W-5 wyznaczanie-wsp-k, Budownictwo Politechnika, Mechanika Gruntów, wykłady
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
EDYTA MALINOWSKA, MAŁGORZATA HYB Katedra Geoinżynierii, SGGW w Warszawie Departament of Geotechnical Engineering, Warsaw Agricultural University – SGGW Wyznaczanie współczynnika filtracji na podstawie badań laboratoryjnych Determination of permeability coefficient in laboratory tests Wstęp melioracyjne lub nasypy drogowe często muszą być lokalizowane na terenach o tzw. małej przydatności dla budownictwa. Tereny te często podmokłe, charakteryzują się występowaniem w podłożu gruntów organicznych. W artykule przedstawiono metodykę określania współczynnika filtracji wraz z wynikami badań, w warunkach laboratoryjnych przeprowadzonych na gruntach organicznych pochodzących z poligonu doświadczalnego Katedry Geoinżynierii SGGW, które mogą być wykorzystane do określenia uprzywilejowanych dróg przepływu, identyfikacji barier hydraulicznych lub wielkości występujących zanieczyszczeń. Niektóre budowle inżynierskie służące do ochrony środowiska, jak na przykład składowiska odpadów, oczyszczalnie ścieków, a także inne obiekty inżynierskie, służące do magazynowania i dystrybucji paliw płynnych, stanowią źródło zanieczyszczenia środowiska wodno- gruntowego. Dlatego powinny być lokalizowane na podłożu, w którym występują warstwy gruntów uznanych za bariery hydrauliczne, które to ograniczają możliwość migracji zanieczyszczeń w środowisku wodno- gruntowym. Rozwój gospodarczy niekiedy wymusza przeznaczanie pod budownictwo obszarów, na których występują grunty o słabej nośności. Dlatego też budowle inżynierskie służące ochronie przeciwpowodziowej, kształtowaniu środowiska bądź mające cele ważne dla gospodarki, jak np.: obwałowania rzek, zapory ziemne zbiorników wodnych, małe budowle Metodyka określania współ- czynnika filtracji Metody wyznaczania parametrów przepływu, które są stosowane w geo- Wyznaczanie współczynnika filtracji na podstawie badań laboratoryjnych 71 technice możemy podzielić na trzy gru- py: obliczenia oparte na wzorach, za- równo analitycznych, jak i empirycz- nych; modelowania numeryczne, mate- matyczne i fizyczne przepływu wody w gruncie oraz badania terenowe i labora- toryjne gruntu. Znaczne różnice pomiędzy współ- czynnikami filtracji gruntów spoistych i niespoistych wymagają stosowania in- nych metod i innej aparatury badawczej. Metody badań współczynnika filtracji w warunkach laboratoryjnych powinny modelować także główne kierunki przewidywanego przepływu wody w warunkach naturalnych. Zależnie od warunków wodno – gruntowych prze- pływ wody w gruncie jest możliwy w kierunku pionowym, poziomym i uko- śnym. Bezpośrednie badania laboratoryjne współczynnika filtracji wody w grun- tach sprowadzają się do metod stało – i zmnienno-gradientowych. Różnica ciśnień przechodząca przez próbkę zmniejsza się w czasie aż do osiągnięcia stanu równowagi natężenia. Podstawowym aparatem do ozna- czania współczynnika filtracji w grun- tach niespoistych metodą gradientu stałego jest schemat pomiarowy przed- stawiony na rys.2. Współczynnik filtracji można także wyznaczyć laboratoryjnie za pomocą aparatu Wiłuna, przedstawionego na rys.3. 