GEOTECHNIKA I. LGB-SE VÍZMOZGÁSOK A TALAJBAN

GEOTECHNIKA I. LGB-SE005-01 VÍZMOZGÁSOK A TALAJBAN

Wolf Ákos

Vízmozgások okai és következményei Vízmozgások okai 

Gravitáció



Kapillaritás



Termoozmózis



Elektroozmózis



Szemcsék szívóhatása (suction)



Terhelés okozta vízmozgások

Vízmozgások következményei 











víztartalom növekedés szilárdságcsökkenés, duzzadás, roskadás víztartalom csökkenés zsugorodás vízmozgás szemcsemozgás, kimosódás föld alatti (munka)térbe áramló víz használatvesztés vízszintemelkedés víznyomás növekedése a szerkezeteken vízkémiai változások korrózió, talajjellemzők romlása

2

3

Hidraulikai alapok

Hidraulikai alapok

4

Hidrosztatika 

Newton a viszkozitásról     ( dv / dl )



Euler a víznyomásról

Folyadékok kinematikája 

Q = const.; A = const.; vk = Q / A = const. 

p = po + h ·  v · g 





Pascal a víznyomás terjedéséről p = pk + h ·  v · g

Hidrodinamika 

Bernoulli törvénye



Reynolds eredményei

Kontinuitás egy áramlási szakaszon Q = A · vk = A1· v1 = A2 · v2 = const.

Archimédesz a felhajtóerőről Ff = V · v · g

Permanencia egy szelvényben

Lamináris-turbulens áramlás Reynolds



Áramvonal



Áramlási típusok egydimenziós, síkbeli, tengelyszimmetrikus

Vízmozgás típusok

5

Egydimenziós

Síkbeli

Tengelyszimmetrikus

Hidrodinamika - Bernoulli törvény Egy m.g súlyú vízrészecske energiája 

Nyomási energia

m Ep  p  V  p  ρ 

Mozgási energia 2

v Em  m  2

H E1

p1 v g

hv

v22 2g

nyomás v. pie zometrikus vonal

Eh  m  g  z 

hv

energiavona l

v12 2g

Helyzeti energia

6

p2 v g

l ona v m ára

H E2

L

z2

hidraulikus gradiens z1

I 1

Egységnyi súlyú vízrészecske összes energiája

hv L

viszonyítósík

2

E p v2  HE  z   mg ρv  g 2  g

Hidrodinamika – Reynolds kísérleti eredményei

7

középsebesség vk [m/s]

Reynolds szám turbulens

vk R Re  

vk  C 2  I 0 , 5

hidraulikai sugár átmeneti

lamináris

vk  C1  I

A R K kinematikai viszkozitás

  

hidraulikus gradiens I Kritikus Reynolds talaj

szám: Rekr = 580

8

Talajbeli vízmozgások

Szivárgás – Darcy törvény

9

hv

Szivárgási gradiens: Q

talaj

hv Is  L

Q Szivárgási sebesség: vs  L

A vs

turbulens

L talajok hidraulikai paramétereinek jellemző értékei talajfajta

áteresztő képesség k [m/s]

küszöb gradiens I0

határ gradiens Ih

kavics

10-3 – 10-4

0

1

iszap

10-5 – 10-6

0,2

10

agyag

10-8 – 10-9

0,8

100

vskr lamináris

vs  k  I s  I 0  I0 mikroszivárgás

Ih

Ih

Is

Áteresztőképesség meghatározása 

Laboratóriumban   



Terepen   



állandó víznyomásos vizsgálat változó víznyomásos vizsgálat konszolidációs vizsgálat (lásd később) próbaszivattyúzással (lásd később) fúrólyukban pressziopermeaméterrel nyeletéssel aknában, árokban

Közelítő eljárásokkal  

azonosító jellemzőkből képletekkel, diagramokkal, szerkesztéssel

10

Áramlási erő 







Nagysága Á = V · Is · v · g Iránya az áramvonal érintője = a sebességvektor Eredete víznyomások eredője - a felhajtóerő Hatásai szuffózió, kolmatáció (finom szemcsék mozgása) erózió (szemcseváz megbomlása) felszakadás, hidraulikus talajtörés

11

Szuffózió, kolmatáció

12

Szuffózió  



talajon belül finom szemcsék mozgása a stabil vázt alkotó szemcsék közt talajtípus

Kolmatáció  



határfelületen finomabb szemcséjű talaj bemosódása a durvább szemcséjűbe talajtípus



durva szemcséjű, kohézió nélküli talaj nagy Cu-val





terjedelmes szemcsehiány S40 % alatti esetén







D15(durva) > 4 · d85 (finom) esetén D50 és d50 alapján Cu (U) figyelembe vételével

pontosabb értékelés a kolmatáció-kritérium alapján „kettébontással”

