Analiza modelowych badań kapilarności gruntu

POLITECHNlKA ZIELONOG0RSKA

•

^ZESZYTY NAUKOWE NR 118 Nr 8 _{I NŻYN} l ERIA ŚRODOWISKA

,

ANALIZA MODELOWY

_,

C H BADAN

KAPILARNOS C I GRUNTU

URSZULA KOl ^{,ODZJE.ICZYK, ARTUR} SPÓLNIK *

Stres zcze n i e

W pracy przedstawiono analizę wyników modelowych badań ka-

pi/arno.~·cź gruntu. Badania przeprowadzono na próbkach krnyzy- wa naturalnego ze złoża Cllynów (Zielona Góra). Zbadano ^H·)'.S'O-

kość wzniosu kapilarnego w kruszywie o naturalnym uziarnieniu oraz w poszczególnych frakcjach tegoż kruszywa. Porównano ka-

pilarność kruszywa w stanie luźnym oraz zagęszczonym.

Summar y

W pracy przeds·tawiono analizę wyników modelowych badań ka-

pilarno.~ci gruntu.. Badania przeprowadzono na próbkach kruszy- wa naturalnego ze złoża Chynów (Zielona Góra). Zbadano wyso-

ko.fć wzniosu kapilarnego w kruszywie o naturalnym uziarnieniu oraz w poszczególnych .frak~'jach tegoż kruszywa. Porównano ka-

pilarność kruszywa w stanie luźnym oraz zagęszczonym.

1.

Wstęp

1998

W analizie zjawisk ^{geologiczno-inżynierskich,} np. ^V·l przypadku badania osu- wisk, ^wałów przeciwpowodziowych, zawilgocenia fi.mdruncntów czy budovvy

dróg, duże znaczenie ma znajomość kapilarności gruntów

1.1 L

[2.1,

1.3 J .

Dotychczasowe badania ^{kapilarności} gnmtów (sztucznie ufonnowanych)

opierają się głównie na ·wynikach prac Atterberga l2], które ^{wykazały. że pn~d­}

kość wznoszenia ^się wody kapilan1ej ^zależy od rodzaju gruntu oraz ^średnicy porów i ziaren gnmtu, a ^wysokość wzniosu kapilan1ego wanmkuje uzian1icnie

gruntu .

W

prezentowanej pracy ^zostały przedstawione wyniki badaó ^{kapilarności} ja- kie ^zostały przeprowadzone na naturalnych gruntach o ^różnym uziarnieniu ⁱ za-

gęszczemu. .

V. Kolodziejczyk, !l. Spólnik

2. Charakterystyka materiału badawczego

Badanic kapilarności przeprowadzono na kruszywje naturalnym ^wystypują­

cym ^{w zlożu} Chynów (dzielnica ^ZieJon~j Góry).

Zloże to \vystypujc

w

poludniovvej czyści Pagórków Zielonogórskich, ^w obry- hie terasy kemowej . ^{Serię złożową budują} piaski drobno- i średnioziarniste.

Przeważającą frakcją w złożu są ziarna o wymiarze do 0,63 trun, które sta-

nowią 54%~ zawartość ziaren większych od 2,5 mm vvynosi 3, 9°/o, a wiykszych od 5 mm - 1,9%.

Szczegółowe wyniki badat1 uziarnienia kruszywa podano w tabcli nr ^{l .}

Tabela l. /l naliza sitowa kruszywa naturalnegozezloża Chyn6w

Wymiary oczek sila ^Zawartość procentowa frakcji

[mm] ^{[ % .,}

16 -

8 ^{2, 14}

4 1,09

2 1,30

1 2,84

0,5 14,32

0,25 44,60

0, 125 29,90

0,000 3,81

L:= 100

Srednia ' ^{zawartość pyłów} mineralnych w analizowanym kruszywie wynosi

O,ó%, ziaren ^mniejsł-ych

od

²

nun

(punkt piaskowy) - ^70%, ziaren ^mni~jszych od 5,0 mm - 98,1 °/o. Kruszywo wykazuje brak zanieczyszczeń obcych i orga-

nicznych.

3.