1-płytki porowate/ porous stones, 2-próbka gruntu/ soil sample. Charakterystyka metod badań ze stałym gradientem RYSUNEK 2. Schemat aparatu do oznacza- nia współczynnika filtracji w gruntach nie- spoistych. FIGURE 2. Scheme of apparatus for perme- ability test in uncohesive soils. W metodzie stało-gradientowej za- daje się wartość stałą naporu hydrau- licznego na dolną powierzchnię próbki. ∆Q ∆H t t RYSUNEK 1. Charakterystyka zmian zależności przepływu i gradientu w czasie, w metodzie stało- gradientowej. FIGURE 1. Relationship betwen discharge capacity and hydraulic gradient in constant-gradient methods. 72 Edyta Malinowska, Małgorzata Hyb 1-cylinder zewnętrzny/outer cylinder; 2-cylinder wewnętrzny/inner cylinder; 3-podstawa/base; 4-filtr dolny i siatka 0,1mm lower filter & mesh; 5- pierścień/ring; 6-filtr górny/upper filter; 7- obciążnik/dead load; 8-końcówki i rurki gumowe odpowietrzające spód próbki/dearing tubings; 9- nakrętka/nut; 10-uszczelka gumowa/rubber sealing; 11-siatka o oczkach 0,2mm/mesh; 12-podziałka milimetrowa/milimeter scale; 13-dopływ wo- dy/water supply; 14-przelew/over fall. 1-próbka gruntu/soil sample, 2-cylinder wewnętrz- ny/inner cylinder, 3-podkładka przepuszczalna/pressure cell, 4-komora wysokich ciśnień/cell, 5 –cylinder zewnętrzny/outer cylinder, 6-głowica/top cap, 7- tłok/piston, 8-doprowadzenie wody/water supply, 9- odpowietrznik/deair, 10-obciążnik/load, 11- podziałka/scale, 12-tłok/piston, 13-cylinder/cylinder, 14-manometr/manometr, 15-zawór/valve. RYSUNEK 4. Aparat trójosiowy przystosowany do badania filtracji wg Wysokińskiego i Łukasika (1996). FIGURE 4. Triaxial cell adaptated for permeabil- ity test, after Wysokiński and Łukasik (1996). RYSUNEK 3. Aparat Wiłuna do badania współ- czynnika filtracji. FIGURE 3. Wiłun’s cell for permeability test. Charakterystyka metod badań ze zmiennym gradientem hydrau- licznym Bardziej zaawansowanym technolo- gicznie w badaniu przepuszczalności gruntu jest wykorzystanie przystosowa- nego w tym celu aparatu trójosiowego ściskana (rys.4). W metodzie zmienno-gradientowej gradient hydrauliczny zmniejsza się wraz z upływem czasu zbliżając się asymptotycznie do określonego pozio- mu (rys.5). Świadczy to o tym, że siła przepły- wu wody maleje w czasie trwania do- świadczenia. i ∆Q t t RYSUNEK 5. Charakterystyka zmian zależności gradientu i przepływu w czasie, w metodzie zmienno-gradientowej. FIGURE 5. Relationship betwen discharge capacity and hydraulic gradient in nonconstant-gradient methods. Wyznaczanie współczynnika filtracji na podstawie badań laboratoryjnych 73 Podstawowym aparatem do ozna- czania współczynnika filtracji w grun- tach spoistych metodą gradientu zmien- nego jest schemat przedstawiony na rys.6. Nieco bardziej skomplikowany w budowie jest aparat Kamieńskiego, zwany także rurką Kamieńskiego (rys.7). W praktyce badań laboratoryjnych współczynnik filtracji dla gruntów spo- istych najlepiej jest wyznaczyć w przy- stosowanych do tego celu edometrach (rys.8). 1-płytki porowate/ porous stones 2-próbka gruntu/ soil sample 3-przelew/over fall RYSUNEK 6. Schemat aparatu do wyznacza- nia współczynnika filtracji w gruntach spo- istych. FIGURE 6. Scheme of apparatus for perme- ability test in cohesive soils. 