Υπολογισμός Διαπερατότητας Εδαφών

Transcript

1 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΔΟΚΙΜΗΣ: Υπολογισμός Διαπερατότητας Εδαφών Επιστημονικός Συνεργάτης: Δρ. Αλέξανδρος Βαλσαμής, Πολιτικός Μηχανικός Εργαστηριακός Υπεύθυνος: Παναγιώτης Καλαντζάκης, Καθηγητής Εφαρμογών Εργαστηριακοί Συνεργάτες: Δρ. Κωνσταντίνος Θωμάς, Πολιτικός Μηχανικός Δρ. Άννα Μάμου, Πολιτικός Μηχανικός Φωτεινή Λυραντζάκη, Πολιτικός Μηχανικός MSc, Υ.Δ. Πανεπιστημίου Πατρών ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΟ ΕΤΟΣ :

2 ΣΤΟΧΟΙ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ Η κατανόηση ότι η ροή των υπόγειων υδάτων προκαλεί τα σοβαρότερα προβλήματα σε κατασκευαστικές εργασίες κάτω από τον υδροφόρο ορίζοντα και γεωκατασκευές που συγκρατούν νερό. Η κατανόηση της έννοιας της διαπερατότητας των εδαφών. Η κατανόηση του Νόμου του Darcy για τη διαπερατότητα και ο προσδιορισμός των τιμών του συντελεστή διαπερατότητας από εργαστηριακές και επί τόπου δοκιμές.

3 ΟΡΙΣΜΟΣ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑΣ Διαπερατότητα είναι η ευκολία με την οποία το νερό ρέει μέσα από τους πόρους (κενά) του εδάφους. Στα λεπτόκκοκκα εδάφη λόγω του μικρού μεγέθους των κενών, η ροή του νερού ανάμεσα στους κόκκους γίνεται με δυσκολία. Το ίδιο συμβαίνει και στα πυκνά εδάφη. Στα χονδρόκοκκα εδάφη, η ροή του νερού ανάμεσα στους κόκκους είναι εύκολη. Ομοίως και στα χαλαρά εδάφη.

4 ΟΡΙΣΜΟΣ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑΣ Νερό Χαλαρό έδαφος. - Εύκολη ροή - Υψηλή Διαπερατότητα Πυκνό έδαφος. - Δύσκολη ροή - Χαμηλή Διαπερατότητα

5 ΚΕΝΑ ΕΔΑΦΟΥΣ ΚΑΙ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑ Όλα τα εδάφη έχουν κενά ή πόρους και μπορούν να περιγραφούν ως πορώδη. Όμως, για να είναι δυνατή η ροή του νερού μέσα από αυτά, πρέπει τουλάχιστον κάποια να είναι συνεχή ώστε το έδαφος να χαρακτηριστεί διαπερατό. Το πορώδες μιας αργίλου είναι συνήθως μεγαλύτερο από αυτό μιας άμμου, αλλά η άργιλος μπορεί να είναι ένα εκατομμύριο φορές λιγότερο διαπερατή από την άμμο. Στις άμμους, ειδικά στις καθαρές χωρίς λεπτόκοκκα, τα περισσότερα κενά είναι σχετικά μεγάλα, συνεχή και πιο ευθυγραμμισμένα σε σχέση με τις αργίλους που είναι μικρότερα, περισσότερο ελικοειδή και σε μεγάλο βαθμό μη συνεχή. Η διαπερατότητα επομένως δεν εξαρτάται μόνο από το πορώδες, αλλά και από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των κενών.