^Opis badań

Próbki do badrui kapilan10ści stat10wiło kru.szywo o naturalnym uziarnieniu oraz poszczególne frakcje tego kruszywa uzyskane podczas analizy ^sitow~j.

Analiza modeimt~ych badań kapilarno.~ci gruntu

69

Były to kol~jno:

• próbka nr l - kruszywo o

^średnicy

ziaren O, 125

^~

d < 0,25

• próbka

^nr

2 - kruszywo o

średnicy

ziaren 0,25

~ d

<

^0,5

• próbka nr 3 - kruszywo o

średnicy

ziaren 0 , 5 < d< L

• próbka nr

4 -

kn1szywo o

^średnicy

ziaren

l ~ d<

2

• próbka nr 5 - kruszyv.;o o

^średnicy

ziaren 2

^~

d < 4

• próbka nr

6-

kruszywo o

^średnicy

ziaren

d > 4

• próbka nr 7 - kruszywo o nat uralnym uziarnieniu.

Badanie przeprowadzono w pionowych mrach szklanych o średnicy 0,09 m

(rys. l). Dolna część rur znajdowała się w kuwetach o \vyprofilowanym dnie, co

umożliwiale swobodny dop1yw wody do gruntu i jego przewodów kapilarnych.

. . . . .. ...

. ^. . . ^. . ^{. .}

·:··~ ::·.. .

Rysunek l. Stanowisko badawcze

. ^. . .

:::. :.

: ;: ^~ : ^.

:::: : .:.

. ^. . . . .

:·:· ;.: :

: . : o • .'

. :. ^{' '}

. .

:·

"

. . . .

.

. . . . ^'

.

W pierwsz~j tllzic badm1 użyto kruszywa w stanic luźnym, co uzyskano vvsy-

pując grunt przez lejek zakot1czony gumowym WC(ŻCm dotykąjącym dna rury.

Zastosowana metoda umożliwib uz~~skanic maksyma ln~j porowatości gruntu . Po

napdnicni u kolcjn\·ch ^{rur kr}uszywem wlano wod9 do kuwet. Podczas cakgo

70

^{U. Kołodziejczyk. A. Spólnik}

doświadczenia utrzymywano stały poziom wody ^w kuwetach. W raz z napdnie- niem kU\·vct \vodą rozpocz~to odczyty wysokości 'vvzniosu kapilarnego w gruncie.

Badanic zak01kzono, gdy zaobserwowano stabilizację wysokości wzniosu.

W drugiej fazie badar1 użyto próbek gruntu tych samych frakcji co w pierw-

sz~j , lecz zagęszczonych. Kruszywo zag~szczano wsypując je do przewodów warstwan1i o miąższości O, l m i ubijając specjalnym drewnianym ubijakiem o masie l kilograma. opuszczając go luźno na sznurku l O razy z \\)'Sokości O 5 m na każdą z warstw. Dalsza część badarl. przebiegała identycznie. jak " przypad- ku próbek z gnmtcm w stanic luźnym.

Wyniki odczytóv,, wzniosu kapilarnego z badarl. gnmtu w stanic luźnym i za-

g~szczonym zestawiono w tabelach 2 i 3.

Tnheln 2. Wvniki odczytów wzniosu kapilarnego dla gruntu w stanie luźnym

Wysokość vvzniosu kapilarnego [ nun

l

Czas Frakcja kruszywa

r

^{mm ]}

Natura.l.

O,

^125śd<0,25

0,25<d <0,5

0,5śd<1 l śd<2 2śd<4 d>4

Y'

o _o o o o

¹

^{0 5}

lO"

o o

^l

^{O 35 20}

^{lO )}

^-

l

5

,.

o ¹⁵ 30 50 35 25 5

30"

o ²⁰

⁴⁵

60

40

25

10

60'. lO 40 65 70

50

40

10

2'

40

60 85 80

55

40

10

3' 55

75 95 80 55 40

15

4' 70 90 110

85 60

4

0

15

-·

)

90

1

05 125 90 60

40 15

1

0'

110 1

85

1

85 90 75

40

20

15' 1

25 235 210 95 75

40

20

30'

