Katedra geotechniky a podzemního stavitelství Geotechnický monitoring učební texty, přednášky Monitoring pórových tlaků doc. RNDr. Eva Hrubešová, Ph.D. Inovace studijního oboru Geotechnika CZ.1.07/2.2.00/28.0009. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.
10. Monitoring pórových tlaků Monitoring pórových tlaků popř. vztlaků se provádí pomocí otevřených piezometrů (kap. 10.1) nebo uzavřených piezometrů (kap. 10.2). Při volbě typu piezometru je třeba předem posoudit velikost očekávaného tlaku a reakční čas piezometru, abychom zvolili správný typ piezometru. Reakční čas je rozhodující především v případě, kdy je očekáváno rychlé kolísání tlaku podzemní vody a kdy je hornina v okolí hrotu piezometru nepropustná. 10.1 Otevřené piezometry Princip otevřených piezometrů je primárně založen na monitoringu výšky hladiny podzemní vody, ze které se při znalosti objemové tíhy vody dopočítá vodní tlak. Používají se především v propustných a středně propustných zeminách. V málo propustných zeminách je reakce na změnu tlaku velmi pomalá. Otevřený piezometr je tvořen stoupací identifikační trubicí umístěnou ve vrtu, která je na svém konci opatřena filtračním hrotem. Délka hrotu se odvíjí od propustnosti zeminy. Čím je zemina méně propustná, tím delší by měla být tato perforovaná koncovka. Tato koncovka je v místě monitorovaného horizontu obsypaná pískem a nad tímto horizontem je bentonitové těsnění, které zamezuje vertikálnímu proudění. Výška hladiny podzemní vody je proměřována sondou se světelnou nebo zvukovou signalizací.
Vrt Větrací kryt Piezometrická výška Hladina vody Bentonitovo cementová výplň (zamezuje vertikálnímu proudění) Stoupací identifikační trubice Bentonitové těsnění (zamezuje vertikálnímu proudění) Písek Filtrační hrot Obr. 10.1 - Schéma otevřeného piezometru (zdroj:www.slopeindicator.com)
10.2 Uzavřené piezometry Hlavní součásti uzavřeného typu piezometru jsou: vlastní tělo měřidla (ocelový válec) porézní prvek (filtr, kterým vstupuje voda dovnitř vlastního těla měřidla) membrána s měřícím čidlem (pneumatické, hydraulické, odporové nebo strunové) kabely popř. hadičky spojující měřidlo s povrchem odečítací aparatura Základní typy uzavřených piezometrů: Pneumatický uzavřený piezometr (kap. 10.2.1) Strunový uzavřený piezometr (kap. 10.2.2) Odporový uzavřený piezometr (kap. 10.2.3) 10.2.1 Pneumatický uzavřený piezometr Pneumatický piezometr je založen na vyhodnocení tlaku vody na membránu čidla, umístěného přímo v tělese piezometru. Tento monitorovaný vnější tlak je vyrovnáván z druhé strany membrány tlakem zajišťujícím původní rovnovážnou polohu membrány. Tento vyrovnávací tlak je pak roven tlaku vodnímu (resp. pórovému). Měřený tlak membrána Obr. 10.2 - Schéma pneumatického piezometru
měřič tlaku neaktivován aktivace-zvyšování tlaku plynu tlak plynu je větší než tlak vody, plyn vychází větrací trubicí větrací trubice membrána filtr Tlak vody Obr. 10.3 - Schéma jednotlivých pracovních fází pneumatického piezometru (zdroj:www.sisgeo.com)
10.2.2 Strunový uzavřený piezometr Stejně jako v případě pneumatického piezometru je uvnitř těla piezometru umístěna membrána, k níž je však v tomto případě přichycena kmitající struna. Změna frekvence struny indikuje průhyb membrány, z něhož je vyhodnocována velikost tlaku na membránu. Výhodou je vysoká přesnost a možnost okamžitého měření (není nutno čekat na ustálení tlaků jako v případě pneumatického piezometru), nevýhodou je vyšší technická náročnost a z toho vyplývající vyšší cena. Obr. 10.4 - Strunový piezometr Geokon pro zatláčení do zeminy (katedrální foto) Obr. 10.5 - Strunový piezometr Geokon pro instalaci do vrtu (katedrální foto)
10.2.3 Odporový uzavřený piezometr Membrána uvnitř těla tohoto piezometru je opatřena odporovými tenzometry, které mění svůj odpor v závislosti na průhybu membrány. Keramická destička detail Keramická membrána Odporový tenzometr Obr. 10.6 - Detail hrotu odporového piezometru (zdroj: www.sisgeo.com)
10.3 Instalace piezometrů Piezometry mohou být buď přímo zatlačovány do zeminy nebo jsou osazovány do vrtu. Pro aplikaci zatláčením jsou zejména v neporušených soudržných zeminách piezometry opatřené hrotem, zatímco piezometry bez hrotu jsou určeny pro aplikaci ve vrtu. Zásady instalace ve vrtu Při instalaci piezometru ve vrtu je nutno v zájmu objektivity měření dodržet určité obecné zásady: 1) realizace filtračního zásypu v okolí piezometrického měřidla 2) spolehlivé utěsnění vrtu nad měřidlem (jíl, bentonit); z důvodu snazšího utěsnění by neměl mít vrt průměr větší než 150 mm, výška těsněného úseku by měla být cca 80 cm Obr. 10.7 - Instalace piezometru do vrtu, utěsnění bentonitovou zálivkou (foto: Inset)
Měřící box Ochranný kryt Bentonitová zátka Piezometr min. 80 cm min. 100 cm Elektrický kabel Pískový filtr Piezometr Bentonitová zátka Obr. 10.8 - Instalační schéma uzavřených piezometrů (zdroj: www.sisgeo.com) 10.4 Aplikační oblasti kontrola výkopových prací monitoring pórových tlaků ve svazích, násypech, výsypkách a hrázích monitoring pórových tlaků v podzákladí posouzení vhodnosti úpravy horniny (odvodnění, injektáže, zmrazování)
SYPANÉ HRÁZE OPĚRNÉ STĚNY PODLOŽÍ BETONOVÝCH HRÁZÍ ÚČINEK ODVODNĚNÍ Obr. 10.9 - Aplikační oblasti využití piezometrů