PRZYRZĄD I METODA KACZYŃSKIEGO

Przyrząd Kaczyńskiego, którego schemat przedstawiono na rys. 4.2, został zaprojektowany przez Ryszarda Kaczyńskiego (Kaczyński 1969). Stosowany był do badania współczynnika filtracji gruntów słaboprzepuszczalnych (Kaczyński 1969; Kozerski 1977).

Urządzenie składa się z poziomej rury o długości 40 cm i średnicy około 5 cm oraz zbiornika doprowadzającego wodę, w którym stałe ciśnienie utrzymywane jest za pomocą przelewu.

Przed przystąpieniem do pomiaru próbkę gruntu należy wysuszyć w temperaturze 105^oC, następnie rozetrzeć, aby zachować naturalne uziarnienie. Próbkę gruntu po wysuszeniu umieszczamy w rurze zagęszczając ją do stanu naturalnego. Kolejną czynnością jest określenie ciężaru właściwego i objętościowego ośrodka w celu obliczenia jego porowatości.

Po połączeniu rury ze zbiornikiem rozpoczyna się proces zwilżania próbki w wyniku działania sił kapilarnych. Zawilgocenie postępuje od punktu A, gdzie próbka kontaktuje się z wolną wodą doprowadzoną ze zbiornika, gdzie ciśnienie wynosi h0. Po pewnym czasie t zawilgocenie osiąga punkt B w odległości x, w którym ciśnienie wynosi hc i nie jest znane. Zakładając, że występuje pełne nasycenie próbki wodą określamy z prawa Darcy’ego następujące równanie (Kaczyński 1969; Kozerski 1977):

(4.7) gdzie: k – współczynnik filtracji,

i – spadek hydrauliczny, n – porowatość,

vr – średnia rzeczywista prędkość przepływu wody w porach, lub w innej postaci:

Rysunek 4.2. Przyrząd Kaczyńskiego do oznaczania współczynnika filtracji gruntów (Kaczyński 1969)

Po uporządkowaniu i scałkowaniu równania w granicach x2 – x1, t2 – t1 otrzymujemy:

) (4.9) Zależność między długością odcinka nasyconego x, a czasem t jest funkcją paraboliczną. Pomiary prowadzimy tak, aby uzyskać wartość x i t przy różnym położeniu zbiornika h02 > h₀₁. Położenie zbiornika zmieniamy po nasyceniu próbki do połowy jej długości. Do końcowego obliczenia współczynnika filtracji wykorzystujemy następujący układ równań:

(4.10) stąd: (4.11) W równaniu tym h₀₂ i h₀₁ są to ciśnienia przy dwóch różnych położeniach zbiornika, a wartości m1 i m2 oznaczają nachylenia prostych określonych przez iloraz (x²2 – x²1)/(t2 – t1), oddzielnie dla każdego położenia zbiornika. Sposób postępowania przedstawiono na rys. 4.3. W pracach laboratoryjnych wygodnie jest wykonać pomiary ciśnienia h i odległości x w cm, natomiast czasu t w minutach. Obliczenie k w cm/s wymaga zastosowania wzoru w postaci:

Rysunek. 4.3. Przykładowy sposób wyznaczania współczynnika filtracji (Kaczyński 1969)

Stanowisko badawcze zostało wykonane wg projektu R. Kaczyńskiego, budowę przyrządu do pomiaru współczynnika filtracji zaczęto od poszukiwania odpowiednich materiałów. Związane to było z potrzebą zastosowania rury o dużej przezroczystości, tak aby można było dokładnie obserwować front przemieszczającej się strefy nasycenia wodą. Dodatkowo materiał powinien charakteryzować się odpowiednią wytrzymałością mechaniczną, aby można było wykonać dużą liczbę badań dla różnych gruntów (proces zagęszczania gruntu oraz duża ilość samych pomiarów). Po weryfikacji różnych materiałów dostępnych na rynku zdecydowano się wykorzystać materiały oferowane przez firmę Masters z Gdyni, która jest przedstawicielem firmy GEORG FISCHER zajmującej się produkcją armatury z tworzyw sztucznych oraz aparaturą kontrolno-pomiarową (Drożdżak 2007), wykonany na nowo przyrząd pokazuje rys. 4.4 -4.5.

Metodyka przygotowania próbek laboratoryjnych dla badań współczynnika filtracji metodą Kaczyńskiego

Badanie właściwości filtracyjnych gruntów w szczególności spoistych, stwarza poważne trudności metodyczne. Grunty, jako układy trójfazowe, przy możliwej zmienności faz ciekłej i gazowej, wykazują bardzo dużą zmienność fazy stałej (szkieletu mineralnego). Dotyczy to w szczególności składu mineralnego, co wiąże się z różną genezą gruntów oraz procesami postsedymentacyjnymi, jakim one ulegały. Przejawia się to ogromnym zróżnicowaniem właściwości fizykochemicznych oraz mechanicznych gruntów, zwłaszcza spoistych. Ich badanie i rozpoznanie, w szczególności ilościowe, wymaga stosowania niejednokrotnie nienormowej, czasem bardzo skomplikowanej metodyki badawczej (Grabowska-Olszewska i in. 1998).

