Wasserdurchfluss durch den Boden - Durchlässigkeit und die Durchlässigkeit beeinflussende Faktoren
Einführung
Die Durchlässigkeit ist eine der wichtigsten physikalischen Eigenschaften des Bodens, da einige der Hauptprobleme der Bodenmechanik direkt damit zusammenhängen. Die Gestaltung von Autobahnen, Flughäfen, Staudämmen, die Errichtung von Fundamenten unter Wasser, der Brunnenertrag, die Ansiedlung von Fundamenten usw. hängen von der Durchlässigkeit des Bodens ab. Um ein guter Bodentechniker zu werden, ist das Wissen über die Durchlässigkeit sehr wichtig. Ein Material gilt als durchlässig, wenn es durchgehende Hohlräume enthält. Da diese Hohlräume in allen Böden einschließlich des steifsten Tons enthalten sind, sind alle diese durchlässig. Kies ist sehr durchlässig und steifer Ton ist der am wenigsten durchlässige Boden.
Bedeutung der Durchlässigkeit:
Die Kenntnis der Permeabilität ist wichtig für folgende technische Probleme:
(i) Versickern durch Erddämme und Kanäle.
(ii) Druck unter hydraulischer Struktur und Sicherheit gegen Rohrleitungen ausbauen
(iii) Besiedlungsrate einer gesättigten komprimierbaren Bodenschicht.
(iv) Ertrag aus einem Brunnen und Entwässerung landwirtschaftlich genutzter Flächen mit Wasser.
(v) Stabilität der Aufwärts- und Abwärtsneigungen von Dämmen.
Definitionen:
Permeabilität:
Durchlässigkeit ist die Eigenschaft des Bodens, durch die Wasser durch die miteinander verbundenen Hohlräume gelangen kann.
Laminar Flow:
Die Strömung, in der sich alle Wasserteilchen auf parallelen Bahnen bewegen, ohne den Weg anderer Teilchen zu kreuzen.
Turbulente Strömung:
Die Strömung, in der sich alle Wasserteilchen im Zick-Zack-Pfad bewegen.
Hydraulische Steigung:
Die Menge des hydraulischen Kopfes pro Strömungswegeinheit wird als hydraulischer Gradient bezeichnet. Betrachten Sie eine gesättigte Strömung durch eine gleichförmige poröse Bodenmasse der Länge 'L' und lassen Sie h P1 und h P2 den piezometrischen Kopf oder Druckkopf an der Eintritts- bzw. Austrittsfläche darstellen. Sei + Z 1 und - Z 2 der Elevationskopf an der Eintritts- und Austrittsfläche, wobei der stromabwärtige Wasserstand als Bezugslinie angenommen wird. Der Geschwindigkeitskopf für den Bodenfluss ist vernachlässigbar.
Bestimmung des hydraulischen Gradienten:
Der Gesamtkopf = Druckkopf + Elevationskopf
Der Gesamtkopf an der Eintrittsfläche,
H 1 = hp 1 + Z 1
Der Gesamtkopf an den Ausgängen
H 2 = hp 2 - Z 2 = 0
Der Gesamtkopfunterschied
H = h 1 - h 2 = h P 1 + z 1 - 0 = h P 1 + z 1
[••• hp 2 = Z 2 ]
Diese Gesamtkopfdifferenz wird als hydraulischer Kopf oder "Kopfverlust" oder "Kopfabfall" bezeichnet. Als Bezugspunkt für Höhenköpfe kann eine beliebige Höhe für das Datum ausgewählt werden. Die Wahl des nachgelagerten Wasserstandes als Datum hat den Vorteil, dass die Gesamthöhe an den Ausgängen Null wird und die Wasserhöhe in einem Piezometer an jedem Punkt im Boden, gemessen über der Bezugslinie, direkt die hydraulische Höhe angibt
h = hp ± z
wobei hp = Piezometrischer Kopf ist
z = Elevationskopf
Der Druckverlust pro Fließeinheit (oder entlang der Fließlänge) wird als hydraulischer Gradient bezeichnet. Es wird mit "Ich" bezeichnet
I = h / L
Woher
h = Kopfverlust
L = Länge entlang des Strömungspfads, über die der Kopfverlust h ist.
