Mechanika zemin I 3 Voda v zemině

Podobné dokumenty
Mechanika zemin I 3 Voda v zemině

Mechanika zemin I 4 Stlačitelnost

Mechanika zemin II 5 Zemní tlaky, opěrné konstrukce

4+5. Cvičení. Voda v zeminách Napětí v základové půdě

Mechanika zemin I 5 Pevnost

STANOVENÍ PARAMETRŮ PRO NUMERICKÉ MODELY POMOCÍ KONVENČNÍCH LABORATORNÍCH ZKOUŠEK. Vybrané kapitoly z geotechniky (VKG)

Geostatické (původní) napětí - σ or

Mechanika zemin II 3 Metody pro výpočet únosnosti. 1. Plastické teorémy 2. Metody mezní rovnováhy 3. Příklady jednoduchých použití

Popis zeminy. 1. Konzistence (pro soudržné zeminy) měkká, tuhá apod. Ulehlost (pro nesoudržné zeminy)

Proudění podzemní vody

Mechanika zemin II 2 Chování zemin in situ; parametry pro praxi

5. Cvičení. Napětí v základové půdě

Mechanika zemin II 1 Kritické stavy CSSM

Mechanika zemin II 6 Plošné základy

Zakládání staveb 5 cvičení

KONSOLIDACE ZEMIN. Pod pojmem konsolidace se rozumí deformace zeminy v čase pod účinkem vnějšího zatížení.

GEOSTATICKÉ NAPĚTÍ 1. CELKOVÉ NAPĚTÍ (TOTAL STRESS) 1.1 CELKOVÉ NAPĚTÍ V HOMOGENNÍ ZEMINĚ (TOTAL STRESS IN HOMOGENEOUS SOIL)

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Smyková pevnost zemin

Mechanika zemin I 1 Popis a klasifikace zemin. 1. úvod 2. popisné (indexové) vlastnosti 3. stavové vlastnosti 4. zatřídění

Mechanika zemin II 8 Zhutňování. 1. Zlepšování 2. Zhutňování laboratorní křivka: hustota vs vlhkost 3. Kontrola zhutnění

Program cvičení z mechaniky zemin a zakládání staveb

Mechanika zemin II 4 Stabilita svahů

Sypaná hráz výpočet ustáleného proudění

Mechanika zemin II 7 Piloty

Mechanika zemin I 6 Konsolidace

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Výpočet konsolidace pod silničním náspem

Výpočet konsolidace pod silničním náspem

141 HYA (Hydraulika)

Příklady ke cvičení Mechanika zemin a zakládání staveb

MECHANIKA HORNIN A ZEMIN

5 Zásady odvodňování stavebních jam

STABILITA SVAHŮ staveb. inženýr optimální návrh sklonu

6. Mechanika kapalin a plynů

Mechanika tekutin. Tekutiny = plyny a kapaliny

1141 HYA (Hydraulika)

Mechanika zemin a zakládání staveb, 2 ročník bakalářského studia. Zemní tlaky

4 Opěrné zdi. 4.1 Druhy opěrných zdí. 4.2 Navrhování gravitačních opěrných zdí. Opěrné zd i

Výpočtová únosnost U vd. Cvičení 4

Výpočtová únosnost pilot. Cvičení 8

Vybrané kapitoly z geotechniky

Program cvičení z mechaniky zemin a zakládání staveb ČÍSLO STUDENTA/KY. Příklad 1. Příklad 2

MECHANIKA KAPALIN A PLYNŮ. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Mechanika - 1. ročník

ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra Technických zařízení budov. Modelování termohydraulických jevů 3.hodina. Hydraulika. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.

1141 HYA (Hydraulika)

Konsolidace zemin Stlačení vrstev zeminy je způsobené změnou napětí v zemině např. vnesením vnějšího zatížení do zeminy

Sylabus 16. Smyková pevnost zemin

HYDRAULICKÉ PARAMETRY ZVODNĚNÝCH SYSTÉMŮ

Zdroje. Vaníček: Mechanika zemin, ČVUT Verruijt: Soil Mechanics Časopis Geotechnika, Tunel

RÁMCOVÉ OTÁZKY pro pedmt Mechanika zemin pro 2. roník

Splaveniny. = tuhé částice přemísťované vodou anorganický původ organický původ různého tvaru a velikosti

Mechanika zemin I 2 Základy mechaniky

BIOMECHANIKA. Studijní program, obor: Tělesná výchovy a sport Vyučující: PhDr. Martin Škopek, Ph.D.

