GEOTECHNIKA I. LGB-SE005-0 VÍZMOZGÁSOK A TALAJBAN Wolf Ákos
Vízmozgások okai és következményei Vízmozgások okai Vízmozgások következményei Gravitáció Kapillaritás Termoozmózis Elektroozmózis Szemcsék szívóatása (suction) Terelés okozta vízmozgások víztartalom növekedés szilárdságcsökkenés, duzzadás, roskadás víztartalom csökkenés zsugorodás vízmozgás szemcsemozgás, kimosódás föld alatti (munka)térbe áramló víz asználatvesztés vízszintemelkedés víznyomás növekedése a szerkezeteken vízkémiai változások korrózió, talajjellemzők romlása
3 Hidraulikai alapok
Hidraulikai alapok 4 Hidrosztatika Newton a viszkozitásról ( dv / dl ) Euler a víznyomásról p = p o + v g Arcimédesz a felajtóerőről F f = V v g Pascal a víznyomás terjedéséről p = p k + v g Hidrodinamika Bernoulli törvénye Reynolds eredményei Permanencia egy szelvényben Q = const.; A = const.; v k = Q / A = const. Kontinuitás egy áramlási szakaszon Q = A v k = A v = A v = const. Lamináris-turbulens áramlás - Reynolds Folyadékok kinematikája Áramvonal Áramlási típusok egydimenziós, síkbeli, tengelyszimmetrikus
Vízmozgás típusok 5 Egydimenziós Síkbeli Tengelyszimmetrikus
Hidrodinamika - Bernoulli törvény 6 Egy m.g súlyú vízrészecske energiája Helyzeti energia v g energiavonal v g v v E m g z nyomás v. piezometrikus vonal p g v E p Nyomási energia p V p Mozgási energia E m m v m ρ H E p v g z áramvonal L idraulikus gradiens I v L viszonyítósík z H E Egységnyi súlyú vízrészecske összes energiája E mg H E z p ρ g v v g
Hidrodinamika Reynolds kísérleti eredményei 7 középsebesség v k [m/s] v k turbulens C I lamináris v k C 0,5 I átmeneti Reynolds szám R e v k idraulikai sugár R R A K kinematikai viszkozitás talaj idraulikus gradiens I Kritikus Reynolds szám: R ekr = 580
8 Talajbeli vízmozgások
Szivárgás Darcy törvény 9 v talaj Q Szivárgási gradiens: I s v L A Szivárgási sebesség: v s Q L v s L turbulens talajok idraulikai paramétereinek jellemző értékei talajfajta áteresztő képesség k [m/s] küszöb gradiens I 0 atár gradiens I v skr lamináris v s k I s I 0 kavics 0-3 0-4 0 iszap 0-5 0-6 0, 0 I 0 mikroszivárgás I I I s agyag 0-8 0-9 0,8 00
Áteresztőképesség megatározása 0 Laboratóriumban állandó víznyomásos vizsgálat változó víznyomásos vizsgálat konszolidációs vizsgálat (lásd később) Terepen próbaszivattyúzással (lásd később) fúrólyukban pressziopermeaméterrel nyeletéssel aknában, árokban Közelítő eljárásokkal azonosító jellemzőkből képletekkel, diagramokkal, szerkesztéssel
Áramlási erő Nagysága Á = V I s v g Iránya az áramvonal érintője = a sebességvektor Eredete víznyomások eredője - a felajtóerő Hatásai szuffózió, kolmatáció (finom szemcsék mozgása) erózió (szemcseváz megbomlása) felszakadás, idraulikus talajtörés
Szuffózió, kolmatáció Szuffózió Kolmatáció talajon belül atárfelületen finom szemcsék mozgása a stabil vázt alkotó szemcsék közt finomabb szemcséjű talaj bemosódása a durvább szemcséjűbe talajtípus talajtípus durva szemcséjű, koézió nélküli talaj nagy C u -val D 5 (durva) > 4 d 85 (finom) esetén terjedelmes szemcseiány S40 % alatti esetén D50 és d50 alapján C u (U) figyelembe vételével pontosabb értékelés a kolmatáció-kritérium alapján kettébontással Áteresztőképesség változása