6 ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΕΠΙΡΡΟΗΣ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑΣ Κοκκομετρία Συμπύκνωση - πυκνότητα Δείκτης κενών e Ύπαρξη λεπτόκοκκου κλάσματος Βαθμός κορεσμού Θερμοκρασία Ασυνέχειες

7 ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ ΚΑΙ ΥΠΟΓΕΙΟ ΝΕΡΟ Λόγω του υδρολογικού κύκλου (βροχόπτωση, διείσδυση νερού) οι πόροι του εδάφους γεμίζουν με νερό. Δημιουργείται επομένως μια ζώνη κορεσμού κάτω από την επιφάνεια του εδάφους, η ανώτερη στάθμη της οποίας ονομάζεται Υδροφόρος Ορίζοντας

8 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΡΟΗΣ Στη φύση, το υπόγειο νερό μπορεί να ρέει μέσω του εδάφους αλλά κανονικά αυτή η ροή δεν είναι αρκετά μεγάλη ώστε να προκαλέσει αστάθεια. Έτσι το έδαφος είναι ευσταθές ή σε ισορροπία. Εργασίες στο έδαφος, ειδικά εκσκαφές, διαταράσσουν αυτή την ισορροπία και μεταβάλλουν τον τρόπο της ροής. Είναι ευθύνη του Γεωτεχνικού μηχανικού να υποδείξει που θα παρουσιαστεί πρόβλημα και πώς θα εξασφαλίσει τη διατήρηση της ευστάθειας των εργασιών.

9 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΡΟΗΣ Υδραυλική υποσκαφή Υδραυλική θραύση

10 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΡΟΗΣ Υδραυλική υποσκαφή Υδραυλική θραύση Υδραυλική ανύψωση

11 ΤΡΟΠΟΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗΣ Ροή μέσα σε εκσκαφές Ροή γύρω από προφράγματα

12 ΤΡΟΠΟΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗΣ Ξηρή εκσκαφή Ροή μέσω γεωκατασκευής (φράγμα)

13 ΜΟΝΟΔΙΑΣΤΑΤΗ ΡΟΗ - ΝΟΜΟΣ DARCY h 1 Q = k * h 1 L h 2 * A ή Q=k*i*A Q : παροχή της ροής (L 3 / T) (όγκος / χρόνος) Δh h 2 k : συντελεστής διαπερατότητας με διαστάσεις ταχύτητας (L / T) (μήκος / χρόνος) Εδαφικό δείγμα Απώλειες υδραυλικού φορτίου: Μόνο όταν το νερό ρέει μέσα σε εδαφικό υλικό L Δh = h 1 - h 2 : υδραυλικό φορτίο (L) (μήκος) L : μήκος εδαφικού δοκιμίου παράλληλα με την ροή (L) (μήκος) (Ουσιαστικά είναι το μήκος στο οποίο πραγματοποιούνται απώλειες του υδραυλικού φορτίου) Α : η εγκάρσια σε σχέση με την ροή διατομή του δείγματος (L 2 ) (επιφάνεια) i = Δh / L : υδραυλική κλίση

14 ΟΡΙΣΜΟΣ : ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑΣ O Συντελεστής Διαπερατότητας k είναι η σταθερά της αναλογίας μεταξύ της φαινόμενης ταχύτητας ροής και της υδραυλικής κλίσης ή η φαινόμενη ταχύτητα ροής μέσω του εδάφους υπό υδραυλική κλίση ίση με τη μονάδα.

15 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΤΙΜΕΣ ΣΥΝΤ. ΔΙΑΠΕΡ.

16 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑΣ Εργαστηριακές δοκιμές Δοκιμή Σταθερού φορτίου Δοκιμή Μεταβλητού φορτίου Δοκιμές πεδίου Δοκιμές ανοικτής γεώτρησης Δοκιμές πιεζομέτρων Εμπειρικές σχέσεις Τύπος του Hazen

17 ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΑΘΕΡΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Η δοκιμή εκτελείται με βάση το πρότυπο ASTM D2434 και με βάση τις διαδικασίες που περιγράφονται στις Προδιαγραφές Εργαστηριακών Δοκιμών Εδαφομηχανικής (Ε105-86, Κεφ. 17) Η δοκιμή είναι κατάλληλη για τον προσδιορισμό του συντελεστή διαπερατότητας χονδρόκοκκων υλικών με ποσοστό λεπτόκοκκων <10% Το νερό ρέει μέσω εδαφικού δείγματος διατομής Α υπό σταθερό υδραυλικό φορτίο h. Μετράται η απώλεια του φορτίου για μήκος L του δείγματος, καθώς και ο όγκος εκροής Q για χρονικό διάστημα t. Εφαρμόζεται τελικά ο νόμος του Darcy για τον υπολογισμό του συντελεστή διαπερατότητας.

