UP YNNIENIE GRUNTU

INSTRUKCJA OZNACZANIA KRYTYCZNEGO SPADKU HYDRAULICZNEGO

1. Wprowadzenie

Up ynnianie si nasyconego wod gruntu (zachowanie si gruntu w okre lonej przestrzeni jak ciecz) okre lane jest równie zjawiskiem kurzawkowym. Up ynnienie gruntu zachodzi pod wp ywem dzia ania si na masyw gruntowy. Najcz ciej obserwuje si je na skutek oddzia ywania przep ywaj cej wody. Up ynniony grunt nazywamy kurzawk . Zjawisko kurzawkowe mo e si przejawia mi dzy innymi sta ym nap ywem nawodnionych gruntów do wyrobiska, co utrudnia, a cz sto uniemo liwia prowadzenie robót. Mo e by przyczyn katastrof budowlanych.

Stan up ynnienia nie jest w

ciwo ci jakiego jednego, okre lonego typu gruntu. W stan ynny mog przechodzi rumosze, wiry, piaski, lessy. W praktyce najcz ciej spotyka si up ynnienie piasków, szczególnie piasków z pewn zawarto ci cz stek pylastych, ilastych i koloidalnych.

Up ynnienie gruntu nast puje po przekroczeniu krytycznego spadku hydraulicznego. Wielko spadku jest uzale niona od kierunku przep ywu wody podziemnej. Teoretycznie krytyczny spadek hydrauliczny mo na wyznaczy na podstawie równowagi si dzia aj cych na próbk gruntu w stanie up ynnienia tj. si y ci ko ci, si y wyporu i si y oddzia ywania przep ywaj cej wody na szkielet rodka gruntowego. Dla przep ywu wody w kierunku pionowym ku górze warunek równowagi mo emy zapisa w postaci (rys. 1):

G = P + W

(1)

gdzie:

P – si a oddzia ywania przep ywaj cej wody

na szkielet o rodka gruntowego,

W – si a wyporu,

G - si a ci ko ci.

Rys. 1. Schemat si dzia aj cych na próbk w stanie up ynnienia.

1

Wielko ci si dzia aj cych na próbk w stanie up ynnienia mo na okre li z zale no ci:

G = F · l · s g ( 1 n),

W = F · l · w g ( 1 n),

P = F · l · w g Ikr,

Gdzie:

F – pole powierzchni przekroju próbki prostopad ego do kierunku filtracji [cm2], l – d ugo drogi filtracji (wysoko próbki) [cm],

s -

sto szkieletu gruntowego [g/cm3],

w -

sto wody [g/cm3],

g – przy pieszenie ziemskie (9,81 m/s2),

n – wspó czynnik porowato ci [-].

Wstawiaj c do równania (1) otrzymujemy

F ⋅ l ⋅ g ⋅ ρ 1 − n = F ⋅ l ⋅ I ⋅ g ⋅ ρ + F ⋅ l 1 − n ⋅ g ⋅ ρ

s (

)

kr

w

(

)

w

a st d

(ρ − ρ − n

s

w )(

)

I

=

1

(2)

kr

ρ w

2. Opis badania

Stanowisko do badania up ynnienia gruntu (rys. 1) sk ada si z prze roczystego cylindra pomiarowego 1), który w dolnej cz ci ma siatk filtracyjn 2) i komor 3). W górnej cz ci cylindra znajduje si rurka przelewowa 4). Komora znajduj ca si pod próbk gruntu jest po czona z rurk piezometryczn i doprowadzeniem wody.

Jednorodny pod wzgl dem uziarnienia piasek jest wa ony, a nast pnie niewielkimi porcjami wsypywany do cylindra pomiarowego. Po wsypaniu piasku do cylindra ponownie wa y si pozosta jego cz

celem okre lenia masy szkieletu gruntowego próbki. Nast pnie bardzo wolno doprowadza si od spodu wod tak aby zwierciad o podnosi o si w granicach 30 min. (grunt jednorodny mo e by wsypywany do cylindra wype nionego wod ). Po nasyceniu próbki gruntu wod nale y zmierzy jej rednic d i wysoko

l.

