized for permeability measurements in conventional triaxial equipment. These advantages are that direct flow rate measurements are avoided together with the associated errors that arise from the effects of contaminants on capillary menisci and the long periods of time involved in flow rate measurements; permeability measurements can be obtained much more rapidly and at substantially smaller gradients; errors from the small intercept in the otherwise linear flow rate versus hydraulic gradient relationship, and also from seepage-induced permeability changes, can easily be recognized and avoided or minimized. The results further show that the initial transient response of a specimen that precedes the steady state condition needed for a permeability measurement can require a substantial period of time. In this study the response times varied from a fraction of a minute for a sand specimen to more than 200 minutes for a silty clay specimen. Errors in permeability measurements from this transient response can easily be avoided with the flow-pump method but not with constant head and falling head methods. Des mesures de perméabilité ont été effectuées par la méthode de la pompe à écoulement sur des échantillons de sable, de limon sableux et d'argile sableuse dans un système conventionnel triaxial par introduction et soutirage de débits constants prédéterminés dans la base de l'échantillon à l'aide d'une pompe à écoulement en mesurant la différence de charge induite le long de l'échantillon à l'aide d'un capteur sensible de pression différentielle. Les résultats obtenues confirment les avantages connus de la méthode de la pompe à écoulement par rapport aux méthodes conventionnelles de la charge constante et de la charge variable pour les mesures de perméabilité avec les systèmes triaxiaux conventionnels. Ces avantages sont les suivants: on évite des mesures directes de débit aussi bien que les erreurs associées qui sont le résultat des effets des polluants sur les ménisques capillaires et on diminue le temps indispensable aux mesures de débit; on peut obtenir des mesures de perméabilité beaucoup plus vite et pour des gradients beaucoup plus faibles. Il est possible de déceler et par conséquent d'éviter ou de minimiser facilement des erreurs causées par le petit intercept dans la relation débit-gradient hydraulique non linéaire et aussi par des changements de perméabilité dus à la percolation. Les résultats montrent aussi que la réponse initiale transitoire d'un échantillon qui précède l'état station-naire nécessaire pour une mesure de perméabilité peut exiger une période de temps considérable. Dans cette étude les temps de réponse ont varié depuis une fraction de minute dans le cas d'un échantillon de sable jusqu'à plus de 200 minutes dans le cas d'un échantillon d'argile sableuse. Avec la méthode de la pompe à écoulement il est possible d'éviter dans les mesures de perméabilité des erreurs causées par cette réponse transitoire, mais pas avec les méthodes de charge constante ou de charge variable. Notation A cross-sectional area of the specimen kpermeability kapp apparent permeability Llength of the specimen Qvolumetric flow rate generated by the flow-pump t time u pore pressure in the specimen in excess of atmospheric pressure &gri head difference across the specimen length induced by an externally controlled constant flow rate &grt total head difference across the specimen length &gro head difference across the specimen length for the zero-flow condition σc′ effective consolidation stress in the specimen