18 ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΑΘΕΡΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Απαραίτnτες Συσκευές και Υλικά Κυψέλη διαπερατομέτρου Σύστημα δοκιμής διαπερατομέτρου Ζυγαριά Φούρνος Μεγάλα δοχεία ξήρανσης Μέτρο Μηκυνσιόμετρο Θερμόμετρο Ογκομετρικός σωλήνας Χρονόμετρο

19 ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΑΘΕΡΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Εισροή νερού Δεξαμενή Σταθερού Φορτίου Πορόλιθος Υπερχείλιση για την διατήρηση του σταθερού φορτίου Εκροή νερού h Μανομετρικοί σωλήνες Ογκομετρικό δοχείο Εδαφικό δείγμα διατομής Α h s L Πορόλιθος

20 ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΑΘΕΡΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ

21 Διαδικασία Εκτέλεσης ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΑΘΕΡΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ 1. Επιλογή αντιπροσωπευτικού δείγματος εδαφικού υλικού με ποσοστό λεπτόκοκκων λιγότερο από 10%. Χονδρόκοκκο υλικό με διάμετρο κόκκων μεγαλύτερη από 19mm δεν χρησιμοποιείται στη δοκιμή. Καταγράφεται όμως η ποσοστιαία αναλογία του χονδρόκοκκου υλικού στο εξεταζόμενο δείγμα. 2. Καταγράφονται: η εσωτερική διάμετρος D του κυλίνδρου του διαπερατομέτρου και το μήκος L μεταξύ των μανομετρικών απαγωγών. 3. Ζυγίζεται το εξεταζόμενο εδαφικό υλικό, τοποθετείται μέσα στον κύλινδρο και συμπυκνώνεται κατά στρώσεις στην επιθυμητή πυκνότητα. 4. Ζυγίζεται το υλικό που περισσεύει και έτσι προκύπτει το βάρος του υλικού που χρησιμοποιήθηκε στη δοκιμή.

22 Διαδικασία Εκτέλεσης ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΑΘΕΡΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ 5. Τοποθετείται ο ανώτερος πορόλιθος πάνω στο δοκίμιο, συμπιέζεται και περιστρέφεται ελαφρά έτσι ώστε να εξασφαλιστεί πλήρης επαφή του με το εδαφικό δείγμα. 6. Μετράται το τελικό ύψος του δοκιμίου h s και υπολογίζεται η πυκνότητα και ο λόγος κενών του εδαφικού δοκιμίου. 7. Συναρμολόγηση κυλίνδρου έτσι ώστε να εξασφαλίζεται αεροστεγής σύνδεση. Ακολουθεί κορεσμός του δοκιμίου από κάτω προς τα πάνω και με την ολοκλήρωση του κορεσμού κλείνεται η κατώτερη βαλβίδα προσαγωγής νερού 8. Ανοίγεται η βαλβίδα προσαγωγής νερού από τη δεξαμενή σταθερού ύψους. Αφού σταθεροποιηθεί το ύψος του νερού μέσα στους μανομετρικούς σωλήνες, λαμβάνονται μετρήσεις του χρόνου t του μανομετρικού ύψους h (διαφορά στάθμης στους μανομετρικούς σωλήνες), της ποσότητας ροής Q και τη θερμοκρασίας του νερού Τ