Áteresztőképesség változása

Belső erózió – hidraulikus talajtörés

13

Szivárgási feladatok megoldása 

meghatározandó adatok, követelmények:   



alkalmazható modellek    



vízszintek és víznyomások vízhozamok áramlási erő hatásai egydimenziós áramlás síkbeli áramlás tengelyszimmetrikus áramlás térbeli általános modellek

megoldási módszerek   

áramkép szerkesztés hagyományos közelítő számítások számítógépes modellezés

14

Egydimenziós áramlás rétegzett talajban Rétegződéssel párhuzamos áramlás vs = ki . Hv i/ Li = const. hvi = hv

Közelítés ha

ki = kmin1 kmin2

akkor hvi=hv Q=A.ki.hv/Li

15

Egydimenziós áramlás rétegzett talajban Rétegződéssel párhuzamos áramlás Is = hv / L = const. Vi = ki . Hv / L közelítés ha ki = kmax1 >> kmax2 akkor Q = Qi = si . ki. Hv / L

16

Síkbeli vízmozgás áramképe

17

h1 h2 z1 z2

Síkbeli vízmozgás áramképe - vízhozam 1 csatornának a vízhozama:

hvi q1  v  Ai  k   Ai li



hv egy hálószemre jutó potenciálesés: hvi  np



egy hálószem keresztmetszete:

Ai  si  1

q1  k 

Teljes vízhozam: Q q1  ncs  k  hv 

ncs np

18

hv  si  1 si  n p

Síkbeli vízmozgás áramképe - víznyomás

19

Víznyomások számításának módszere: bármely két potenciál vonal között hv/np a potenciálesés MN  hv  hN  z1  h1    2   zN . MO  n p 

Hidraulikus talajtörés számítása: kritikus gradiens: I krit 

t  v v

kilépési gradiens: Is 

hv l

biztonság: n

I krit Is

Síkbeli áramlás számítása Dupuit szerint

20

Alkalmazási feltételek: • alsó vízszintes vízzáró réteg • x1 - h1 és x2 - h2 ismert • Is = ( h2 - h1 ) / (x2 - x1 ) 0,3 Közelítések: • függőleges equipotenciális vonalak • Is = dh / dL = dh / dx Feltételi egyenlet q = A . Vs = h . k . I = h . k . dh / dx = q = const. Általános megoldás q . X = k . H2 / 2 + C Vízhozam

1 h22  h12 q  k  2 x 2  x1

Depressziós görbe

h

xh x1h22  h12 2 x  x1  h12 h h  h1 x 2  x1 x 2  x1



2 2

2 1



Tengelyszimmetrikus áramlás Dupuit szerint

Vízhozam

h h q  k   lnr2  ln r1 2 2

2 1

Depressziós görbe h

h

2 2

 h12

21

lnr  lnr  lnr  lnr

1

2

1

 h12

Áramlás modellezés

22

Kapilláris vízmozgás

23

emelkedés z [cm]

200

Kapilláris emelkedés nagysága

150 homok

100

iszap agyag

50

4,5  10 5 hk  e.d h h

2

1e  k  hk  t e

0 0

1

2

    

3 idő t [nap]

4

Kapilláris emelkedés jellemző értékei homokos kavics 0,1…0,2 m homok 0,3…0,8 m homokliszt 1,0…2,0 m iszap 2,0…5,0 m agyag 5,0…100 m

Termoozmózis -10

talajhőmérséklet °C 0 10 20

24

30

0

mélység m

1

2

nyári délután nyári hajnal téli éjszaka

3

4

5

téli meleg nap gyors téli lehűlés

Talajfagyást befolyásoló tényezők 





a fagybehatolás mélysége, gyorsasága  a fagymennyiséggel nő  hazánkban kb. 1,0 m  a lassú lehűlés veszélyesebb a talajok fagyveszélyessége  a jéglencsés fagyás veszélyes, a tömbfagyás nem  homoklisztek, iszapok fagyveszélyesek,  az agyagok fagyérzékenyek  a homokok, kavicsok fagyállók,  minősítés a szemeloszlás és a plasztikus index szerint a talajvíz mélysége  kapilláris emelkedés a fagyás alatt  2,2 m a pályaszint alatti téli vízállás veszélyes

25

Talajfagyás következményei Fagykár A fagyás alatt a felemelkedő vízzel és a víz jéggé válásával megnövekedő víztérfogat szétfeszíti a talajt és ez megemeli, vagy eltöri a talajon levő burkolatot

26

Olvadási kár Az olvadás kezdete után a még fagyott talaj feletti, felpuhult, kiengedett, lecsökkent teherbírású zóna a forgalmi terhelés alatt erősen deformálódik, ezen a burkolat megreped