Násep vývoj sedání v čase (konsolidace) Program: MKP Konsolidace

Smyková pevnost zemin

Úvod. K141 HYAR Úvod 0

MECHANIKA HORNIN A ZEMIN

Rozměr síta , , , , , ,

PODZEMNÍ VODA. J. Pruška MH 9. přednáška 1

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Mechanika hornin a zemin Cvičení. Marek Mohyla LPOC 315 Tel.: 1362 ( ) homel.vsb.cz/~moh050 geotechnici.

4 STANOVENÍ KINEMATICKÉ A DYNAMICKÉ VISKOZITY OVOCNÉHO DŽUSU

ZÁKLADNÍ ZKOUŠKY PRO ZATŘÍDĚNÍ, POJMENOVÁNÍ A POPIS ZEMIN. Stanovení vlhkosti zemin

MECHANIKA HORNIN A ZEMIN

TÉMATICKÉ OKRUHY. ke státním závěrečným zkouškám v navazujícím magisterském studijním programu Krajinné inženýrství studijním oboru

NÁVRH NETRADIČNÍHO POSTUPU ZPEVNĚNÍ NÁSYPOVÉHO TĚLESA ŽELEZNIČNÍ TRATI

S = VODA V ZEMINĚ. w = m. Obsah vody v zemině. Zinženýrského hlediska voda při 105 o C. m w. hmotnost vody m d. hmotnost sušiny. V w.

Tabulka Tepelně-technické vlastností zeminy Objemová tepelná kapacita.c.10-6 J/(m 3.K) Tepelná vodivost

GEOTECHNOLOGIE. resp. Příklady výzkumu mechanického chování zemin na PřF: 1. Výsypky severočeských dolů. 2. Cementační vazby v jílu

CVIČENÍ č. 11 ZTRÁTY PŘI PROUDĚNÍ POTRUBÍM

Zakládání staveb Cvičení. Marek Mohyla LPOC 315 Tel.: 1362 ( ) homel.vsb.cz/~moh050 geotechnici.cz

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Zatížení obezdívek podzemních staveb. Vysoké nadloží * Protodjakonov * Terzaghi * Kommerel Nízké nadloží * Suquet * Bierbaumer

Zdroje. osobní stránky Vaníček: Mechanika zemin, ČVUT Verruijt: Soil Mechanics Časopis Geotechnika, Tunel

4. Kolmou tlakovou sílu působící v kapalině na libovolně orientovanou plochu S vyjádříme jako

Výsledný tvar obecné B rce je ve žlutém rámečku

Podklady WWW. ge_id=302

Pilotové základy úvod

Kopané, hloubené stavby

TENSOR NAPĚTÍ A DEFORMACE. Obrázek 1: Volba souřadnicového systému

PLASTOVÁ AKUMULAČNÍ, SEDIMENTAČNÍ A RETENČNÍ NÁDRŽ HN A VN POSOUZENÍ PLASTOVÉ NÁDRŽE VN-2 STATICKÝ POSUDEK

U218 - Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze. ! t 2 :! Stacionární děj, bez vnitřního zdroje, se zanedbatelnou viskózní disipací

Základy vakuové techniky

Návrh a posouzení plošného základu podle mezního stavu porušení ULS dle ČSN EN

Průtoky. Q t Proteklé množství O (m 3 ) objem vody, který proteče průtočným profilem daným průtokem za delší čas (den, měsíc, rok)

Základy hydrauliky vodních toků

Mechanika tekutin. Hydrostatika Hydrodynamika

Senzory průtoku tekutin

VÝPOČET ZATÍŽENÍ SNĚHEM DLE ČSN EN :2005/Z1:2006

MODELOVÁNÍ MIGRAČNÍCH SCHOPNOSTÍ ŽELEZNÝCH NANOČÁSTIC A OVĚŘENÍ MODELU PŘI PILOTNÍ APLIKACI

VLASTNOSTI KAPALIN. Část 2. Literatura : Otakar Maštovský; HYDROMECHANIKA Jaromír Noskijevič; MECHANIKA TEKUTIN František Šob; HYDROMECHANIKA

Betonové konstrukce (S) Přednáška 3

Výpočet prefabrikované zdi Vstupní data

STRUKTURA A VLASTNOSTI KAPALIN

Dokumentace programu ParamSeeker 1.0

Hydrodynamika. Archimédův zákon Proudění tekutin Obtékání těles

KAPALINY. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Termika - 2. ročník

PŘÍKLADY Z HYDRODYNAMIKY Poznámka: Za gravitační zrychlení je ve všech příkladech dosazována přibližná hodnota 10 m.s -2.

