Politechnika Wrocławska Wrocław, 25.10.2012r

Wydział Geoinżynierii

Górnictwa i Geologii

HYDROGEOLOGIA

SPRAWOZDANIE NR 1

Kapilarność Bierna

Kapilarność Czynna

Odsączalność

Skład Grupy:

Joanna Szajowska

Paulina Pązik

Katarzyna Wołoszyn

Tomasz Stoparek

Krzysztof Górowski

Jacek Nowakowski

1. Odsączalność

Odsączalność to zdolność ośrodka do oddawania wody pod wpływem siły grawitacji. Miarą odsączalności jest współczynnik odsączalności μ, który wyraża się wzorem:

gdzie:

- maksymalna objętość wody odsączonej ze skały,

- objętość skały.

W przypadku, gdy skała jest w pełni nasycona wodą, pomiędzy współczynnikiem porowatości n, a współczynnikiem odsączalności zachodzi następująca zależność:

gdzie:

s_r - współczynnik retencji.

Objętość wody V_z , jaka pozostaje w skale po procesie odsączania w pełni nasyconej wodą skały spowodowana jest zatrzymaniem wody w skale siłami większymi od sił grawitacji. Stosunek wody związanej V_z do objętości skały V określa się współczynnikiem retencji s_r i wyraża się wzorem:

Ilość odsączonej wody zależy przede wszystkim od wielkości porów i jest tym większa im większe są pory zawierające wodę. Proces odsączania zależy również od rodzaju warstw wodonośnych. Im bardziej są one niejednorodne i im więcej jest przewarstwień o małej wodoprzepuszczalności, tym proces odsączania będzie zachodzić wolniej.

Proces odsączania się wody wolnej zachodzi dość powoli, dlatego też wprowadzono współczynnik odsączalności chwilowej μ_t , który jest opisywany wzorem:

gdzie:

- objętość odsączonej z ośrodka wody wolnej w czasie t,

- objętość skały.

Przy dość długim okresie czasu trwania procesu odsączania, współczynnik odsączalności chwilowej zbliża się do współczynnika odsączalności.

Przebieg doświadczenia

W przeprowadzonym doświadczeniu współczynnik odsączalności oznaczono metodą wysokich kolumn. Metoda ta polega na odsączaniu wody wolnej pod wpływem siły ciężkości z nasyconej próbki skały luźnej umieszczonej w cylindrze, zaopatrzonym od dołu w siatkę o drobnych oczkach przez która możliwe jest swobodne ściekanie wody. Pod siatką umieszczona jest komora połączona z przeźroczystą rurką piezometryczną i ruchomym przelewem. Następnie badaną próbę skały umieszczono w kolumnie wysycono odgazowaną wodą na całej jej wysokości, w celu całkowitego nasycenia por i szczelin, po czym obniżono położenie przelewu na taką wysokość aby ponad swobodnym zwierciadłem wody był cały profil wilgotności i rozpoczęto odsączanie. Po ustaniu wypływu wody ponownie obniżono przelew i mierzono objętości wypływającej wody V_t w określonych odstępach czasowych: po 1, 2, 3, 5, 10, 20, 30, 40 i 50 minutach. W wyniku przeprowadzonego doświadczenia uzyskano następujące wyniki :

h_górne=61cm³

h_dolne=30cm³

h = h_górne- h_dolne= 61cm³ - 30cm³ = 31cm³

Pole powierzchni przekroju próbki prostopadłego do osi kolumny wynosi:

F = πd²/4

d = 7cm

F = π 7²/4= 38,46cm²

Objętość skały, z której odsączono wodę wynosi:

V = F* h = 38,46cm² * 31cm = 1192,26 cm³

Wyniki badań objętości odsączonej wody oraz współczynnika odsączalności chwilowej w czasie przedstawiono w tab. 1.

Tab. 1. Wyniki badań odsączalności.