23 ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΑΘΕΡΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Υπολογισμοί G 1. Δείκτης κενών δοκιμίου e όπου: e: δείκτης κενών s G s : ειδική πυκνότητα στερεών κόκκων ( ) γ w : ειδικό βάρος νερού (9.81 kn/m 3 ) γ d : ξηρό ειδικό βάρος εδαφικού υλικού (γ d =W d /V, kn/m 3 ) V = όγκος δοκιμίου (m 3 ) 2. Συντελεστής Διαπερατότητας k d T w 1 Q L h A t όπου: Q = όγκος νερού που συλλέχτηκε (cm 3 ) t = χρόνος συλλογής νερού (sec) h = υδραυλικό φορτίο (cm) L = μήκος ροής εντός του εδαφικού υλικού (cm) A = διατομή εγκάρσια στην ροή (cm 2 ) (διατομή εδαφικού δοκιμίου)

24 ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΑΘΕΡΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Υπολογισμοί 3. Διόρθωση συντελεστή διαπερατότητας σε σχέση με την θερμοκρασία του νερού k 20 n T kt n 20 όπου: k 20 : συντελεστής διαπερατότητας σε θερμοκρασία νερού 20 ο C k T : συντελεστής διαπερατότητας από το βήμα 2 (θερμοκρασία νερού Τ ο C) n T : ιξώδες νερού σε θερμοκρασία Τ ο C n 20 : ιξώδες νερού σε θερμοκρασία 20 ο C ο λόγος n T /n 20 λαμβάνεται από πίνακες ανάλογα την θερμοκρασία του νερού την στιγμή της δοκιμής

25 ΔΟΚΙΜΗ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Η δοκιμή αυτή δεν έχει προτυποποιηθεί από την ASTM. Ακολουθείται η διαδικασία που περιγράφεται στις Ελληνικές Προδιαγραφές Εργαστηριακών Δοκιμών Εδαφομηχανικής (Ε ) σελ Η δοκιμή είναι κατάλληλη για τον προσδιορισμό του συντελεστή διαπερατότητας λεπτόκκοκκων υλικών. Η δοκιμή εκτελείται με παρόμοιο τρόπο όπως η δοκιμή διαπερατότητας σταθερού φορτίου με τη διαφορά ότι η ροή του νερού μέσω του εδαφικού δείγματος γίνεται υπό φορτίο που μειώνεται με το χρόνο.

26 ΔΟΚΙΜΗ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Απαραίτnτες Συσκευές και Υλικά Κυψέλη διαπερατομέτρου Σύστημα δοκιμής διαπερατομέτρου Ζυγαριά Φούρνος Μεγάλα δοχεία ξήρανσης Μέτρο Μηκυνσιόμετρο Θερμόμετρο Χρονόμετρο

27 ΔΟΚΙΜΗ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ πιεζομετρικός σωλήνας διατομής α Στάθμη νερού στην αρχή της δοκιμής Πορόλιθος Στάθμη νερού στο τέλος της δοκιμής h 1 Εδαφικό δείγμα διατομής Α L h 2 Πορόλιθος

28 ΔΟΚΙΜΗ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ

29 Διαδικασία Εκτέλεσης ΔΟΚΙΜΗ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ 1. Τοποθέτηση εδαφικού δοκιμίου σε κύλινδρο με τους δίσκους πορόλιθων ή σχαρών στην άνω και κάτω επιφάνειά του και τοποθέτηση κυλίνδρου μέσα στο θάλαμο όπου γίνεται η συναρμολόγηση. 2. Ο θάλαμος τοποθετείται μέσα σε δοχείο το οποίο γεμίζεται αργά με νερό και γίνεται κορεσμός του δοκιμίου. 3. Το κορεσμένο δοκίμιο συνδέεται μέσω πλαστικού σωλήνα γεμάτου με νερό με έναν από τους μανομετρικούς σωλήνες (διατομής α) που είναι επίσης γεμάτος με νερό μέχρι την ανώτερη βαθμονόμησή του. 4. Με τη ροή του νερού από το μανομετρικό σωλήνα προς το δοκίμιο, η στάθμη του νερού πέφτει. 5. Ο μανομετρικός σωλήνας ξαναγεμίζεται ως την αρχική στάθμη και η δοκιμή επαναλαμβάνεται για ακόμα 2 ή 3 φορές. 6. Σε κάθε δοκιμή μετράται ο χρόνος που απαιτείται για την πτώση της στάθμης του νερού από το ένα ύψος (h 1 ) στο άλλο (h 2 ).