1 Švédská proužková metoda (Pettersonova / Felleniova metoda; 1927)

Transkript:

Mechanika zemin I 3 Voda v zemině 1. Vliv vody na zeminy; kapilarita, bobtnání... 2. Proudění vody 3. Měření hydraulické vodivosti 4. Efektivní napětí 1

Vliv vody na zeminy DRUHY VODY Gravitační kapilární volná Vázaná k minerálním povrchům elektromolekulárními silami adsorbovaná vazba na vnitřní vrstvy difuzního obalu osmotická - slabě vázaná Vodní pára Strukturní voda součást minerálů 2

Vliv vody na zeminy Smršťování w > ws zemina je nasycená, platí princip ef. napětí (u < 0) hc= 50 m u = - 500 kpa σ' = 500 kpa + σ Bobtnání mineralogické nenasycená zemina odlehčení Rozpad zeminy ve vodě eliminace kapilárních sil ± eliminace cementace... Kapilarita 3

Vliv vody na zeminy GT Praxe - podstatné aspekty přítomnosti vody v zemině Hydrostatické napětí základem pro výpočet efektivních napětí, ale aplikovatelné jen při neproudící vodě) Ustálené proudění při proudění se pórový tlak liší od hydrostatického výška vody v piezometru nemusí souhlasit s volnou hladinou vliv na výpočet efektivních napětí Laplaceova rovnice; pro efektivní napětí alespoň proudová síť Konsolidace disipace pórových tlaků vzniklých od neodvodněné změny napětí (od zatížení) teorie konsolidace difůzní proces, parciální dif. r. ('parabolická') 4

Proudění vody zeminou Ustálené proudění H. DARCY (1856) q = Ak i q = průtok (množství za jednotku času) i = hydraulický gradient i = - Δh/Δx v=ki k = hydraulická vodivost (součinitel propustnosti; koeficient filtrace) v = filtrační rychlost skutečná rychlost vsk = q / Ask = q / (n A) = v / n 5

Proudění vody zeminou Propustnost Κ: vlastnost prostředí, nezávislá na tekutině Κ=kμ/γ Κ = propustnost k = hydraulická vodivost, tj. součinitel z Darcyho zákona μ = dynamická viskozita [N s m-2] (μ =kinematická viskozita ρ) γ = objemová tíha protékající tekutiny 6

Proudění vody zeminou Přechod z laminárního do turbulentního proudění při kritické rychlosti vcr = Re cr μ /(ρw def) Počáteční gradient Re = v def ρw / μ v = filtrační rychlost μ = dynamická viskozita [N s m-2] 7

Stanovení k (laboratorní cvičení č. 3) Hydraulická vodivost ( koeficient filtrace součinitel propustnosti) Propustoměr s konstantním gradientem Q = A v t; Q objem vody; v filtrační rychlost; t čas v=ki=kh/l k = Q L / (h A t) Při nízké propustnosti (h.vodivosti: k < 10-6 ms-1), nelze přístroj použít nedostatečné rozlišení /přesnost (výpar...) je třeba uspořádat zk rafinovaněji: uzavřený systém pro proteklou vodu trojosá komora odstranění preferenčního proudění okolo pevné stěny Alternativou je použít přístroj s proměnným gradientem (jeho přesnost ale zpravidla není dostatečná) 8

Stanovení k (laboratorní cvičení č. 3) Hydraulická vodivost ( koeficient filtrace součinitel propustnosti) Propustoměr s proměnným gradientem q dovnitř = - a dh/dt q ven = Ak i q dovnitř = q ven - a dh/dt =Ak h / L - a dh / h = k A / L dt - a (ln h2 - ln h1)= k A (t2-t1) / L a (ln h1 - ln h2) = k A (t2-t1) / L k = a L ln(h1/h2) / (A Δt) 9

Stanovení k (laboratorní cvičení č. 3) 10

Stanovení k Hydraulická vodivost ( koeficient filtrace součinitel propustnosti) Polní měření Např.: [ k = q / (2π D H) ln(r / r) ] Nepřímo empirické vztahy: Pro písek: Hazen k [ms-1] = 0,01D102 [mm] 11

Stanovení k Typické hodnoty hydraulické vodivosti ( koeficientu filtrace součinitele propustnosti) štěrk 10-1 až 10-3 ms-1 písek 10-2 až 10-4 ms-1 jemný písek 10-5 ms-1 silt 10-6 ms-1 písčitá hlína 10-6 až 10-8 ms-1 jíl <10-8 ms-1 12

