Wydział Budownictwa Politechnika Wrocławska

Lądowego i Wodnego studia dzienne magisterskie

Ćwiczenie laboratoryjne z mechaniki gruntów nr 4

Temat: Współczynnik wodoprzepuszczalności gruntów.

Ściśliwość gruntu.

Rok akademicki: 2000/2001 Autor: Paweł Walczybok

Semestr: V ,zimowy Piątek, tydz. P godz. 13-15

I. Podstawowe definicje

1. Współczynnik filtracji:

Wodoprzepuszczalnością nazywa się zdolność gruntu do przepuszczania wody siecią kanalików utworzonych z porów w nim występujących. Ruch wody w warunkach naturalnych jest spowodowany siłami grawitacji dążącymi do wyrównania poziomu wody w kanalikach. Głównym czynnikiem powodującym ruch jest spadek hydrauliczny równy różnicy wysokości na całej długości drogi przepływu.

Objętość przepływającej przez grunt wody jest wprost proporcjonalna do współczynnika filtracji, powierzchni przekroju przepływu, ciśnienia wody i czasu trwania ruchu wody, a odwrotnie proporcjonalna do grubości gruntu (drogi).

Objętość wody przepływającej przez grunt opisuje wzór Darcy'ego:

gdzie: k - współczynnik filtracji [cm/s]

T - czas przepływu [s]

A - powierzchnia przekroju próbki prostopadła do kierunku przepływu [cm²]

H - wysokość słupa wody (różnica poziomów) [cm]

h - długość drogi filtracji [cm]

H/h - gradient hydrauliczny

Wodoprzepuszczalność danego gruntu charakteryzuje współczynnik filtracji, a zależy przede wszystkim od: uziarnienia, wielkości porów, zagęszczenia, lepkości cieczy oraz składu mineralnego gruntu i wyznacza się go przede wszystkim dla gruntów sypkich, (aby ocenić ich przydatność na podsypkę pod nawierzchnie dróg lub jako sączki odwadniające itp.), laboratoryjnie lub w badaniach polowych (próbne pompowanie).

Po wykonaniu pomiarów współczynnik filtracji oblicza się ze wzoru:

a następnie redukuje do temperatury 10 stopni Celsjusza:

gdzie:

t -oznacza temperaturę pomiaru

Grunty sypkie o naruszonej strukturze i grunty spoiste

Sposób oznaczenia współczynnika filtracji dla tych gruntów niczym nie odbiega od opisanego powyżej. Różnice zachodzą głównie w sposobie interpretacji wyników oraz przygotowania próbek. Dodatkowo w przypadku gruntów spoistych należy użyć specjalnego aparatu do filtracji ze względu na większy gradient hydrauliczny.

Współczynnik filtracji a uziarnienie i porowatość

Istnieje również możliwość wyznaczenia współczynnika filtracji gruntów sypkich ze wzorów empirycznych (mając dane uziarnienie i porowatość).

Wzór Hazena:

Wzór Seelhaima:

Określenie w ten sposób wskaźnika filtracji jest korzystne wówczas, gdy wystarczy znać jego orientacyjną wartość.

1.2.Ściśliwość gruntu

Ściśliwością gruntu nazywamy zdolność gruntu do zmniejszania swojej objętości pod wpływem obciążenia. Jej głównymi przyczynami powstania są między innymi:

• Usunięcie z gruntu wody wolnej i kapilarnej

• Przesunięcie cząstek gruntu (bardziej stateczne położenie)

• Usunięcie z gruntów pęcherzyków powietrza

• Zgniecenie niektórych ziaren gruntu

• Sprężyste odkształcenie powłoki wody błonkowej

• Sprężyste odkształcenie cząstek gruntu

• Sprężyste zmniejszenie się objętości powietrza zamkniętego w porach gruntu

W wyniku obciążenia gruntu powstają odkształcenia trwałe nieodwracalne i sprężyste odwracalne. Całkowite odkształcenie gruntu jest sumą odkształceń od obciążenia trwałego i sprężystego. W wyniku obciążania gruntu zachodzą w nim zjawiska wypunktowane powyżej a objętość gruntu się pomniejsza. Po zdjęciu obciążenia następuje odprężenie,(nastąpi przyrost objętości) jednakże grunt nie wróci do swojego pierwotnego stanu, gdyż z gruntu została usunięta część powietrza i wody oraz nastąpiło częściowe przesunięcie i zgniecenie niektórych ziaren. Procesom tym towarzyszy zagęszczenie gruntu (zmniejszenie porowatości i wskaźnika porowatości). Podczas przeprowadzania pomiarów laboratoryjnych mamy doczynienia z krzywą ściśliwości, która przedstawia zależność pomiędzy obciążeniem (ciśnieniem), a odkształceniem (zmianą objętości) gruntu. Do wyznaczania krzywych ściśliwości służy edometr.

