wyznaczanie-wsp-k, Budownictwo PK, Mechanika gruntów
[ 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 ]