PolitechnikaWarszawska

Wydział Inżynierii Środowiska

Sprawozdanie

„Badanie kapilarności czynnej i biernej gruntu oraz

wyznaczenie współczynnika filtracji”

Gr. ISiW-1

Budzianowska Katarzyna

Bytońska Julia

Gotowiec Michalina

Nietubyć Iwona

Pasek Małgorzata

Milewski Paweł

Wstęp

Pory gruntu tworzą naczynia kapilarne, w których woda podnosi się ponad zwierciadło wody podziemnej. Wysokość podnoszenia zależy bezpośrednio od frakcji gruntu (mniejsze ziarna tworzą kanaliki o mniejszej średnicy). Rozróżniamy kapilarność czynną i bierną. Kapilarność czynna to wysokość, na jaką woda podnosi się ponad poziom zwierciadła wody podziemnej przy podsiąkaniu od dołu. Kapilarność bierna to wysokość, na jakiej woda utrzymuje się ponad poziomem zwierciadła wody podziemnej przy jego obniżeniu.

Współczynnik filtracji: charakteryzuje zdolność przesączania wody będącej w ruchu laminarnym przez skały porowate. Przesączanie odbywa się siecią kanalików utworzonych z porów gruntowych. Grunt stawia opór przesączającej się wodzie, opór ten zależy od właściwości gruntu - porowatości uziarnienia; właściwości filtrującej cieczy - lepkość. Wyznaczanie współczynnika filtracji.

Cel

Celem ćwiczenia było określenie następujących cech:

- kapilarność czynna piasku drobnoziarnistego,

- kapilarność bierna piasku drobnoziarnistego,

- współczynnik filtracji dla piasku gruboziarnistego przy stałym spadku hydraulicznym,

- współczynnik filtracji dla piasku średnioziarnistego przy zmiennym spadku hydraulicznym.

Poza tym wykonana została analiza makroskopowa badanych gruntów.

Przebieg ćwiczenia

Z analizy makroskopowej wiemy, że badaliśmy następujące grunty:

- przy badaniu kapilarności biernej i czynnej piasek drobnoziarnisty, suchy I klasy zawartości CaCO₃ o barwie szaro-żółtej,

- do określenia współczynnika filtracji przy stałym spadku hydraulicznym na aparacie ITBZWK2 użyty został piasek gruboziarnisty, wilgotny, IIej klasy zawartości CaCO₃ o barwie szarej,

- do określenia współczynnika filtracji przy zmiennym spadku hydraulicznym na aparacie Kamińskiego użyty został piasek średnioziarnisty, suchy, Iej klasy zawartości CaCO₃ o barwie brązowo-żółtej.

Aby wyznaczyć kapilarność czynną posłużyliśmy się szklana rurką o wysokości 100cm i średnicy 3cm. Rurka wypełniona została gruntem w stanie powietrzno-suchym, po czym zanurzona została w naczyniu z wodą. W czasie 1 minuty, 3min, 5min, 10min i 15 minut od momentu zanurzenia, zmierzona została wysokość podnoszenia wody w gruncie. Wyniki zamieszczone zostały w tabeli poniżej.

Czas [min]	Kapilarność czynna Hkc [cm]
1	8,6
3	14,0
5	15,0
10	16,5
15	18,0

Przyrządami do wyznaczenia kapilarności biernej były: gumowa rurka, szklany lejek, naczynie z wodą oraz sączek z bibuły. Próbka gruntu wsypana została do lejka tak, by usunięte zostały pęcherzyki powietrza. Nastepnie do lejka zamocowana została rurka i umieszczona w naczyniu z wodą. Lejek zaczął być podnoszony z prędkością ok. 1cm/s aż do chwili utworzenia się pęcherzyka powietrza pod próbką. Różnica poziomów spodu próbki i zwierciadła wody w naczyniu została zmierzona (8cm) i przyjęta jako kapilarność bierna.

Do wyznaczenia współczynnika filtracji przy stałym spadku hydraulicznym wykorzystany został aparat ITBZWK2. Na początku pobrane zostały następujące dane:

- wysokość próbki: l = 4,5cm

- pole przekroju próbki: A = 100cm²

- temperatura wody: t = 16,5˚C

- spadek naporu wody: ΔH = 3,5cm

Spadek hydrauliczny wyliczony został ze wzoru:

i = ΔH/l = 3,5/4,5 = 0,78

Czyli wartość spadku mieści się w wymaganym przedziale 0,3 - 0,8.