Po przygotowaniu w taki sposób próbki gruntu doprowadza si do dolnej komory odpowietrzon wod obserwuj c jednocze nie si poziom wody w piezometrze i zachowanie si próbki w cylindrze. Realizowany jest w ten sposób przep yw w kierunku z do u do góry. Badanie 2

polega na pomiarze ró nicy poziomów wody

Hkr, przy którym nast puje up ynnienie gruntu tzn.

górna powierzchnia próbki piasku zaczyna podnosi si do góry.

Na

podstawie

uzyskanej

warto ci

Hkr nale y obliczy krytyczny spadek hydrauliczny Idkr i porówna jego warto z warto ci wyprowadzon na drodze rozwa teoretycznych Ikr. Warto

do wiadczaln krytycznego spadku hydraulicznego powoduj cego up ynnienie gruntu okre la si z wzoru:

∆ H

I

kr

=

dkr

l

Rys. 2. Schemat stanowiska do oznaczania krytyczne spadku hydraulicznego powoduj cego up ynnienie gruntu.

3. Wyniki bada

Badanie przeprowadzono na próbce piasku kwarcowego o g sto ci w ciwej szkieletu

gruntowego s = 2,65 g/cm3 i wymiarach

= 62 mm ( F = 30,19 cm2), l = 50,0 cm. Masa szkieletu gruntowego próbki wynosi a ms = 2450 g.

Ró nica wysoko ci hydraulicznych, przy której nast pi o up ynnienie wynios a Hkr = 55 cm. St d okre lono krytyczn warto spadku hydraulicznego

3

∆ H

55

I

=

kr

dkr

=

cm = 1,

1

l

50

cm

Niepewno pomiarow okre lono metod ró niczki zupe nej.

∂ Idkr

∂ I

1

55

∆ Ikr =

dkr

∂(∆ Hkr ) ⋅ ∆(∆ Hkr )+

⋅ ∆ l =

⋅ 0

,

1 +

⋅ 1

,

0 = ,

0 022

∂ l

0

,

50

502

Przy jej okre laniu przyj to dok adno oznaczenia ró nicy wysoko ci hydraulicznych Hkr) = 1 cm , a wysoko ci próbki

l = 0,1 cm. Du y b d w oznaczeniu ró nicy wysoko ci hydraulicznych wynika z trudno ci uchwycenia momentu, w którym nast pi o przemieszczanie si powierzchni gruntu. W praktyce przy wolnym zwi kszaniu wysoko ci hydraulicznej za krytyczn ró nic wysoko ci hydraulicznych przyjmuje si maksymaln ró nic poziomów wody w piezometrze i na przelewie.

W celu okre lenia teoretycznej warto ci krytycznego spadku hydraulicznego okre lono wspó czynnik porowato ci gruntu umieszczonego w cylindrze pomiarowym.

m

2450

Fl −

19

,

30

⋅

0

,

50

−

V

ρ

p

V − Vs

s

,

2 65

n =

=

=

=

= 39

,

0

V

V

Fl

19

,

30

⋅ ,

50 0

Teoretyczna warto krytycznego spadku hydraulicznego dla zjawiska kurzawkowego dla przep ywu wody z do u do góry wynosi:

(ρ ρ

n

s −

w )(1 −

) ( ,265− 00

,

1

)(1− 39

,

0

)

I kr =

=

= 01

,

1

ρ

,

1 00

w

Ró nica mi dzy teoretyczn warto ci krytycznego spadku hydraulicznego a warto ci do wiadczaln jest wi ksza ni maksymalna niepewno pomiarowa. Nale y s dzi , e wynika to z przyj tej metodyki badania. Up ynnienie gruntu obserwuje si , gdy sumaryczna si a wyporu i oddzia ywania przep ywaj cej wody jest wi ksze ni si a ci ko ci. W takiej sytuacji warto do wiadczalna spadku hydraulicznego musi by wi ksza ni okre lona teoretycznie.

4. Wnioski

W wyniku przeprowadzonych bada up ynniania gruntu sformu owano nast puj ce wnioski: 1. Do wiadczalnie oznaczony krytyczny spadek hydrauliczny, powoduj cy up ynnienie gruntu przy przep ywie wody z do u do góry Idkr = 1,1.

2. Teoretyczna warto spadku krytyczny spadku hydraulicznego powoduj cego up ynnienie gruntu przy przep ywie wody z do u do góry wynosi Ikr = 1,01.

3. Warto do wiadczalna krytycznego spadku hydraulicznego jest nieco wi ksza ni warto teoretyczna. Wynika to z metodyki badania.

4