Belső erózió idraulikus talajtörés 3
Szivárgási feladatok megoldása 4 megatározandó adatok, követelmények: vízszintek és víznyomások vízozamok áramlási erő atásai alkalmazató modellek egydimenziós áramlás síkbeli áramlás tengelyszimmetrikus áramlás térbeli általános modellek megoldási módszerek áramkép szerkesztés agyományos közelítő számítások számítógépes modellezés
Egydimenziós áramlás rétegzett talajban 5 Rétegződéssel páruzamos áramlás v s = k i. H vi / L i = const. vi = v a Közelítés k i = k min k min akkor vi = v Q=A.k i. v /L i
Egydimenziós áramlás rétegzett talajban 6 Rétegződéssel páruzamos áramlás I s = v / L = const. V i = k i. H v / L közelítés a k i = k max >> k max akkor Q = Q i = s i. k i. H v / L
Síkbeli vízmozgás áramképe 7 z z
Síkbeli vízmozgás áramképe - vízozam 8 csatornának a vízozama: egy álószemre jutó potenciálesés: q v A vi i k n v p l vi i A i egy álószem keresztmetszete: Teljes vízozam: A i s i v q k si s n i p Q q n cs k v n n cs p
Síkbeli vízmozgás áramképe - víznyomás 9 Víznyomások számításának módszere: bármely két potenciál vonal között v /n p a potenciálesés v z. zn Hidraulikus talajtörés számítása: N MN MO n p kritikus gradiens: I krit kilépési gradiens: I biztonság: s t v v l n I s v krit I
Síkbeli áramlás számítása Dupuit szerint 0 Alkalmazási feltételek: alsó vízszintes vízzáró réteg x - és x - ismert I s = ( - ) / (x -x ) 0,3 Közelítések: függőleges equipotenciális vonalak I s = d / dl = d / dx Feltételi egyenlet q = A. V s =. k. I =. k. d / dx = q = const. Általános megoldás q. X = k. H / + C Vízozam q k x x Depressziós x x x x görbe x x x x
Tengelyszimmetrikus áramlás Dupuit szerint Vízozam q k lnr lnr Depressziós lnr lnr lnr lnr görbe
Áramlás modellezés
Kapilláris vízmozgás 3 emelkedés z [cm] 00 50 00 50 0 0 3 4 idő t [nap] omok iszap agyag Kapilláris emelkedés jellemző értékei omokos kavics 0, 0, m omok 0,3 0,8 m omokliszt,0,0 m iszap,0 5,0 m agyag 5,0 00 m Kapilláris emelkedés nagysága k 4,5 0 e.d e e 5 k k t
Termoozmózis 4 talajőmérséklet C -0 0 0 0 30 0 mélység m 3 4 nyári délután nyári ajnal téli éjszaka téli meleg nap gyors téli leűlés 5
Talajfagyást befolyásoló tényezők 5 a fagybeatolás mélysége, gyorsasága a fagymennyiséggel nő azánkban kb.,0 m a lassú leűlés veszélyesebb a talajok fagyveszélyessége a jéglencsés fagyás veszélyes, a tömbfagyás nem omoklisztek, iszapok fagyveszélyesek, az agyagok fagyérzékenyek a omokok, kavicsok fagyállók, minősítés a szemeloszlás és a plasztikus index szerint a talajvíz mélysége kapilláris emelkedés a fagyás alatt, m a pályaszint alatti téli vízállás veszélyes
Talajfagyás következményei 6 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 Olvadási kár Az olvadás kezdete után a még fagyott talaj feletti, felpuult, kiengedett, lecsökkent teerbírású zóna a forgalmi terelés alatt erősen deformálódik, ezen a burkolat megreped