Proudění vody zeminou Rovnice proudění izotropie: kx=ky=kz Δh = 0 δ2h / δx2 + δ2h / δy2 + δ2h / δz2 = 0 Výška vody v piezometru nemusí souhlasit s volnou hladinou proudění...skutečná výška vody vyplývá z definice ekvipotenciály 13

Proudění vody zeminou Proudová síť 2D 14

Proudění vody zeminou Proudová síť 2D - dlouhý násep (hráz) Výška vody v piezometru nemusí souhlasit s volnou hladinou proudění...ekvipotenciály 15

Proudění vody zeminou Vliv proudící vody na zrna: průsakový/proudový tlak v=ki ztráta tlakové výšky Δh způsobena silovým působením mezi částicemi a vodou Δp = γw Δh Δ S = Δp plocha = γw Δh Δy Δz = = γw Δh Δy Δz Δx/Δx = = γw i (Δx Δy Δz) = = γw i ΔV síla působící na skelet: S = γw i V síla působící na skelet v jednotkovém objemu zeminy = průsakový tlak p = γw i 16

Proudění vody zeminou Vliv proudící vody na zrna: průsakový/proudový tlak Bernoulliho věta: γw (z + u/γw + v2/(2g) + hs) = konst rychlostní výšku lze zanedbat (v je malé) ztráta energie mezi dvěma body o vzdálenosti s: ΔE = γw Δhs = (z2 +u2/γw - (z1 +u1/γw)) ΔE / Δs = γw Δhs / Δs = γw i ztráta energie se realizuje jako objemová tlaková síla na zeminu (pórovité prostředí) průsakový tlak: p = γw i 17

Proudění vody zeminou Proudová síť 2D - dlouhý výkop (rýha) (zdroj: [1]) Okrajové podmínky: povrch hladin (konstantních) = ekvipotenciály (GA; CF) nepropustné hranice = proudnice (AB; BC; DE; dtto osa symetrie EF) Proudění vzhůru proti gravitaci možnost ztekucení dna stavební jámy (kuřavka, boiling sand ; piping (eroze)) beztížný stav 18

Proudění vody zeminou ztekucení dna (laboratorní cvičení č. 3) hcr... kritická výška, tj. výška při ztekucení zanedbání tření na bocích; plocha A vztlak = tlak vody na ploše A směrem vzhůru, tj. u A= hcr γw A rovnováha: vztlak = tíha hcr γw A = A z γsat ( γsat γ) hcr = z γ / γw icr = (hcr z) / z = (z γ / γw z) / z = γ / γw 1 = (γ - γw)/γw icr = (γ γw) / γw (. postup odpovídá podmínce σ' = 0) 19

Proudění vody zeminou ztekucení dna (laboratorní cvičení č. 3) hcr... kritická výška, tj. výška při ztekucení zanedbání tření na bocích řešení při využití průsakového (proudového) tlaku tíha skeletu: Ws = γ V - γw Vw Archimédes: B = γw Vs = γw (V - Vw) kritický proudový tlak Scr = pcr V = γw icr V rovnováha: W = B + S γ V - γw Vw = γw V - γw Vw + γw icr V icr = (γ - γw)/γw 20

Proudění vody zeminou ztekucení dna Zadání: určit potřebnou hloubku zaberanění štětovnice. icr = (γ γw) / γw icr 1 i= (H + h) / (h + t + t) < 1 = icr H < 2t t >½H 21

Kapilární voda 22

Kapilární voda Kapilární elevace hc Síla dolů (tíha): W= ρwg V = ρwg hc π d2 / 4 Síla vzhůru (svislá složka síly kapilárního menisku): π d T cosα kde T je povrchové napětí vody = síla na jednotku délky rozhraní: T=7 10-5kNm-1 Rovnováha: ρw g hc π d2 / 4 = π d T cosα hc = 4 T cosα / (ρw g d) čistá voda vs sklo α = 0 hc = 4 T / (ρw g d) = 4 T / ( γw d) hc 3 10-5 / d např d = 1μm hc = 30m 23

Kapilární voda Kapilární elevace hc závisí na velikosti pórů Teoretické hodnoty pro zeminy (α = 0 a kapilára konstantního průměru d) silt d 1mm hc = 30 mm jemný silt d 1μm hc = 30 m jíl d 10nm hc = 3 km Skutečné typické hodnoty pro zeminy písek hc = 0,03 0,1 m hlinitý písek hc = 0,5 2 m hlína (silt) hc = 2 5 ( 10) m jíl hc = desítky metrů 24