1 - próbka gruntu/soil sample, 2 – pier- ścień/ring, 3 - filtr dolny/lower filter, 4 - filtr górny/upper filter, 5 – pierścień dociskowy/holder ring, 6 – osłona gu- mowa/rubber membrane, 7 – odprowa- dzenie wody/outflow, 8 – rurka szklana z podziałką (piezometr)/piezometer, 9 – uszczelki gumowe/rubber sealings, 10 – obciążenie/load. RYSUNEK 8. Schemat edometru przystoso- wanego do wyznaczania współczynnika filtra- cji, typ ITB-ZW. FIGURE 8. Scheme of oedometer adaptated for permeability test, type ITB-ZW. 1, 2, 3 – szklane rurki, spełnia- jące rolę piezometrów/ piezo- meters; 4 – siatka/mesh; 5 – otwór/slot; 6 – rurka/tube; 7 – odpływ/outflow; 8 – rurka służąca do całkowitego nasy- cenia/burette; 9 – dopływ/water supply; 10 – zacisk/clamp. Bardzo zaawansowanym technolo- gicznie oraz umożliwiającym wyzna- czenie współczynnika filtracji w dwóch kierunkach: pionowym k v i poziomym k h jest aparat Rowe’a, zwany także komorą Rowe’a (rys.9). Aparat Rowe’a umożliwia ekspery- mentalne wyznaczenia współczynnika filtracji w czterech kierunkach: dwóch RYSUNEK 7. Aparat Kamieńskiego do bada- nia współczynnika filtracji. FIGURE 7. Kamieński’s cell for permeability test. 74 Edyta Malinowska, Małgorzata Hyb a) b) próbkę wody (rys.10). Dla danego badania mierzy się na- pór hydrauliczny ∆H na wlocie i na wylocie próbki, aż do osiągnięcia mo- mentu, gdy przepływ stanie się ustalo- ny i wówczas można obliczyć współ- czynnik filtracji ze wzoru: k = Q ⋅ l = Q [ cm / s ] F ⋅ t ⋅ ∆ h F ⋅ t ⋅ i 1 – badana próbka gruntu/soil sample, 2a – przepusz- czalna podstawa/permeability base, 2b – przepuszczalna ściana boczna/permeability ring; 3a – przepuszczalny tłok/permeability piston, 3b – walcowy dren/drain, 4 – dopływ (odpływ) wody /inflow(outflow), 5 – odpływ (dopływ) wody/outflow(inflow), 6 – membrana gumo- wa/rubber membrane, 7 – ciśnieniowa komora wod- na/pressure cell, 8 – zawór/valve, 9 – miernik nacisku konsolidującego próbkę/manometr. W celu przeprowadzenia badań ze stałym wymuszonym przepływem można zastosować System Trautwain (rys.11), który składa się z trzech za- sadniczych elementów: tablicy pomia- rowej, służącej do zadawania i kontro- lowania ciśnienia oraz pomiaru zmian objętości próbki gruntu i przepływu wody; komory, pozwalającej wymu- szać ciśnienie oraz permometru, umoż- liwiającego przyśpieszenie badań po- przez wymuszenie jednakowego do- pływu i odpływu wody. W 1966 roku H.Olsen zapropono- wał aparat własnej konstrukcji do bada- nia filtracji w gruntach spoistych (rys. 12). RYSUNEK 9. Aparat Rowe’a według Ossow- skiego (1985). FIGURE 9. Rowe’s cell after Ossowski (1985). pionowych (na dół lub do góry) i dwóch poziomych (do centrum i od centrum). Charakterystyka metod badań współczynnika filtracji ze stałym przepływem wody w próbce grun- tu Dopiero w latach osiemdziesiątych tego typu technikę pomiarową zastoso- wano praktycznie na większą skalę w zagranicznych laboratoriach geotech- nicznych. Podstawy teoretyczne rozwi- W metodzie badania ze stałym wy- muszonym przepływem wymusza się stałą prędkość przepływającej przez ∆Q ∆H t t RYSUNEK 10. Charakterystyka zmian zależności przepływu i gradientu w czasie, w metodzie ze stałym przepływem. FIGURE 10. Relationship betwen discharge capacity and hydraulic gradient in constant-flow methods. Wyznaczanie współczynnika filtracji na podstawie badań laboratoryjnych 75 [ Pobierz całość w formacie PDF ] |