Wyznaczenie wskaźnika wodoprzepuszczalności gruntów niespoistych w aparacie typu ITB-ZW-k2

 

OPIS TEORETYCZNY

Zdolność gruntu do przepuszczania wody siecią kanalików, utworzonych z jego porów, nazywa się wodoprzepuszczalnością.
Opór jaki stawia grunt przepływającej wodzie przy jej przepływie, zależy w głównej mierze od:

• uziarnienia gruntów,

• porowatości gruntów,

• składu mineralnego szkieletu gruntowego i rodzaju kationu wymiennego,

• temperatury wody (lepkości).

Miarą wodoprzepuszczalności gruntu jest tzw. stała k, zwana również stałą Darcy'ego, określająca zależność między spadkiem hydraulicznym i a prędkością przepływu wody w gruncie v:

gdzie:

v - prędkość przepływu wody [m/s],
i - spadek hydrauliczny (liczba niemianowana),
k - współczynnik wodoprzepuszczalności, posiada miano prędkości [m/s];

Współczynnik wodoprzepuszczalności k równy jest prędkości przepływu v przy i = 1.

Stała k jest wielkością charakterystyczną dla danego ośrodka gruntowego, określa prędkość przepływu wody przez grunt przy temperaturze t=10^oC.

Stała k gruntów drobnoziarnistych (gliny, iły) dochodzić może nawet do 10^-12m/s, dla żwirów przekracza niekiedy 10^-3m/s i może przyjmować wartości kilku mm na sekundę.

Współczynnik wodoprzepuszczalności dla gruntów niespoistych wyznacza się w celu oceny ich przydatności w drogownictwie (podsypka pod nawierzchnię), w budownictwie (obniżenie zwierciadła wody gruntowej przy pracach fundamentowych).
Znajomość stałej k dla gruntów spoistych jest potrzebna m.in. przy ekranizacji zapór ziemnych, grobli.

Współczynnik wodoprzepuszczalności oznacza się za pomocą:

• badań laboratoryjnych,

• badań polowych,

• wzorów empirycznych.

CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest określenie wodoprzepuszczalności gruntu niespoistego.

 

SPOSÓB WYKONANIA BADANIA

I Przygotowanie próbki do badania

Oznaczanie wykonuje się na próbkach o nienaruszonej strukturze. W razie niemożności pobrania próbki o nienaruszonej strukturze można oznaczenie wykonać na próbce naruszonej tzn. wsypanej do pierścienia. Wcześniej należy grunt wysuszyć do stałego ciężaru w temperaturze 105 - 110^oC i schłodzić do temperatury pokojowej. Porowatość umieszczonej w pierścieniu próbki powinna być zbliżona do porowatości gruntu w warunkach naturalnych.

II Wykonanie badania

• należy określić rodzaj badanego gruntu w wyniku przeprowadzonej analizy makroskopowej,

• przed zamontowaniem pierścienia z próbką w aparacie należy pomierzyć wysokość i średnicę pierścienia oraz obliczyć powierzchnię przepływu A i wpisać te dane do formularza,

• ułożyć na dnie pierścienia siatkę o wymiarach oczek kwadratowych 0,2 mm,

• po wypełnieniu pierścienia gruntem, przykryciu drugą siatką i przykrywką od góry, wkładamy go do aparatu i przyciskamy obciążnikiem,

• przeciągamy na zewnątrz rurkę odpowietrzającą,

• dokręcamy cztery śruby,

• rozpoczynamy napełnianie aparatu wodą. Wodę należy doprowadzić poprzez dolny dopływ do szerszego, zewnętrznego cylindra,

• regulując dopływem (kran) i odpływem (zacisk) doprowadzamy do ustalenia się poziomu wody w zewnętrznym cylindrze na wysokości "6 cm",

• jednocześnie kontrolujemy szczelność układu przez prawidłowe dokręcenie 4 śrub,

• woda przepływająca przez próbkę "z dołu do góry" powinna po jakimś czasie (około 20 min.), wypełnić cylinder wewnętrzny a jej poziom ustali się sam na wysokości "1 cm",

• po ustaleniu się zwierciadła wody w obydwu komorach aparatu, należy wykonać pięć pomiarów objętości wody Q_i (w cylindrach szklanych) w czasach T_i,

• jednocześnie dokonujemy pomiarów temperatury wody,

Rys. 1. Schemat przepływu wody "z dołu do góry"

• następnie należy przeprowadzić to samo badanie przy odwrotnym kierunku przepływu wody tzn. przepływ przez próbkę będzie się teraz odbywał "z góry na dół" . W tym celu regulując dopływem i odpływem ustalamy poziom zwierciadła wody w cylindrze wewnętrznym na wysokości "9 cm". Woda będzie teraz przepływać przez próbkę od góry i przedostanie się przez nią do cylindra zewnętrznego. Po pewnym czasie poziom wody w cylindrze zewnętrznym ustali się sam na wysokości "1 cm".

Rys. 2. Schemat przepływu wody "z góry na dół"

• podobnie jak poprzednio, lecz przy innym spadku hydraulicznym, dokonujemy pięciu pomiarów objętości wody Q_i w czasach T_i,

• mierzymy temperaturę wody,

• obliczamy wyniki.

III Obliczanie wyników

Wskaźnik wodoprzepuszczalności k_t przy temperaturze t [^oC] należy obliczyć według wzoru:

gdzie:
Q - objętość wody [m³], która przepłynęła przez próbkę w czasie T [s],
A - powierzchnia przekroju próbki [m²],
i - spadek hydrauliczny, Δh/h,
Δh - różnica poziomów wody w cylindrach, [m]
h - wysokość próbki [m],

Otrzymany wskaźnik k_t należy przeliczyć w odniesieniu do temperatury 10^oC według wzoru:

w którym t oznacza temperaturę wody podczas badania.

Dla wszystkich pomiarów należy obliczyć współczynnik wodoprzepuszczalności. Wyniki przy tym samym spadku hydraulicznym nie powinny się różnić więcej niż o 5%. Wartości k₁₀ przy przepływie "od dołu" i przy przepływie "od góry" nie powinny się różnić więcej niż 10%.
Ostatecznie przyjmujemy wartość k₁₀ jako średnią arytmetyczną ze wszystkich wyników i porównujemy ją z wartościami "wzorcowymi".