Kolejnym krokiem było zmierzenie przepływu wody w pięciu próbach trwających po 60 sekund. Otrzymane wartości to:

Q₁ = 95cm³; Q₂ = 96cm³; Q₃ = 96cm³; Q₄ = 96cm³; Q₅ = 98cm³

Następnie odrzucone zostały wartości skrajne i przyjęliśmy natężenie przepływu równe:

Q = 96cm³

Współczynnik filtracji policzony został ze wzoru Darcy'ego:

Q = kiTA

i wyniósł:

k = Q/iTA = 96/(0,78*1*100) = 1,2[cm/min]

Wielkością miarodajną jest współczynnik k wyznaczony w temperaturze 10˚C. Wyznaczyliśmy k w innej temperaturze, więc musimy przeliczyć je na k wyznaczone w temperaturze 10˚C według wzoru:

k_t = k(0,7 + 0,03t) = 1,2*(0,7 + 0,03*16,5) = 1,47[cm/min]=21,17[m/d]

Aby wyznaczyć współczynnik filtracji przy zmiennym spadku hydraulicznym wykonane zostało badanie na aparacie Kamińskiego. Cylinder o średnicy 5,44cm wypełniony został gruntem o wysokości 10cm. Nad złożem w cylindrze znajdowała się woda, która przepływała przez nie, gdy otwieraliśmy zawór na dnie cylindra. Zmierzony został czas przepływu wody dla wysokości 10cm:

T₁ = 9,13 [min]; T₂ = 9,50 [min]; T₃ = 9,55 [min].

Temperatura wody w aparacie wynosiła 18˚C. Powierzchnia próbki wyniosła:

F = π(d²/4) = π*(5,44²/4) = 23,23cm²

Współczynnik filtracji wyznaczony został wg wzoru:

k=[aL/FT]ln(H₁/H₂)

gdzie:

a - przekrój rurki , przez którą dopływa woda (a = 0,2 cm²) ,

L - wysokość złoża (L = 10cm),

F - powierzchnia próbki (F = 23,23cm²),

T - czas przepływu wody przez złoże [min],

H₁ - początkowa wysokość wody w cylindrze,

H₂ - wysokość wody w cylindrze po upływie czasu T.

Uzyskane wyniki i obliczenia umieszczone zostały w tabeli poniżej.

Lp	T [min]	H1 [cm]	H2 [cm]	k [cm/min]	k [m/d]	kt [cm/min]	kt [m/d]
1	9,13	40	30	0,00271	0,0391	0,0021878	0,0315
2	9,50	40	30	0,00261	0,0375	0,0021026	0,0303
3	9,55	40	30	0,00259	0,0373	0,0020916	0,0301

Wnioski

Wartość kapilarności czynnej dla badanego gruntu wyniosła 18cm, co nie odpowiada wartości podanej w skrypcie „Badania laboratoryjne i polowe gruntów” - Stanisław Pisarczyk, Bogdan Rymsza, która powinna wynosić 30-40cm. Błędny wynik spowodowany był prawdopodobnie zbyt szybkim przerwaniem badania - po 15 minutach. Wartość kapilarności mogła zmienić się po dłuższym czasie.

Badanie kapilarności biernej piasku drobnoziarnistego zostało wykonane nieprawidłowe. Otrzymana wartość kapilarności 8cm, znaczenie odbiega od oczekiwanej 30-40cm. Powodem mogło być niedokładne lub błędne wykonanie wymaganych czynności. Aby poznać kapilarność bierną badanego gruntu należałoby wykonać ćwiczenie ponownie.

Współczynnik filtracji przy stałym spadku hydraulicznym wyznaczony na aparacie ITBZWK2 wyniósł 21,17 [m/d], co oznaczać może drobny błąd w wykonaniu ćwiczenia lub źle wykonaną analizę makroskopową. Wartość tablicowa dla piasku gruboziarnistego wynosi 30-75 [m/d], zaś dla piasku średnioziarnistego 5-30 [m/d].

Ostatnie badanie, współczynnika filtracji przy zmiennym spadku hydraulicznym, wykonane na aparacie Kamińskiego, dało w przybliżeniu wartości ok. 0,03 [m/d], co oznacza błędne wykonanie ćwiczenia, bądź złe określenie rodzaju gruntu, wartość ta odpowiada wartościom dla pyłów piaszczystych. Dla uzyskania wiarygodnych wyników należałoby powtórzyć ćwiczenie.

5

---