155

255 220

1

00 75

40

20

l h

200 28

0

230

1

05

75 45

20

2

h

230 300 245 120 75

45

20

5

h

255 320 265

1

25 75 50 2

5

8

h

265 330 270

1

30 75 50 30

16 h

285 335 270

1

30 75 50 30

2

4 h

285 3

40

270

1

30 75 50 30

48 h

295 340 275

135

75 50 35

Analiza modelm~vch badm? kapilarno.<:ci gruntu 71

Tabela 3. Wyniki odczytów wzniosu kapilarnego dla gruntu w stanie zagęszczonytn

Wysokość wzniosu kapilamego

f

^mm

l

Czas

^Frakcja kruszywa [ mm

l

Nalural. 0. 125::;ck0,25 0,25<d<0,5 0,5::;d<l 1<d<2 2<d<4 d>4

5"

o ^{o o o o}

^{lO )}

^-

1 O"

o o

^{l O 35 20 lO 5}

15"

o

^{15 30 50 35 25 5}

30"

o

^{20 45 60 40 25 lO}

60" 10 40 65 70 50 40 ^lO

2' 40 60 85 80 55 40 lO

3' 55 75 95 80 55 40 L5

4' 70 90 110 85 60 40 L5

s·

_{90 105 125}

₉₀

_{60 40 15}

lO' 110

us s

¹⁸⁵

90

^{75 40 20}

15' 125 235 2 l0 95 75 40 20

30' 155 255 220 ^]()() 75 40 20

l h 200 280 230 105 75 45 20

2h 230 300 245 120 75 45 20

5 h 255 320 265 125 75 50 25

8h 265 330 270 130 75 50 30

16 h 285 335 270 130 75 ⁵⁰ 30

24h 285 340 270 130 75 50 30

48 h 295 340 275 135 75 ⁵⁰ 35

Z przeprowadzonych bada11 wynika ^wyraźny wzrost ^wysokości wzni osu ka- pilarnego w miar<( zmniejszenia uziarnienia gnmtu; zarÓ'v\'no vv gruncie luźnym

jak i zagęszczonym .

W pierwszej godzinic bada!'1 zjawisko podsiąkania kapilarnego przebiega in- tensywnie, a nastQpnic ulega spowolnieniu, aby po 2 - 3 godzinach niemal zupeł­

nie ustabilizować się (rys . 2 i rys. 3).

72 ^U. Kołodziejczyk, A . Spólnik

E ₄₀₀ r -

l

... E

o ³⁵⁰

C) Q)

l

!: 300

....

- ^{- --- - - - -}

^-

^{- - - - - - - - - - - -}

ni ^{c...- - . .. -}

-- ^--

-

^{- --~.-...-·-}

... -- - ^- - - - ^- - - - - -

^l

·c. ⁿⁱ - _{250 ,....} ."".--•

--

• ^•• _..---:--

^-

^{. ..} .. .

-- ---

~ ,

::l 200 1: ^• '

Vl o

c

·-_{c 150}

~ ^{". •}

-

^•

^- - ---

^-

- --

·-

- - - -

^•

- - -

^•

-

^•

^- - --

^•

^{- - -}

^-

^{- - -}

^•

^-

^•

^{- --}

•U 100 l

•Vl _o • 'r -- .... - . - - .. - - . - ^{• •}

--

^•

-

^{• •}

-

^{• •}

-

^{• •}

- -

^{• •}

^-

^{• •}

- ^{. - -}

^{• •}

^-

^{• •}

-

^•

.:.: _o 50 l, ........ • ......... ......... , ......... ^{' .• ' .-' ' •,• .•.•••• 'o.' ' •• •···· .. -.••.. • ' ••• ' .,.,. •,•,• ·.•. •,• .. ' .} •.•.•.•.•,•. ····· . • ·-··· ' '·'•' .•• ' • .. ^{' '-'·' o,-,• •.•' o}

Vl _{,.,. •''.} ^{o o} . ^{o o} . ^{o o} .. _'• ^o .. ^o . . ^o . • ^{o o} . ^o . . .. . . . ^o . . . . . ^{o o} . . .