Darcys Gesetz:
In der Mitte des 18. Jahrhunderts untersuchte H. Darcy, der in Paris arbeitete, experimentell den Fluss von Wasser durch den Boden. Für eine laminare Strömung durch gesättigten Boden stellte Darcy experimentell fest, dass die Strömungsgeschwindigkeit 'q' über eine Querschnittsfläche 'A' des Bodens proportional zum hydraulischen Gradienten ist. "
q = KiA
Oder q / A = ki
oder V = Ki
wobei V = Strömungsgeschwindigkeit
K = Permeabilitätskoeffizient
i = hydraulischer Gradient
Das Gesetz von Darcy ist gültig, solange der Fluss laminar ist. Es wird auf die Bodenfraktion aufgetragen, die feiner ist als der feine Kies.
Strömungsgeschwindigkeit (oder Entladungsgeschwindigkeit):
Es ist eine scheinbare Geschwindigkeit, die der durchschnittlichen Flussrate über eine Bruttoeinheitseinheit im Boden entspricht.
Durchflussrate ist das Volumen des pro Zeiteinheit fließenden Wassers.
Versickungsgeschwindigkeit:
Die Sickergeschwindigkeit ist die tatsächliche oder wahre Geschwindigkeit, mit der Wasser durch Bodenhohlräume fließt.
Le A v ist der Bereich der Hohlräume und
A sei die Bruttofläche des Bodens senkrecht zur Fließrichtung. Die Flussrate kann gleichgesetzt werden mit q = VA = A V. V S
oder Vs = V × A / A V
oder V S = V / n
Die Länge des Flusses ist für beide Fälle gleich und n = Volumen der Hohlräume / Gesamtvolumen]
Oder VS = (1 + e / e) V
Wobei V Strömungsgeschwindigkeit
V S = Versickungsgeschwindigkeit
e = Void-Verhältnis
n = Porosität
Da (1 + e / e) immer größer als Eins ist, ist Vg immer größer als V.
Koeffizient der Durchlässigkeit:
Wir wissen q = KIA (Darcys Gesetz)
Wenn wir A = 1 und I = 1 in die Gleichung setzen, erhalten wir
K = q
dh der Permeabilitätskoeffizient, auch als hydraulische Leitfähigkeit bekannt, kann als Strömungsgeschwindigkeit von Wasser unter laminaren Strömungsbedingungen durch eine Querschnittsfläche eines porösen Mediums unter einem hydraulischen Einheitsgradienten und Standardtemperaturbedingungen (üblicherweise 27) definiert werden ° C in Indien). Die Einheit von K ist der der Geschwindigkeit ähnlich, dh entweder m / s oder cm / s usw.
Die empirische Beziehung zwischen K und D10, die von Hazen (1911) für losen, sauberen Sand entwickelt wurde, ist
K = CD 10 2
wobei K = Permeabilitätskoeffizient (cm / s)
C = Hazen-Koeffizient = 0, 8 bis 1, 2 (üblicherweise wird 1, 0 verwendet)
D 10 = effektive Bodengröße
Koeffizient der Perkolation:
Die Sickergeschwindigkeit ist auch proportional zum hydraulischen Gradienten.
