1. Kapilarność czynna

1.1. Podstawy teoretyczne

Kapilarnością czynną gruntu nazywany wysokość, na jaką podniesie się woda w porach gruntu ponad poziom swobodnego zwierciadła wody gruntowej. Wysokość, na jaką „grunt podciągnie wodę” (zachowuje się czynnie) zależy między innymi od: uziarnienia gruntu, struktury i tekstury gruntu, temperatury wody. Kapilarność czynną można obliczać przy pomocy wzorów przybliżonych wstawiając odpowiednie dane dla rurek kapilarnych utworzonych ze szkła kwarcowego: H_k=0,15/r, gdzie: r jest promieniem porów w gruncie (zależy d rodzaju gruntu). H_k, r w powyższym wzorze wyrażone są w centymetrach.

Kapilarność czynną określa się na podstawie wykonanych w danych okresach czasu pomiarów. Sporządza się wykres zmian wysokości podnoszenia h w czasie i znajduje asymptotę, do której zmierza h. Wartość, do której asymptotycznie dąży h to szukana wielkość kapilarności czynnej.

1.2. Opis badań

Otrzymany grunt w stanie powietrzno-suchym sprawdzamy i oczyszczamy z grudek. Na szklaną rurkę umocowano szmatkę tak, aby chroniła ona grunt przed wypadaniem. Rurkę ustawiono na drewnianej deseczce i przez lejek wsypano badany grunt. Grunt zagęszczono lekkim ubijaniem, za pomocą drewnianego ubijaka. Rurkę z gruntem wstawiono do naczynia w pozycji pionowej i przymocowano do statywu. Po zamocowaniu rurki, do naczynia nalano wodę w takiej ilości, aby zanurzenie dolnego końca rurki wyniosło 1 cm. Wysokość kapilarnego podnoszenia się wody obserwowano po zmianie zabarwienia gruntu. Wysokość kapilarnego podnoszenia się wody, mierzono od poziomu wody w naczyniu do linii zmiany zabarwienia gruntu. Pomiary wzniosu kapilarnego wody wykonano po 1, 2, 3, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60 minutach.

1.3. Wyniki badań

Badania przeprowadzono na trzech próbkach gruntu sypkiego o różnych frakcjach:

a) 0,12 -0,25mm,

b) 0,25-0,5mm,

c)0,5-1,0mm.

Na podstawie wzniosu kapilarnego w danym czasie określono prędkość podnoszenia kapilarnego.

Nr	Czas t [min]	Wysokość podnoszenia kapilarnego [cm]			Czas t [min]	Prędkość podnoszenia kapilarnego [cm/min]
				0,12-0,25		0,25-0,5	0,5-1,0		0,12-0,25	0,25-0,5	0,5-1,0
1	1	4,5	1,9	1,3	0,5	4,5	1,9	1,3
2	2	5,5	2,5	1,5	1,5	1	0,6	0,2
3	3	6,4	2,7	1,6	2,5	0,9	0,2	0,1
4	5	7,7	2,8	1,7	4	0,65	0,05	0,05
5	10	9	3,1	2,2	7,5	0,26	0,06	0,1
6	20	10,2	3,2	2,4	15	0,12	0,01	0,02
7	30	11,2	3,4	2,4	25	0,1	0,02	0
8	40	11,7	3,5	2,4	35	0,05	0,01	0
9	50	12,4	3,8	2,5	45	0,07	0,03	0,01
10	60	12,8	4	2,5	55	0,04	0,02	0

Tab.1. Wyniki pomiarów kapilarności czynnej.

Do punktów pomiarowych wzniosu kapilarnego w czasie dopasowano krzywą:

Rys.1. Wyniki dopasowania wysokości podnoszenia kapilarnego krzywą y=(a+bx)/(c+x) dla frakcji 0,12-0,25mm.

Rys.2. Wyniki dopasowania wysokości podnoszenia kapilarnego krzywą y=(a+bx)/(c+x) dla frakcji 0,25-0,5mm.

Rys.3. Wyniki dopasowania wysokości podnoszenia kapilarnego krzywą y=(a+bx)/(c+x) dla frakcji 0,5-1,0mm.

Zgodnie z ta krzywa kapilarność czynna wynosi:

1. 13,8cm dla frakcji 0,12-0,25mm

2. 4,1cm dla frakcji 0,25 - 0,5mm

3. 2,6cm dla frakcji 0,5-1,0 mm

Dla krzywej postaci: y=(a+bx)/(c+x) prędkość podnoszenia kapilarnego wynosi:

dy/dx=(b*c-a)/(c+x)²

a)dy/dx=(13,8*7,1-13,9)/(7,1+x) ²

b)dy/dx=(4,1*4,1-2,3)/(4,1+x)²

c)dy/dx=(2,6*1,9-0,2)/(1,9+x)²

Rys. 4. Zależność prędkości i podnoszenia kapilarnego w czasie.

1.4. Wnioski

Przeprowadzone badania kapilarności czynnej dla trzech frakcji gruntu piaszczystego dały następujące rezultaty:

a) dla frakcji 0,12-0,25mm - 13,8cm

b) dla frakcji 0,25-0,5mm - 4,1cm

c) dla frakcji 0,5-1,0mm - 2,6cm.

Potwierdza to zależność wysokości kapilarności biernej od wielkości ziaren piasku - im większe tym mniejsza wysokość słupka podciągniętej wody. Wynika to z faktu, że w piasku o mniejszych ziarnach tworzą się rurki kapilarne o mniejszej średnicy, co powoduje wnoszenie się wody na wyższy poziom.

Również prędkość podnoszenia się słupka wody zależy od uziarnienia, im mniejsze ziarna tym dzieje się to szybciej. Jak widać na wykresie zależności prędkości podnoszenia się wody od czasu, prędkość ta od pewnego momentu maleje do 0, jednak im mniejsze ziarna tym moment ten występuje później.

---