>- ^{•' o} . ^{.. o o o o}

~ o -^-~ · ^{--~: o o o o o o} _'

o ^{1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19} 20 21 22 23 24

Czas [h]

• • • • • ·grunt n at. o. ^125<d<0,25

- -

^{- 0,25<d<0,5}

- ^- -

^-0,5<d<1

- --

^{- 1<d<2 . ---.. o • o 2<d<4 . . . . d>4mm}

Rysunek. 2. f11.ykres wzniosu kapilarnego w rótnychfrakcjach kruszywa w stanie luźnym

E ₃₅₀ ^{' • ••• o l. ' l • •• • .• •. -·· . ••. • • •• l . • l •• •. • •. •·•·• .•.. ••.• l o •• o. l. o • •• • •••••••••• •• •••• •• • •} ' • • • ····· l •••. ,····· •'•'• . . .. . . ... .. ... ... ..... . . .. .. .. . .. .. ... .. .. .. .. l • • •• • • •• •• •• ••• • •'• •• • ••• •,

E o o ^{o o}

... o

o ₃₀₀ o

~

C)

Ql ⁾

c

- - - ^{- - - - - - - - - - - - -}

^~

.... ₂₅₀

- ^{- -} - - - - - - - ^{- - -}

^{• • • • • • • •}

^-

^{• • • .}

^{-- -- - -}

^{. . .}

^{- -}

^.

^{- -}

^.

^--

^.

"'

- ^- - -

^{• •}

^-

^{• • • • -• • • • • • • .}

^-

^{• • • o •}

- ^,-

^{• •}

·-_{c. • •} ^{• • • • .• o o}

"'

²⁰⁰

r

^{• • o}

.:.: _{ ^•

::l ( ^o _•

Vl '

o _{150 rr} !

·-_{c ~}

~ r ^! _~

100

-

^•

^-

^•

- ·- ^- - ^- - - - ^- -

^•

-

^.

^-

^•

^{-- - - - - -- -- - - - -}

^{• - ·!}

-u ^•

-

•

-

^•

-

^{• •}

-en ^{..:.: Vl o} _o 50 • l ^{• r-}

- _{- -}

^{• .}

^-

^{. .}

- - ^- -

^{• •}

-

_{• •}

-

^{• •}

^-

^-•

^-

^{• •}

^-

^{• •}

- ^-

^-•

^{- -}

^•

^-

^{• .}

^-

^{. .}

^-

^.

^{- -}

^• _i ^{• o • • o •}

~ _.... ^{l •••..• ,.,., .. ... ,. ' . . ' '•'' . ' ' •• ' '. ' ••••.}••• ' . ' ' ' ' . ' ' .• ' •• ' . ' ' . ' '. ' '. ' ' •. ' '. '' . ' '. ' '. ' '. ' ' •• ' ••••• ' •• ' ' .• ' .. ' .• ' •• ' •• ' .•••• ' •.••••••••••••. ' •.. . .. ^'" ...

,•: . . • • ' • • '· • 't •• '• ' ., • ' ' ' • ' ' ' , • •, ' • ' ' •• • t • • ••• ' • • • ' • • ' • • • • l • .. . )

o ^{o o o o} • ^{o o o o o o •}

o ^{1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21} 22 23 24 Czas [h)

- - ^-

^{grunt n at. O, 125<d<0,25 • • • • • ·0,25<d<0,5}

-

^•

-

^{· O o 5<d<1}

-

^{• • - 1<d<2 " " ..... . 2<d<4 . . o o . ·d>4 mm}

Rysunek 3. Wykres wzniosu kapilarnego w rótnych frakcjach kruszywa zagęszczonego

Z poró·wnania vvyników bada11 \\rynika, że kn1szywo w stanie luźnym podcią­

ga wodę na wysokość o około 20 mm większą niż kruszywo zagęszczone (rys. 4 i rys. 5).

Analiza modelowych badalr kapilarno.k i gruntu

400

- 350

f

o 300 g>

E III

· - -

^Q.

III

250 -

.li: 200

::l III

· -

o _{c 150}

~

50

- -Grunt w ^{stanie luźnym}

·!

' _\

' ~

::

••

::

~ ~

·... .. ..... ·Grunt w stanie zagęszczonym ~

.... ^~

~. .. . _... •' ^~

..... <

• ". o

~~ i

'· ··. .. :^{·: ~·} :

···,·.... i

'• _·~ ~ ..