Faktoren, die die Durchlässigkeit beeinflussen :
Die Permeabilität kann aus der theoretischen Gleichung von Kozeny-Carman für den Durchfluss durch poröses Medium erhalten werden
K = CD 2 0 (e 3 + 1 + e) γw / n …………… (4.3)
Wobei C = zusammengesetzter Formfaktor
D 0 = repräsentative Teilchengröße
e = Void-Verhältnis
w = Dichte des Wassers,
n = Viskosität von Wasser
Die Faktoren, die die Permeabilität beeinflussen, sind:
(i) Eigenschaften der Porenflüssigkeit
(ii) Größe und Form der Teilchen
(iii) Hohlraumanteil des Bodens
(iv) Strukturelle Anordnung von Bodenteilchen
(v) Sättigungsgrad
(vi) adsorbiertes Wasser
(viii) Schichtung
(i) Eigenschaften der Porenflüssigkeit:
Aus Gleichung 4.3 geht hervor, dass Dichte und Viskosität die beiden physikalischen Eigenschaften von Porenfluid (oder Wasser) sind, die die Permeabilität beeinflussen. Der Permeabilitätskoeffizient ist direkt proportional zur Dichte des Wassers und umgekehrt proportional zu seiner Viskosität. Der Wert der Wasserdichte ändert sich nicht wesentlich mit der Temperaturänderung, aber die Viskosität variiert stark. Die Viskosität nimmt mit zunehmender Temperatur ab und daher steigt die Permeabilität mit zunehmender Temperatur.
(ii) Größe und Form der Partikel:
Die Permeabilität des Bodens ist direkt proportional zum Quadrat der Partikelgröße, wie in Gleichung 4.3 gezeigt. Dies ist der bedeutendste Faktor, der die Durchlässigkeit des Bodens beeinflusst, da er das Hohlraumverhältnis, die Größe und die Form der Poren in der Bodenmasse bestimmt. Ein grober Boden hat größere Porengrößen und hier einen größeren Permeabilitätskoeffizienten als die feinkörnigen Böden.
(iii) Hohlraumanteil des Bodens:
Der in Gleichung 4.3 dargestellte deutliche Einfluss des Hohlraumanteils auf die Durchlässigkeit von Böden wurde experimentell belegt.
K α e 3/1 + e
Aus der obigen Gleichung ist klar, dass K direkt proportional zum Hohlraumverhältnis ist, dh mehr der Hohlraumanteil des Bodens wird die Permeabilität sein. Zwischen K und e besteht auch eine semi-log-Beziehung. Eine Auftragung von log K (log Skala) Vg e (lineare Skala) ist ungefähr eine gerade Linie, sowohl grobkörniger als auch feinkörniger Boden.
(iv) Strukturelle Anordnung von Bodenteilchen:
Die strukturelle Anordnung der Bodenteilchen variiert bei demselben Hohlraumverhältnis in Abhängigkeit von der Verdichtungsmethode der Bodenmasse. Die Permeabilität der gestörten Probe kann sich von der der ungestörten Probe bei demselben Hohlraumverhältnis unterscheiden. Die Wirkung struktureller Störungen auf die Permeabilität ist in feinkörnigen Böden stark ausgeprägt.
(v) Sättigungsgrad:
Es wird beobachtet, dass die Permeabilität des Bodens direkt mit dem Würfel des Sättigungsgrades variiert. Je gesättigter Boden desto mehr Permeabilität. Der Druck der eingeschlossenen Luft in den Bodenporen behindert jedoch den Wasserfluss.
(vi) adsorbiertes Wasser:
Feine Tonpartikel sind von adsorbiertem Wasserfilm umgeben. Adsorptionskräfte und die Entwicklung einer diffusen Ionenschicht um die Tonpartikel erzeugen immobilisierte hydrodynamische Wasserschichten, wodurch der effektive Porenraum reduziert wird, der für das Durchsickern zur Verfügung steht.
(vii) Schichtung:
Schichtboden besitzt unterschiedliche Durchlässigkeitseigenschaften. Die Permeabilität desselben Bodens ist höher, wenn die Strömung parallel zur Schicht verläuft als die Permeabilität, wenn die Strömung senkrecht zur Schicht liegt.
