Politechnika Wrocławska Studia magisterskie dzienne

Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego Rok akademicki 2007/2008

Instytut Geotechniki i Hydrotechniki Rok studiów II, Semestr IV

Zakład Geomechaniki i Budownictwa Podziemnego

Ćwiczenie laboratoryjne

Z Mechaniki Gruntów

WODOPRZEPUSZCZALNOŚĆ I ŚCIŚLIWOŚĆ

Wykonała: Agnieszka Kubis

Prowadzący: DR INŻ. MAREK KAWA

Wrocław 13.12.2008

1. WSTĘP TEORETYCZNY

BADANIE W EDOMETRZE:

Ściśliwość gruntu jest to zdolność gruntu do zmniejszania objętości na skutek przyłożonego obciążenia. Zjawisko to bada się w aparacie zwanym edometrem, którego zasadniczym elementem jest metalowy pierścień

Badanie ściśliwości w edometrze polega na stopniowym obciążaniu próbki gruntu w warunkach uniemożliwiających jej boczną rozszerzalność. Obciążony grunt odkształca się tylko w kierunku działania siły. Założenie jest zgodne w przybliżeniu z rzeczywistymi warunkami, w jakich znajduje się grunt w podłożu pod dużym fundamentem, gdzie jego boczna rozszerzalność jest również znacznie ograniczona sąsiednimi elementami gruntu.

Miarą ściśliwości jest edometryczny moduł ściśliwości, rozumiany jako współczynnik proporcjonalności pomiędzy naprężeniem i odkształceniem:

σ = M ⋅ ε

gdzie: σ - naprężenie [kPa]

M - moduł ściśliwości [kPa]

ε - odkształcenie jednostkowe próbki

Znajomość modułów ściśliwości gruntu jest niezbędna przy obliczaniu osiadań pod fundamentem.

Moduł ściśliwości wtórnej (M) oblicza się w analogiczny sposób przyjmując wartości odkształceń z krzywej ściśliwości wtórnej.
Proces zmiany objętości gruntu w czasie, zachodzący w wyniku wypływania wody z porów pod wpływem przyłożonego obciążenia nazywamy konsolidacją.
Czas trwania konsolidacji zależy głównie od przepuszczalności gruntu. Grunty o niskiej przepuszczalności (np. grunty spoiste) wymagają dłuższego czasu na zakończenie konsolidacji. Dlatego grunty te osiadają znacznie wolniej niż grunty niespoiste, i, co za tym idzie, proces ten trwa znacznie dłużej. Proces ten ilustruje krzywa konsolidacji.

Przygotowanie próbek do badania:

Badania ściśliwości gruntu wykonuje się (jeżeli tylko jest to możliwe) na próbkach o nienaruszonej strukturze.
Dla celu ćwiczenia dydaktycznego poprzestaniemy na badaniu próbki o naruszonej strukturze wykonując następujące czynności:

1. przy pomocy dwudzielnego próbnika z wmontowanym w środku pierścieniem edometrycznym wyciąć z gruntu próbkę,

2. wyciągnąć pierścień edometryczny z gruntem i wyrównać powierzchnię gruntu równo z brzegami pierścienia edometrycznego (prowadzimy nóż zawsze od środka pierścienia do jego krawędzi),

3. na dolnym filtrze edometru umieścić zwilżony sączek z bibuły filtracyjnej a na nim pierścień edometryczny z gruntem, przykrywając górną powierzchnię gruntu również zwilżonym sączkiem z bibuły filtracyjnej,

4. założyć obudowę pierścienia edometru i przykręcić ją śrubami motylkowymi,

5. ułożyć na próbce pokrywę wraz z wbudowanym filtrem, umieścić trzpień na kulce górnej pokrywy i unieruchomić go śrubą dociskową,

6. ustawić czujnik zegarowy przesuwu, pamiętając o tym, że próbka gruntu będzie osiadać i sztyca pomiarowa czujnika nie może zawisnąć nad próbką; ustawiony i wyzerowany czujnik zegarowy wskazywać będzie na początku pierwotną wysokość próbki h = 20 mm,

7. założyć ramkę edometru na trzpień (nie obciążona ramka z wieszakiem daje obciążenie wywołujące naprężenie 12,5 kPa).

Wykonanie badania:

1. odkręcamy śrubę dociskową trzpienia i notujemy odczyty czujnika przemieszczeń,

2. po określonym czasie pomiarowym zwiększamy obciążenie do kolejno: 25, 50, 100 kPa,

3. po każdym nowym obciążeniu notujemy wskazania czujnika

4. po osiągnięciu umownej stabilizacji odciąża się próbkę stopniowo do wartości 12,5 kPa,

5. w celu określenia ściśliwości wtórnej gruntu po odciążeniu, próbkę obciąża się ponownie kolejno stopniami obciążenia

WSPÓŁCZYNNIK WODOPRZEPUSZCZALNOŚCI GRUNTU :

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:

V=ki

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.

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.

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,

3. WNIOSKI

Do rozpoznania i badania w edometrze mieliśmy 1 próbkę gruntu:

• Badany grunt to piasek drobny

• Wykresy krzywych konsolidacji są w przybliżeniu prostymi, gdyż osiadanie piasku zostaje zakończone prawie natychmiast po przyłożeniu obciążenia

• Odnosząc wartości osiadań, czyli zmiany wysokości próbki dla każdego stopnia obciążenia tworzymy wykres krzywych ściśliwości

• Można zauważyć że krzywa ściśliwości pierwotnej i krzywa odprężenia nie pokrywają się, więc grunt nie odkształca się sprężyście ale także plastycznie i po zdjęciu obciążenia nie wraca do swojej pierwotnej objętości

• Mniejsze nachylenie krzywej ściśliwości wtórnej niż krzywej ściśliwości pierwotnej wskazuje na to, że grunt przy obciążaniu wtórnym wykazuje mniejszą ściśliwość

Do wyznaczenia współczynnika filtracji metodą rurki Kamieńskiego mieliśmy 1 próbkę gruntu:

Znajomość współczynnika filtracji jest ważna, szczególnie podczas wykonywania różnego rodzaju robót ziemnych. Wartość współczynnika filtracji zależy od lepkości cieczy. W budownictwie mamy do czynienia najczęściej z wodą, jednak jej lepkość zależy od temperatury na tyle, że należy wpływ ten uwzględnić. Wyeliminowanie rozbieżności wyników badań przeprowadzonych w różnych temperaturach uzyskuje się przez sprowadzenie wyniku do wartości otrzymywanych w temperaturze 10 ^oC. Określa to wzór na zredukowany wskaźnik wodoprzepuszczalności k₁₀ Ilość wody przenikającej przez próbkę gruntu jest proporcjonalna do powierzchni próbki, czasu przepływu, spadku hydraulicznego czyli ciśnienia spływowego, wskaźnika wodoprzepuszczalności oraz odwrotnie proporcjonalna do wysokości (czyli drogi filtracji) próbki gruntu.

Znając wskaźnik wodoprzepuszczalności gruntu możemy obliczyć ile wody przesiąknie do fundamentu w określonym czasie, ocenić przydatność danego gruntu na podsypkę pod drogę (duży współczynnik filtracji zapewni pożądany drenaż i odwodnienie gruntu pod drogą) czy zaporę ziemną (tu zależy nam na jak najmniejszym wskaźniku wodoprzepuszczalności).

---