~ ::

',, _. . _•',.... . _:l

.

_:

.. _·. ^{

~ '• .. ~ ~ ^{~ A}

··. ,, ^:: '

'•, . . . _{~ ··.} . ~ ^:: _~

v. _{• • •} • _;o

... ^~

·, <•.,.. ••

·~. .... ^,. _{•. ,....} ~ ^'• _>

....... .. ^,.,, _{..... •.•} ... ^{.).' ,•}

. . ..... ^'•'• .... .

,.,, ······ . . _... ~ ... ^,.,.. .... . . ^{. . ,. ~}

. .. . . . o . .. .... .. . o • ••• ~.· ^{• • • · :}

0+---~---+---~---r---~

0,125<d<0,25 O 25<d<O 5

' ' 0,5<d<1 1 <d<2 2<d<4 d>4

Frakcja [mm)

73

Rysunek 4. Porównanie wysokości wzniosu kapilarnego w kruszywie luźnym i zagęsz­

czonym

....

⁴⁰⁰ l''''''''•"'•WUooUNo'U•'•"•ooWo•o•-.•oW•W•'••'•'•'•'•'••'•Wo'o•'o'oWo⁰oW"W•'•'••••••"•'•'WoW'"W•'U"N"•W•'•'·~::::::::::..::••.:::::""•::'•'•'.:::::.t'·'"'::•'••.:::::"•' ^{.. : :•}•"'ot::.:::o•o•::::··ot .. =N=N•::'•'•'.:::::•I .. o':::"·':::.::'"'::·•-.•:::.::,.,•,::•••-":::.::"•'~::·••••::.:::·····::::•••":::::;•• ^... ,o,,_.,~

~

³⁵⁰ .

....

o g' 300 +-- - - - -·

E III

:: 250

Q.

.li: III

::l 200

III o

· -

_{c 150}

•CJ ~

~ 100

.li:

~ o ⁵⁰

o

tl Frakcje w ^stanie luźnym

III Frakcje w ^stanie zagęszczonym

Frakcja [ mm )

Rysunek 5. Histogram wzniosu kapilarnego ^w kruszywie /uźnyn1 i zagęszczonym

.

. . . •

• .

•

74 ^U. Kołodziejczyk, A. Spd/nik

Maksymalny wznios kapilarny (około 350 mm) vvykazał grunt w stanic luź­

nym o frakcji O, 125 :::; d

<

0,25), a najmn i~jszy - gnmt zagęszczony o średnicy

ziaren d > 4 mm. Grunt naturalny wykazał kapilarność porównywal ną z frakcją

0,25 ::::: d < 0,5, co świadczy o dominacj.i t~j frakcji w kruszywie. Potwierdzają to

wyniki analizy uziarnienia gruntu (ta b. J ).

4. Wnioski

Na podstawie przedstawionych badar1 można stw·icrdzić~ że kapilarność

gruntów ^zaJcży zdecydowanie od ich uziarnienia: grunty drobnoziarniste wyka-

zują większy wznios kapilarny od gmntów gnrboziarnistych.

Stopicó zagęszczenia gruntów wpływa na obn iżenie vvysokości wzniosu ka-

pilarnego.

W celu uniknięcia nickorzystnych zjawisk geologiczno-inżyn ierskich spowo- dowanych kapilarnością gruntów np. osłabienia walów przcciwpowodzimvych lub nasypów, zaw.ilgoccnia fundamentów itp., zaleca się \vykorzystywanic w tych obiektach gnmtów gnrboziarnistych o \Nysokim stopniu zagęszczenia .

Badania kapi larności wymagają kontynuacji zarówno ^\V aspekcie różnorodno­

ści kruszywa. jak i jego zagęszczenia, zasolenia itp.

Literatura

III Malinowski J. 1967: Geologia inżynierska . Wydawnictwa Geologiczne. War-

szawa.

1 2 1

Plochniewski Z. J 986: HydrogeoJogia i geologia inżynierska. Wydavmictwa

Geolog.... iczne. Warszawa .

1 3 1

Wilun Z. 1976:

Zarys

geotechniki. Wydawnichva Komunikacj i i Łączności.

Warszawa.