Methode zur Bestimmung des Durchlässigkeitskoeffizienten:
Der Permeabilitätskoeffizient kann nach folgenden Methoden bestimmt werden:
(a) Labormethoden [Direkte Methoden]
(i) Konstanter Permeabilitätstest
(ii) Fallfalltest.
(b) Feldmethoden
(i) Auspumpen von Tests
(ii) Pumpen in Tests
(c) Indirekte Methoden
(i) Berechnung aus Korngröße (K = CD 10 2 )
(ii) Horizontalkapillaritätstest
(iii) konsolidierte Testdaten.
Konstanter Kopfdurchlässigkeitstest:
Die Abbildung 4.3 zeigt eine schematische Darstellung des Tests.
Der Wasserstrom aus dem Überkopfbehälter besteht aus drei Rohren: Einlass, Auslass und Überlaufrohr. Während des Tests bleibt der konstante Kopf "h" erhalten. Da die Länge der Bodenprobe 'L' während des Tests festgelegt ist, bleibt der hydraulische Gradient 'i' während des gesamten Tests konstant
Wir wissen, dass ich = h / L
Dabei ist h = Differenz des Wasserstandes von oben und unten. Wenn Q die Gesamtmenge des Flusses in einem Zeitintervall ist, haben wir das Gesetz von Darcy.
Die Messung von Q erfolgt nach Erreichen des stationären Zustands. Der Test wird zwei- oder dreimal wiederholt, und der Durchschnittswert von Q wird zur Berechnung von K herangezogen. Dieser Test ist für grobkörnige Böden geeignet, bei denen in einer bestimmten Zeit ein angemessener Abfluss gesammelt werden kann.
Falldurchlässigkeitstest:
Der Fallkopftest eignet sich für weniger durchlässige Böden. Ein Standrohr mit bekannter Querschnittsfläche "a" ist mit dem Permeameter ausgestattet, und Wasser kann durch dieses Rohr ablaufen. Der Wasserstand im Standrohr fällt ständig ab, wenn Wasser fließt. Die Beobachtungen werden gestartet, nachdem der stationäre Fluss erreicht wurde. Der Kopf ist zu jeder Zeit gleich der Differenz des Wasserstandes im Standrohr und im Bodentank.
H 1 und h 2 seien Köpfe in Zeitintervallen t 1 bzw. t 2 (t 1 > t 2 ). H sei der Kopf in jedem Zwischenzeitintervall t und -dh sei die Änderung im Kopf in einem kleineren Zeitintervall 'dt' (das Minuszeichen wurde verwendet, da h mit zunehmendem t abnimmt). Nach dem Gesetz von Darcy wird die Flussrate q durch angegeben
Die Laboruntersuchungen bestehen aus der Messung der Köpfe h 1 und hg in zwei gewählten Zeitintervallen t 1 und t 2 . Die Durchschnittswerte der Zeitintervalle werden für Berechnungen verwendet.
Beobachtungsblatt für die Prüfung der Durchlässigkeit des Fallkopfes:
Permeabilität geschichteter Böden:
Wenn ein Bodenprofil aus einer Anzahl von Schichten mit unterschiedlicher Permeabilität besteht, unterscheidet sich die äquivalente oder durchschnittliche Permeabilität des Bodens in Richtung parallel zu und senkrecht zu den Schichten. Bei strömungsparalleler Strömung ist der hydraulische Gradient in jeder Schicht gleich und die Gesamtströmungsrate ist die Summe der Strömungsraten in allen drei Schichten.
Wobei K x = äquivalente oder durchschnittliche Permeabilität in Richtung parallel zu den Schichten. Für Fließnormalen zu den Schichten muss die Fließgeschwindigkeit in allen Schichten für einen gleichmäßigen Fluss gleich sein. Da der Fließbereich 'A' konstant ist, ist auch die Fließgeschwindigkeit über die Schicht hinweg gleich
Dabei ist K z = äquivalente Permeabilität für den Fluss normal zu den Schichten. Die äquivalente Permeabilität für den Fluss parallel zu den Schichten ist also immer größer als diejenige für den Fluss normal zu den Schichten, dh K x ist immer größer als K z .