30 Διαδικασία Εκτέλεσης ΔΟΚΙΜΗ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ 5. Τοποθετείται ο ανώτερος πορόλιθος πάνω στο δοκίμιο, συμπιέζεται και περιστρέφεται ελαφρά έτσι ώστε να εξασφαλιστεί πλήρης επαφή του με το εδαφικό δείγμα. 6. Μετράται το τελικό ύψος του δοκιμίου h s και υπολογίζεται η πυκνότητα και ο λόγος κενών του εδαφικού δοκιμίου. 7. Συναρμολόγηση κυλίνδρου έτσι ώστε να εξασφαλίζεται αεροστεγής σύνδεση. Ακολουθεί κορεσμός του δοκιμίου από κάτω προς τα πάνω και με την ολοκλήρωση του κορεσμού κλείνεται η κατώτερη βαλβίδα προσαγωγής νερού 8. Ανοίγεται η βαλβίδα προσαγωγής νερού από τη δεξαμενή σταθερού ύψους. Αφού σταθεροποιηθεί το ύψος του νερού μέσα στους μανομετρικούς σωλήνες, λαμβάνονται μετρήσεις του χρόνου t του μανομετρικού ύψους h (διαφορά στάθμης στους μανομετρικούς σωλήνες), της ποσότητας ροής Q και τη θερμοκρασίας του νερού Τ

31 ΔΟΚΙΜΗ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Υπολογισμοί 1. Δείκτης κενών δοκιμίου ομοίως όπως στην δοκιμή σταθερού φορτίου 2. Συντελεστής Διαπερατότητας k T L h ln 1 A t h2 όπου: α = επιφάνεια διατομής μανομετρικού σωλήνα (cm 2 ) t = χρόνος (sec) L = μήκος ροής εντός του εδαφικού υλικού (cm) (ταυτίζεται εδώ με το ύψος του δοκιμίου) A = διατομή εγκάρσια στην ροή (cm 2 ) (διατομή εδαφικού δοκιμίου) h 1 = υδραυλικό φορτίο στην αρχή της δοκιμής (cm) h 2 = υδραυλικό φορτίο στο τέλος της δοκιμής (cm)

32 ΔΟΚΙΜΗ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Υπολογισμοί 3. Διόρθωση συντελεστή διαπερατότητας σε σχέση με την θερμοκρασία του νερού k 20 n T kt n 20 όπου: k 20 : συντελεστής διαπερατότητας σε θερμοκρασία νερού 20 ο C k T : συντελεστής διαπερατότητας από το βήμα 2 (θερμοκρασία νερού Τ ο C) n T : ιξώδες νερού σε θερμοκρασία Τ ο C n 20 : ιξώδες νερού σε θερμοκρασία 20 ο C ο λόγος n T /n 20 λαμβάνεται από πίνακες ανάλογα την θερμοκρασία του νερού την στιγμή της δοκιμής

33 ΔΟΚΙΜΕΣ ΠΕΔΙΟΥ

34 ΕΜΠΕΙΡΙΚΕΣ ΣΧΕΣΕΙΣ Τύπος του HAZEN : k = 100 D 2 10 (cm/sec) Όπου D 10 = ενεργή διάμετρος σε cm Ισχύει για καθαρές και ομοιόμορφες άμμους και χαλίκια με 0.1 < D 10 < 3.0 (mm)

35 ΣΤΡΩΣΙΓΕΝΗ ΕΔΑΦΗ Ροή παράλληλα στις στρώσεις Ροή κάθετα στις στρώσεις