Wyznaczenie współczynnika wodoprzepuszczalności gruntu
Współczynnik wodoprzepuszczalności gruntu k określa prędkość przepływu wody przez grunt przy spadku hydraulicznym równym jedności. Oznacza się go na podstawie badań laboratoryjnych lub polowych, albo za pomocą wzorów empirycznych. W badaniach laboratoryjnych lub polowych należy pomierzyć wydatek wody o temperaturze tr przepływającej przez pole przekroju gruntu A w czasie T przy spadku hydraulicznym i.
Natomiast wzory empiryczne uzależniają współczynnik wodoprzepuszczalności od składu uziarnienia gruntu i jego porowatości.
ĆWICZENIE nr 3a
Wyznaczanie współczynnika wodoprzepuszczalności gruntu za pomocą wzorów empirycznych (analiza sitowa) Przyrządy:
- komplet sit do analizy sitowej,
- waga.
Przebieg badania:
Należy przygotować próbkę piasku suchego o masie ok. 500 g (ms). Następnie zestawiamy komplet sit o wymiarach oczek podanych w formularzu. Sita ustawiamy od największego wymiaru oczek (sito górne) do najmniejszego wymiaru oczek (sito dolne). Pod sitem dolnym umieszczamy podstawkę. Próbkę gruntu wsypujemy na sito górne i wstrząsamy kompletem sit do momentu, gdy przez dolne sito przestanie przesypywać się grunt. Po zakończeniu należy zważyć pozostałość na każdym sicie oraz na podstawce. Wyniki zapisujemy w tabeli.
Zawartość poszczególnych frakcji obliczamy ze wzoru: m
Z
i
=
⋅100 [%]
i
ms
gdzie: mi – oznacza masę gruntu pozostałego na sicie.
Prawidłowość pomiarów sprawdzamy z warunku: m − ∑m ≤ 0,005⋅ m
s
i
s
Uzyskane wyniki w postaci procentowej zawartości poszczególnych frakcji badanej próbki, nanosimy na wykres uziarnienia.
Współczynnik wodoprzepuszczalności obliczamy stosując empiryczne wzory Krügera i Hazena.
Wzór Krügera:
4
3
182 ⋅10 ⋅ n
k =
[m/dobę]
10
2
C ⋅ (1− n)2
gdzie: n – porowatość gruntu liczona z zależności: ρ − ρ
s
n =
dla
3
ρ =
g/cm
2,65
ρ
s
s
C – pole powierzchni cząstek gruntu zawartych w 1 cm3 obliczamy ze wzoru: 6 ⋅ (1− n)⋅10
C =
[cm2]
dq
dq – średnica miarodajna określana na podstawie krzywej uziarnienia za pomocą wzoru:
1 = ∑ai [1/mm]
d
d
q
i
ai – procentowa wagowa zawartość poszczególnych frakcji wyrażona w postaci ułamka dziesiętnego.
di – średnica cząstek w granicach poszczególnych przedziałów; [mm]
k = C ⋅ d
[m/dobę]
10
( )2
10
gdzie: d10 – średnica miarodajna, poniżej której zawartość ziaren w składzie granulometrycznym gruntu wynosi 10% masy gruntu; [mm]
C – współczynnik empiryczny zależny od porowatości C = 400 + 40 ⋅ (n − 26)
gdzie: n – porowatość; [%]
Wzór Hazena można stosować do gruntów niespoistych, w których uziarnienie spełnia następujące warunki:
- średnica miarodajna
mm
0,1
≤ d ≤
mm
3,0
10
- wskaźnik równoziarnistości
d
U
60
=
< 5
d10
[%]
[%]
100
100
90
90
ai
80
80
70
70
60
60
50
50
40
40
30
30
20
20
10
10
0
0
di
d60
d10
Wyznaczanie współczynnika wodoprzepuszczalności gruntu w aparacie ITB – ZW-K
Przyrządy:
- aparat ITB – ZW-K,
- cylinder miarowy,
- termometr,
- suwmiarka
- waga,
- stoper.
Przebieg badania:
Średnicę i wysokość cylindra przeznaczonego do wypełnienia gruntem mierzymy suwmiarką i na wadze określamy masę cylindra wraz z dolnym sitkiem (mt). Następnie układamy w cylindrze uprzednio przygotowany grunt. Określamy masę cylindra z gruntem (mtw) i wysokość próbki (l). Cylinder zakładamy do aparatu, nakrywając próbkę sitkiem górnym i obciążając pokrywkę. Zewnętrzną komorę aparatu wypełnia się wodą, która przepływając od dołu usuwa z niej powietrze. Po ustabilizowaniu się zwierciadła wody w dwóch komorach aparatu na różnych poziomach, należy pomierzyć wydatek wody (Q).
Podczas badania wody mierzymy temperaturę (t). Pomiary wykonujemy dla czterech różnych wartości czasu (T).
Wartość współczynnika filtracji obliczamy ze wzoru Q
k =
t
A ⋅ T ⋅ i
gdzie: Q – wydatek wody pomierzony w czasie T; [cm3]
A – pole przekroju poziomego próbki; [cm2]
i – spadek hydrauliczny
kt – współczynnik filtracji dla wody o temperaturze t; [cm/s]
Aby porównać wartość współczynnika filtracji z wartościami normowymi należy przeliczyć wyznaczony współczynnik dla temperatury wody równej 10°C (k10) k
k
t
=
10
0,7 ⋅ 0,03⋅ t
gdzie: t – temperatura wody [°C]
kt – współczynnik filtracji dla t ≠ 10°C liczony z poprzedniego wzoru; [cm/s]