Dodatkowym czynnikiem decydującym o porównywalności uzyskiwanych wyników badań laboratoryjnych dotyczących różnych próbek gruntu jest ich stan fizyczny (Grabowska-Olszewska i in. 1980; Myślińska 1998, 2001). Pobrana do badań próbka może być: sucha, powietrzno-sucha bądź nasycona wodą (w granicznym wypadku – w pełni nasycona). Stąd wyniki prowadzonych badań będą się różnić i muszą być odnoszone do określonego jednoznacznie stanu fizycznego próbki.

Rysunek 4.4. Widok przyrządu Kaczyńskiego na stanowisku badawczym od strony frontowej rury poziomej

Rysunek 4.5. Widok przyrządu Kaczyńskiego na stanowisku badawczym; zbliżenie przesuwającej się „linii” zawilgocenia wraz z naniesiona skalą pomiarową

W celu spełnienia zasad metrologii oraz założeń metodycznych opracowano metodykę przeprowadzenia pomiaru oraz preparowania próbek gruntowych do badań. W odniesieniu do badanego gruntu i symulowanych warunków pomiaru, możemy uznać, że badany grunt, który jest w stanie powietrzno-suchym odpowiada warunkom fizycznym strefy aeracji w stanie naturalnym. Takie warunki pomiaru charakteryzują badaną cechę jako przewodność hydrauliczną, gdyż odnosi się do gruntów spoistych nienasyconych (Grabowska-Olszewska i in. 1998).

Próbkę gruntu umieszczamy w rurze, zagęszczając ją do stanu naturalnego. Odpowiednie, powtarzalne zagęszczanie kolejnych próbek jest niezwykle istotne dla zapewnienia powtarzalności pomiaru. Stopień zagęszczania związany jest ściśle z parametrem porowatości, a także stanem naprężeń i odkształceń jakie występują

w gruncie. Widzimy więc, że odpowiednie i powtarzalne zagęszczanie gruntu ma istotny wpływ na wynik pomiaru (Bartoszewicz i in. 1998; Myślińska 2001; Wiłun 2000). Kolejną czynnością jest określenie ciężaru właściwego i objętościowego skały, co umożliwi obliczenie porowatości (Myślińska 2001).

Aby określić parametry odpowiedniego zagęszczenia próbki, przeanalizowano kilka metod zagęszczania gruntu. Do najbardziej znanych należą cztery metody laboratoryjnego zagęszczania gruntów przez ubijanie w cylindrze (Wiłun 2000):

 metoda normalna (Proctora),  metoda zmodyfikowana,  metoda tłoczkowa,  metoda radziecka.

Po wstępnej analizie metod zagęszczania jako najbardziej adekwatną wybraną metodę Proctora, poniżej zaprezentowano krótki jej opis (Wiłun 2000). Metoda normalna, została wprowadzona przez Proctora, jest to metoda obowiązująca wg PN-59/B-04491 z niewielkimi modyfikacjami – cylinder ma objętość 1000 cm³, gdzie dla metody Proctora objętość cylindra wynosi 944 cm3. Do badania przygotowuje się 5 ÷ 6 próbek o wadze 2,5 kg, wcześniej rozdrobnionego i przesianego przez sito o otworach 6,35 mm gruntu. Każdą próbkę wcześniej podsusza się lub zawilgaca do wymaganej wilgotności, średnio różnice powinny wynosić 1,5 ÷ 2% (w naszym przypadku próbkę przygotowujemy do stanu powietrzno-suchego), po czym ubija się w specjalnym cylindrze trzema równymi (ciężarowo) warstwami. Każdą warstwę ubija się 25 uderzeniami ubijaka o ciężarze 2,5 kg spadającego z wysokości 32,0 cm przesuwając go o około 1/5 obwodu cylindra przy każdym uderzeniu. Trzecia warstwa po ubiciu powinna być wyższa od krawędzi cylindra o 5 ÷ 10 mm, po ubiciu gruntu należy nadmiar gruntu usunąć i zważyć cylinder z gruntem, następnie oznaczyć wilgotność i ciężar objętościowy gruntu oraz obliczyć ciężar właściwy ϱ_d.

Wybór metody wynika z największego podobieństwa geometrycznego aparatu Proctora oraz rury badawczej Kaczyńskiego. Aparat Proctora posiada cylinder o objętości 1000 cm³, rura badawcza Kaczyńskiego 877 cm³, podobne są także średnice cylindrów, co więcej rura badawcza posiada odpowiednią wytrzymałość mechaniczną, która pozwoli przenieść obciążenia mechaniczne uderzającego ubijaka. Ciężar ubijaka zmniejszono, aby dostosować proces zagęszczania do odpowiedniego stopnia, odnoszącego się do gęstości objętościowej próbki w stanie powietrzno suchym. W podobny sposób regulowano wysokość opadania ubijaka oraz ilość uderzeń, dostosowując ją eksperymentalnie do właściwości badanego gruntu.

Badania współczynnika filtracji przyrządem Kaczyńskiego prowadzono przy różnicy ciśnień 60 cm i 210 cm słupa wody, ciśnienia eksperymentalnie dobrano w taki sposób, aby przy wyższym ciśnieniu przed zakończeniem pomiaru doprowadzić do stanu ustalonego (Kaczyński 1969). Badania wykonywane były w temperaturze pokojowej. Zgodnie z zaleceniami normy i założeniami metodologicznymi, aby uzyskać pełniejszą porównywalność wyników, uzyskane wartości k przeliczano dla temperatury odniesienia 10°C (Kozerski 1977; PKN-CEN ISO/TS 17892-11:2009).