W gruntach o niskiej przepuszczalności takich jak grunty spoiste, wyciskanie wody z porów wymaga dłuższego czasu i dlatego grunty osiągają znacznie wolniej niż grunty sypkie, których osiadanie kończy się prawie bezpośrednio po ich obciążeniu . Przy zwiększeniu obciążenia grunt zwiększa swoją objętość. Ponadto na podstawie badań laboratoryjnych można wysunąć fakt, że grunt przy obciążeniu wtórnym jest mniej ściśliwy niż przy obciążeniu pierwotnym, na co wskazuje znacznie mniejsze nachylenie krzywej ściśliwości wtórnej w porównaniu do krzywej pierwotnej .

Moduł ściśliwości uzyskany na podstawie badań edometrze jest nazywany jest edometrycznym modułem ściśliwości, przy czym przy pierwszym obciążeniu próbki mówi się o edometrycznych module ściśliwości pierwotnej.

gdzie: Δσ- przyrost obciążenia jednostkowego próbki [MPa]

ε- odkształcenie jednostkowe próbki [-]

Współczynnik ściśliwości ( a):

Definiuje się go jako stosunek przyrostu wskaźnika porowatości do przyrostu naprężeń, które spowodowały ten przyrost.

Znak (-) oznacza, że przyrostowi naprężeń odpowiada zmniejszenie wskaźnika porowatości. Praktyka wykazała, że dla małego przyrosty naprężeń (100 - 400 kPa) współczynnik ściśliwości można obliczyć ze wzoru:

2.Opis metod przy pomocy których wykonano badania

1. Metoda wyznaczenia ściśliwości przy użyciu edometru:

W powyższej metodzie wykorzystujemy próbki o nienaruszalnej strukturze otrzymane z gruntu za pomocą pierścienia dwudzielnego. Tak przygotowany grunt do pierścienia edometru, między dwoma sączka z bibuły filtracyjnej zwilżonej wodą, wkłada się krążek metalowy i umieszcza w edometrze. Na górną powierzchnię krążka umieszcza się górny filtr edometru, na nim w specjalnym zagłębieniu kulkę przekaźnikową i ramę. Następnie próbkę zastępczą obciąża się za pomocą obciążenia: 15.5; 25; 50; 100; 200; 400 kPa odczytując wskazania czujnika po każdym obciążeniu. Praktycznie odkształcenia własne edometru powinno się sprawdzać nie rzadziej niż 10 wykonanych na nim badań ściśliwości gruntu.

Po wykonaniu badań należy wykonać wykres ściśliwości, w którym na osi rzędnych zaznacza się wysokość próbki „h”, a na osi odciętych obciążenia jednostkowe σ. Wykres ten przeprowadza się dla stanów umownej stabilizacji odkształceń próbki przy odpowiednim umownej stabilizacji odkształceń próbki, przy odpowiednim im obciążeniu.

W następnej kolejności należy przeprowadzić obliczenie edometrycznego modułu ściśliwości dla określonego zakresu obciążeń jednostkowych próbki σ_i-1 do σ_i mając odczytane z krzywych ściśliwości bądź z analitycznych wzorów odpowiednie wysokości h_i-1 i h. Moduł oblicza się ze wzoru:

Δσ- przyrost obciążenia jednostkowego próbki [MPa]

ε- odkształcenie jednostkowe próbki [-]

2. Wyznaczenie współczynnika filtracji metodą rurki Kamieńskiego:

Metoda rurki Kamieńskiego pozwala na bardzo proste, ale przede wszystkim szybkie oznaczenie przybliżonej wartości współczynnika wodoprzepuszczalności gruntów o małym współczynniku filtracji. Zasadą metody jest pomiar prędkości obniżenia się zwierciadła wody przepływającej przez próbkę przy zmiennym ciśnieniu słupa wody.

Badania współczynnika w gruncie należy zawsze przeprowadzić przy porowatości odpowiadającej naturalnej. Niezbędna jest, więc znajomość gęstości objętościowej gruntu naturalnego. Znając objętość rurki i wysokość badanej próbki, należy do rurki wsypać taką naważkę gruntu, aby po zagęszczeniu gęstość objętościowa próbki w rurce odpowiadała naturalnej.

W konkretnych przypadkach badań przepuszczalności gruntu przy zastosowaniu rurki Kamieńskiego należałoby stosować wodę o składzie chemicznym i mineralizacji odpowiadającej wodzie naturalnej.

Obliczenia współczynnika „k” filtracji dokonuje się za pomocą wzoru:

gdzie:

L-wysokość próbki gruntu [cm]

S-obniżenie wysokości słupa wody [cm]

T-czas obniżania się słupa wody w rurce na wysokość S, liczony od początku badania [min]

H_o-początkowa wysokość wody w rurce liczona od górnej podziałki na rurce do poziomu wody w naczyniu [cm]

---