Gelöstes Beispiel:
Beispiel 4.1:
Bei einem Falldurchlässigkeitstest an einer Probe mit einer Höhe von 6 cm und einer Querschnittsfläche von 50 cm 2 fiel der Wasserstand im Standrohr mit einer Querschnittsfläche von 0, 8 cm 2 in 3 min 20 von einer Höhe von 60 cm auf 20 cm sieht Finde die Durchlässigkeit.
Beispiel 4.2:
Während eines Konstant-Permeameter-Tests mit konstantem Kopf wird ein Fluss Q von 160 cm in 5 Minuten unter einem konstanten Kopf von 15 cm gemessen. Die Probe ist 6 cm lang und hat eine Querschnittsfläche von 50 cm 2. Die Porosität n 1 der Probe beträgt 42%. Bestimmen Sie die Permeabilität, die Strömungsgeschwindigkeit V und die Sickergeschwindigkeit V s . Schätze K 2 für n 2 = 35%.
Lösung: Gegeben Q = 160 cm 3
L = 6 cm
Beispiel 4.3:
Eine Sandablagerung besteht aus drei horizontalen Schichten gleicher Dicke. Die Permeabilität der oberen und unteren Schicht beträgt 2 × 10 –4 cm / s und die der mittleren Schicht beträgt 3, 2 × 10 –2 cm / s. Finden Sie die äquivalente Permeabilität in horizontaler und vertikaler Richtung und deren Verhältnis.
Beispiel 4.4:
Berechnen Sie den Wert des Durchlässigkeitskoeffizienten des Bodens mit einem effektiven Durchmesser von 0, 5 mm. Lösung:
Wir haben Hazens Korrelation K = CD 2 10 cm / s
C = 1, 0
D 10 = 0, 5 mm
K =?
K = 1, 0 x (0, 5) 2 cm / s = 0, 25 cm / s Ans.
Beispiel 4.5:
Eine Bodenprobe wurde in einem Permeameter mit konstantem Kopf getestet. Der Durchmesser und die Länge der Probe betrug 3 cm bzw. 15 cm. Unter einem Kopf von 30 cm wurde gefunden, dass die Entladung in 15 Minuten 80 cm³ betrug.
Berechnung:
(i) Durchlässigkeitskoeffizient
(ii) Art des bei der Prüfung verwendeten Bodens
(ii) Der Wert von K liegt zwischen 10 -1 und 10 -1 . Der Boden besteht aus feinem Kies, mittlerem und feinem Sand.
Beispiel 4.6:
Eine Bodenprobe mit einer Länge von 5 cm und einer Querschnittsfläche von 60 cm, die Wasser innerhalb von 10 Minuten durch die Probe dringt, beträgt 480 ml unter einem konstanten Druck von 40 cm. Das Gewicht der ofengetrockneten Probe beträgt 498 g und das spezifische Gewicht des Bodens = 2, 65.
Berechnung:
(i) Durchlässigkeitskoeffizient
(ii) Versickungsgeschwindigkeit.
BEISPIEL 4.7:
Der Permeabilitätskoeffizient einer Bodenprobe betrug 1 x 10 & supmin; ³ cm / s bei einem Hohlraumverhältnis von 0, 4. Schätze seine Permeabilität bei einem Hohlraumverhältnis von 0, 6. Lösung: Wir wissen das:
K α e 3/1 + e
Beispiel 4.8:
Wenn während eines Permeabilitätstests an einer Bodenprobe mit einem Fallhammer-Permeameter gleiche Zeitintervalle für Kopfabfälle von h 1 und h 2 und wiederum von h 1 bis h 2 festgestellt werden, ermitteln Sie eine Beziehung zwischen h 1, h 2 und h 3 .
Lösung: Für den Fall von h 1 und h 2