L.p.	Czas odsączania t	Objętość odsączonej wody Vt	Objętość skały V	Współczynnik odsączalności chwilowej µt
	min	cm^3	cm^3	-
1	1	60	1192,26	0,050
2	2	110	1192,26	0,092
3	3	158	1192,26	0,133
4	5	195	1192,26	0,164
5	10	221	1192,26	0,185
6	20	231	1192,26	0,194
7	30	236	1192,26	0,198
8	40	239	1192,26	0,200
9	50	241	1192,26	0,202

Do uzyskanych wartości współczynnika odsączalności chwilowej w czasie dopasowano w programie WFIT krzywą dającą najlepsze dopasowanie do punktów pomiarowych

Wnioski:

Przeprowadzone doświadczenie określenia współczynnika odsączalności wykazało, że dla czasu t=50 min. współczynnik odsączalności chwilowej μ_t=0.202

Wartość współczynnika odsączalności określona jako asymptota, do której dąży współczynnik odsączalności chwilowej μ_t=0.231.

2. Kapilarność bierna

1. Wstęp

Kanaliki utworzone z porów to kapilary. Gdy kąt zwilżania będzie mniejszy niż 90 stopni, woda w kanaliku zacznie się podnosić. Będzie to trwało do momentu aż ciężar słupa podciągniętej wody zrównoważy siły napięcia powierzchniowego.

Ze względu na zmienny przekrój kanalików w gruncie wyróżnia się dwa typy kapilarności: bierną i czynną. Kapilarność czynna to wysokość na jaką podniesie się woda ponad swoje zwierciadło swobodne przy podsiąkaniu od dołu. Kapilarność bierna to wysokość na jaką podniesie się woda ponad swoje zwierciadło swobodne przy obniżaniu poziomu tego zwierciadła.

2. Dane wzory

Kapilarność bierną oblicza się ze wzoru:

Gdzie:

- kapilarność bierna

h- wysokość na jakiej nastąpiło ukazanie się pęcherzyka

5,0 - różnica wysokość pomiędzy kolejnymi położeniami lejka

Δh - poprawka interpolacyjna

Poprawkę oblicza się ze wzoru:

Δh=t*v

t- czas jaki upłynął od chwili zatrzymania się lejka na poziomie na którym ukazał się pęcherzyk

v- prędkość podnoszenia lejka (1cm/min)

3. Obliczenia i wyniki

Rodzaj badania	Czas t [s]	Wysokość h [cm]	Uwagi
Wstępne	19	45	Utworzył się pęcherzyk powietrza pod próbką H=45cm
Właściwe I	0	31,5
	500	36,5	Pojawienie się pęcherzyka powietrza h=0,7H
Właściwe II	0	31,5
	500	36,5	Pojawienie się pęcherzyka powietrza h=0,7H

Tab. 1. Wyniki pomiarów kapilarności biernej

Ze względu na jednakowe pomiary w badaniu właściwym I i II obliczenia zostały przeprowadzone tylko raz.

Δh= t*v

t = 5 min

v = 1cm/min

Δh= 5 cm

h = 36,5 cm

Więc:




(36,5 - 5,0) + 5




4. Wnioski

Badanie przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych zgodnie z instrukcjami prowadzącego oraz normą PN-06/B-04493. Uzyskana kapilarność bierna gruntu wyniosła 36,5 cm. Oba badania właściwe ( badanie I i badanie II) dały te same wyniki.

3. Kapilarność czynna

Kapilarność -Powstaje na skutek istnienia porów w gruncie , które pomiędzy szkieletem gruntowym tworzą jakby rurki kapilarne. W skutek przyczepności do ścianek tych rurek (adhezji) oraz napięcia powierzchniowego woda może unosić się na pewną wysokość ponad poziom swobodnego zwierciadła.

Kapilarność czynna -jest to wysokość, na jaką woda, na skutek sił napięcia powierzchniowego, podniesie się w porach gruntu ponad poziom swobodnego zwierciadła przy podsiąkaniu od dołu.

Wyznaczenie kapilarności czynnej

SPRZĘT LABORATORYJNY:

1. Statyw, do zamocowania rurek z gruntem

2. Trzy rurki szklane zaopatrzone od dołu w filtr lub siatkę ochronną

3. Lejek, do wsypywania gruntu

4. Ubijak, do zagęszczania gruntu

5. Naczynie na wodę (kuweta)

6. Linijka


SZKIC URZĄDZENIA

PRZEBIEG POMIARÓW

Rozdrobniony grunt w stanie powietrzno-suchym należy wsypywać przez lejek porcjami do rurki tak aby powstała warstwa grubości 2cm. Każdą warstwę należy zagęścić za pomocą ubijaka. Po napełnieniu rurki gruntem należy wstawić ją do naczynia w pozycji pionowej i umocować do statywu. Po zamocowaniu do naczynia wlewa się wodę w takiej ilości aby zanurzenie dolnego końca rurki wynosiło ok. 1cm. Wysokość kapilarnego podnoszenia się wody rozpoznaje się po zmianie zabarwienia gruntu. W ciągu badania należy uzupełniać wodę w naczyniu do stałego poziomu 1 cm. Wysokość kapilarnego podnoszenia określa się przez pomiar czasu wznoszenia w ustalonych odstępach czasu. Za początek pomiaru przyjmuje się moment gdy poziom wody w gruncie ustali się równo z poziomem wody w naczyniu. Za zakończenie pomiaru przyjmuje się moment gdy ustali się wysokość wznoszenia.

Oznaczenie kapilarności czynnej przeprowadzono na trzech próbkach gruntu sypkiego o następujących frakcjach:

a) 0,10-0,25 [mm]

b) 0,25-0,5 [mm]

c) 0,5-1,0 [mm]

Na podstawie wzniosu kapilarnego w czasie określono prędkość podnoszenia kapilarnego v. Wyniki zamieszczono w tabeli nr 1.

Tabela nr .1. Wyniki badań kapilarności czynnej.

nr	Czas t	Wysokość podnoszenia kapilarnego h			Czas t	Prędkość podnoszenia kapilarnego v
		[min]	0,12-0,25 [cm]	0,25-0,5[cm]	0,5-1,0[cm]	[min]	0,1-0,25 [cm/min.]	0,25-05 [cm/min.]	0,5-10 [cm/min.]
1	0	0	0	0	0	0	0	0
2	1	2,0	2,0	1,0	0,5	3,7	2,0	1,0
3	2	3,1	2,4	1,2	1,5	1,1	0,4	0,2
4	3	4,0	2,6	1,3	2,5	0,9	0,2	0,1
5	5	4,8	2,8	1,3	4,0	0,4	0,1	0,0
6	10	6,2	3,0	1,4	7,5	0,14	0,04	0,05
7	20	7,2	3,1	1,6	15	0,10	0,01	0,02
8	30	7,8	3,3	1,8	25	0,06	0,02	0,02
9	40	8,2	3,5	1,9	35	0,04	0,02	0,01
10	50	8,7	3,6	1,9	45	0,05	0,01	0,00
11	60	8,8	3,8	2,0	55	0,01	0,02	0,01

Tab.1.

W celu określenia kapilarności czynnej do punktów pomiarowych wzniosu kapilarnego w czasie dopasowano krzywą:


gdzie:


wyniki dopasowania przedstawiono na wykresach:

Wykres1: Wysokość kapilarnego podnoszenia dla frakcji 0,50-1,00 mm




limy=2,205 - wysokość kapilarnego podnoszenia dla tej frakcji wynosi 2,20 cm

wykres2: Wysokość kapilarnego podnoszenia dla frakcji 0,12-0,25 mm




limy=12,011- wysokość kapilarnego podnoszenia dla tej frakcji wynosi 12,01cm

Wykres3: Wysokość kapilarnego podnoszenia dla frakcji 0,25-0,50 mm




limy=3,690 - wysokość kapilarnego podnoszenia dla tej frakcji wynosi 3,70cm

Zmianę prędkości podnoszenia kapilarnego w czasie dla badanych frakcji gruntu w funkcji czasu przedstawiono poniżej. Rys.1 przedstawia zmiany prędkości podnoszenia w całym okresie badania.




Rys.1

WNIOSKI

Z wykresu możemy wywnioskować, że wysokość podciągania kapilarnego jest ściśle zależna od wielkości ziaren stanowiących szkielet gruntowy. Im większa średnica ziaren tym kanaliki są większe i tym podnoszenie wody w gruncie jest mniejsze. Kiedy średnica ziaren jest mniejsza co powoduje mniejsze kanaliki w szkielecie gruntowym, a co za tym idzie wysokość podciągania jest większa.

W przypadku pomiarów laboratoryjnych nie jest możliwe dokładne określenie kapilarności z powodu długiego czasu jaki jest potrzebny do całkowitego ustalenia się poziomu podciągania, więc zastosowaliśmy asymptotę na wykresie, która ma określać przybliżoną wartość kapilarności.







---