PREDICTING THE COEFFICIENT OF PERMEABILITY OF SOILS USING THE KOZENY-CARMAN EQUATION

Resume: La conductivite hydraulique saturee d'un sol peut etre predite par des relations empiriques, des modeles capillaires, des modeles statistiques et des theories de rayon hydraulique. Une relation bien connue entre permeabilite et proprietes des pores fut proposee par Kozeny et modifiee par Carman. L'equation resultante est largement connue sous le nom Kozeny-Carman (KC), bien que ces auteurs n'aient jamais publie ensemble. Dans la litterature geotechnique, il existe un large consensus a l'effet que l'equation de Kozeny-Carman s'applique aux sables mais pas aux argiles. Cependant, cette opinion n'est appuyee que par une demonstration partielle. Cet article examine les fondements et la validite de l'equation KC a l'aide d'essais de permeabilite en laboratoire. Les resultats d'essais proviennent de diverses publications qui ont fourni toute l'information requise pour faire une prediction : indice des vides et soit la surface specifique mesuree pour les sols coherents, soit la courbe granulometrique pour les sols pulverulents. L'article montre comment calculer la surface specifique d'un sol pulverulent a partir de sa courbe granulometrique. Les resultats presentes ici indiquent qu'en general, l'equation de Kozeny-Carman predit assez bien la conductivite hydraulique saturee de la plupart des sols. Plusieurs des divergences constatees peuvent etre reliees soit a des raisons pratiques (e.g. valeur imprecise de la surface specifique, regime permanent pas etabli, echantillons non satures, etc.) soit a des raisons theoriques (une partie de l'eau est immobile, et l'equation de prediction est isotrope alors que la conductivite hydraulique est une propriete anisotrope). Ces aspects sont discutes dans l'article en relation avec la capacite de prediction de l'equation de Kozeny-Carman. --------- Abstract: The saturated hydraulic conductivity of a soil can be predicted using empirical relationships, capillary models, statistical models and hydraulic radius theories. A well-known relationship between permeability and properties of pores was proposed by Kozeny and later modified by Carman. The resulting equation is largely known under the name of Kozeny-Carman, although these authors never published together. In the geotechnical literature, there is a large consensus that the Kozeny-Carman (KC) equation applies to sands but not to clays. Such opinion, however, is supported only by partial demonstration. This report evaluates the background and the validity of the KC equation with laboratory permeability tests. Considered test results were taken from publications that provided all information needed to make a prediction: void ratio, and either the measured specific surface for cohesive soils, or the gradation curve for non-cohesive soils. This report shows how to estimate the specific surface of a non-cohesive soil from its gradation curve. The results presented here show that, as a general rule, the KC equation predicts fairly well the saturated hydraulic conductivity of most soils. Many of the observed discrepancies can be related to either practical reasons (e.g. inaccurate specific surface value, steady flow not reached, unsaturated specimens, etc.) or theoretical reasons (some water is motionless, and the predictive equation is isotropic whereas hydraulic conductivity is an anisotropic property). Theses issues are discussed in relation to the predictive capabilities of the KC equation.