IV. Mechanika gruntów i fundamentowanie

5. Przepływ wody w podłożu gruntowym oraz jego wpływ na właściwości gruntów.

(Zarys geotechniki - Wiłun, Gruntoznawstwo - Pisarczyk, Mechanika gruntów - Szymański)

Woda w gruncie występuje w postaci:

• Wody błonkowej, przywartej na powierzchni cząstek gruntowych,

• Wody kapilarnej, utrzymywanej siłami napięcia powierzchniowego w porach gruntu ponad zwierciadłem wody wolnej,

• Wody wolnej (gruntowej).

Istota przepływu cieczy w gruncie

Pory w gruncie są połączone, więc przepływ wody możliwy jest nawet w najbardziej zagęszczonych gruntach naturalnych. W próbce gruntu woda może przepływać z punktu A do punktu B, jednakże nie po linii prostej i ze stałą prędkością, lecz od poru do poru po krzywej.

Prędkość cząstki wody w dowolnym punkcie krzywej przepływu zależy od jej położenia w porze, wymiarów poru, a w szczególności od jej odległości od powierzchni najbliższej cząstki gruntu.

Woda gruntowa najczęściej znajduje się w ruchu. Ruch wody gruntowej, nazywany FILTRACJĄ, zależy od ośrodka gruntowego - jego uziarnienia, struktury i porowatości. Im drobniejsze jest np. uziarnienie, tym większe są opory ruchu wody. Ze względu na nieregularny układ porów i szczelin w gruncie nie jest możliwe dokładne zbadanie zjawiska filtracji, stosuje się zatem w praktyce empiryczną zależność podaną przez Darcy'ego (Prawo Darcy'ego):

gdzie:

q - wydatek przepływu,

k - stała, współczynnik proporcjonalności, zwany współczynnikiem filtracji,

h₃ - wysokość ponad poziomem porównawczym, do której nastąpiło podniesienie

wody w piezometrze umieszczonym powyżej próbki_,

h₄- wysokość jak h₃ lecz w piezometrze poniżej próbki,

L - długość próbki,

A - pole całkowite poprzecznego przekroju,

- spadek hydrauliczny.

Równanie to można przekształcić w następujący sposób:

Prędkość filtracji to średnia rzeczywista prędkość przepływu w gruncie v_s, jest ona równa prędkości dopływu podzielonej przez porowatość:

Miarą filtracji gruntu jest współczynnik filtracji k. Jest on prędkością przepływu wody przy spadku hydraulicznym równym jedności. Stała k jesy wielkością charakterystyczną dla danego gruntu, zależy od porowatości, uziarnienia i temperatury przepływającej wody (spadek lepkości wody ze wzrostem temperatury), nie zależy natomiast od spadku hydraulicznego.

Prawo Darcy'ego stosuje się do ruchu laminarnego, przy którym występuje liniowa zależność prędkości filtracji od spadku hydraulicznego. Po przekroczeniu prędkości krytycznej występuje ruch turbulentny (burzliwy). Przepływ wody ruchem turbulentnym nazywa się fluacją.

Mechaniczne działanie wody na szkielet gruntowy:

• Wypór w gruncie - na szkielet gruntowy poniżej ZWG działa wypór wody (zgodnie z prawem Archimedesa), jest więc on pozornie lżejszy i wywiera mniejszy nacisk na warstwę leżącą niżej niż szkielet gruntowy powyżej ZWG. Pozorny ciężar objętościowy szkieletu gruntowego pod wodą gruntową wynosi:
  

• Ciśnienie wody w porach gruntu - ciśnienie wody gruntowej wywierane na szkielet i nie powodujące jego zagęszczenia. Ciśnienie to za głębokości „z” poniżej poziomu gruntu ma wartość:
  , a całkowite naprężenie w masie gruntowej na głębokości z:
  

Zjawiska związane z ruchem wody w gruncie:

1. Ciśnienie Spływowe (w odniesieniu do jednostki objętości gruntu nosi nazwę hydrodynamicznego) wywierane na szkielet gruntowy przez przepływającą przez grunt wodę, przezwycięża siłę tarcia wody o ziarna i cząstki gruntu. Jest skierowane zgodnie z kierunkiem filtracji (stycznie do linii prądu). Siła ciśnienia spływowego liczbowo jest równa iloczynowi spadku hydraulicznego i ciężaru objętościowego wody; jest to siła objętościowa wyrażana w kN/m³:
   . W przypadku przepływu wody przez grunt należy przy obliczaniu ciężaru objętościowego gruntu
   uwzględnić działanie ciśnienia spływowego, a biorąc pod uwagę, że grunt znajduje się pod wodą, stosuje się
   :

gdzie:

- ciężar objętościowy szkieletu gruntu pod wodą

- pionowa składowa ciśnienia spływowego (znak „+” odnosi się do przepływu wody w dół, a znak „-” do góry.

2. Spadek krytyczny - ciśnienie spływowe, które równoważy
   nazywa się ciśnieniem spływowym krytycznym, a spadek hydrauliczny, który je generuje: spadkiem krytycznym.
   ,
   

Zmiany w gruncie wywołane filtracją:

• Kurzawka - upłynnienie gruntów sypkich - występuje w gruntach, w których spadek hydrauliczny jest bliski wartości krytycznej. Kurzawka najczęściej występuje w piaskach drobnych W gruntach o grubym uziarnieniu, np. w żwirach, zjawisko to występuje niezmiernie rzadko. Jest to spowodowane niewielkimi gradientami i << 1 , jakie na ogół występują w gruntach o dużej przepuszczalności (gruboziarnistych).

• Wyparcie gruntu - zjawisko polegające na przesunięciu pewnej objętości gruntu (często wraz z obciążającymi ją elementami ubezpieczeń). Wyparta masa powiększa swoją objętość i porowatość. Zjawisko wyparcia może występować nie tylko w kierunku pionowym do góry, lecz również poziomo w podłożu budowli piętrzących wodę, a niekiedy również w kierunku do dołu.

• Przebicie hydrauliczne - zjawisko tworzenia się kanału (przewodu) w masie gruntowej, wypełnionego gruntem o naruszonej strukturze (w końcowej fazie zjawiska - zawiesiną), łączącego miejsca o wyższym i niższym ciśnieniu wody w porach. Na powierzchni terenu przebicie hydrauliczne jest widoczne w postaci źródła. Zjawisko przebicia występuje przeważnie w gruntach mało spoistych podścielonych gruntami przepuszczalnymi.

• Sufozja - zjawisko polegające na wynoszeniu przez filtrującą wodę drobnych cząstek gruntu (przesunięcie ich na inne miejsce lub wyniesione poza obręb gruntu). W rezultacie sufozji powiększają się pory, wzrasta współczynnik filtracji i prędkość wody. Woda o większej prędkości może poruszać coraz większe ziarna gruntu i powodować dalszy rozwój procesu sufozji aż do utworzenia się kawern lub kanałów w gruncie. Zjawisko przybiera wtedy cechy przebicia hydraulicznego. Sufozja występuje wtedy, gdy zostanie przekroczony i_kr lub prędkość krytyczna v_kr:

• Kolmatacja - proces wymywania i osadzania drobnych cząstek w przestrzeni porowej gruntu.

---