Kapilární voda v kapilární zóně zemina nasycená platí princip ef. napětí, u < 0 hc= 50 m u = - 500 kpa σ' = σ + 500 kpa Nenasycená zóna trojfázová látka - neplatí Terzaghiho princip ef. napětí ua- uw= T (1/rm-1/r) kapilární sání r je poloměr menisku Bishop: u = χ uw+ (1 - χ) ua σ' = σ (χ uw+ (1 - χ) ua) σ' = σ ua + χ (ua - uw) χ funkcí S, způsobu zatěžování... Velmi přibližný předpoklad: χ = Sr 25

Kapilární voda laboratorní cvičení č. 4 Kapilární voda v písku prostá tlaková zkouška vlhkého písku předpoklad: Bishopova rovnice σ' = σ (χ uw+(1-χ) ua) pórový tlak u = χ uw+ (1 - χ) ua pro χ = S pórový tlak u = S uw+ (1 - S) ua Je-li vzorek průvzdušný (při w = 0,1 patrně bude) pórový tlak v bábovičce u = S uw kapilární sání v bábovičce s = ua- uw= - uw Postup: M.K. pro totální napětí; stanovit obálku pevnosti a M.K. pro efektivní napětí; stanovit kapilární kohezi; z posunu M.K. určit pórový tlak, uw a kapilární sání. 26

Kapilární voda laboratorní cvičení č. 4 Písek bez kapilární vody (suchý nebo 100% nasycený) Úhel přirozené sklonitosti suchého písku: písek se stále sesouvá, zrna se pohybují svah je v tzv. kritickém stavu: pevnost je τmax = σ' tg φcr' Rovnováha: T = W sin α = τmax 1 = W cos α tg φcr tg α = tg φcr α = φcr 27

Efektivní vertikální napětí σv = (hi γi) u σv' = σv u = (hi γi) hwγw dtto pro přírůstky = hwγw = (z - zw) γw 28

Efektivní vertikální napětí Δσv' = Δσv Δu Přírůstek efektivního napětí: Δσv >0 Δu = 0 (tj. odvodněné zatížení) Δσv' = Δσv >0 vzrůst efektivního napětí deformace sedání pod zatíženou plochou 29

Efektivní vertikální napětí Δσv' = Δσv Δu Snížení HPV - přírůstek ef. napětí: před: 1 po: u = hw γw 2 u=(hw-δhw) γw 1 σv = h γsat 2 σv = h γsat (zemina zůstane nasycená - kapilarita) Δu = 2u 1u = - Δhw γw Δσv = 2σv - 1σv = 0 Δσv' = - Δu > 0 vzrůst efektivního napětí deformace sedání okolí vrtu při snížení HPV 30

Efektivní vertikální napětí Výpočet vertikálního efektivního napětí zpravidla se zanedbává negativní pórový tlak v kapilární vodě σ u σ' = = = 18 1 10 1 18 10 = = = 18 10 8 kpa kpa kpa zemina zůstane nasycena, ale u<0 zanedbáme: σ u σ' = = = 18 1 = 10 0,5 = 18 5 = 18 5 13 kpa kpa kpa σ u σ' = = = 18 1 + 10 100 = 10 101 = 1018 1010 = 1018 1010 8 kpa kpa kpa Kolísání hladiny vody nad terénem nemění efektivní napětí Pozor na započítání výšky vody a případného negativního pórového tlaku (nelze při něm použít tzv. efektivní obj. tíhu zeminy γ' lépe ji vůbec neužívat, počítat vždy z principu ef. napětí a tím se vyhnout častým chybám!) 31

LITERATURA PRO PŘEDMĚT MECHANIKA ZEMIN I Základní - povinná http://natur.cuni.cz/~bohac/ Atkinson, J.H. (2007) The mechanics of soils and foundations. 2 nd ed. Taylor & Francis Lehce dostupná (ale...) Myslivec, A., Eichler, J. a Jesenák, J. (1970) Mechanika zemin. SNTL, Praha. Šimek, J. et al. (1990) Mechanika zemin (1990). SNTL, Praha. Vaníček, I. (2000; existují různá vydání) Mechanika zemin, skriptum FSv ČVUT Doporučená rozšiřující literatura (omezeně dostupná na oddělení IG) Feda, J. (1977) Základy mechaniky partikulárních látek. Academia, Praha. (Případně anglická verze: Feda, J. (1982) Mechanics of particulate materials, Academia-Elsevier.) Wood, D.M. (1990) Soil behaviour and critical state soil mechanics. Cambridge Univ.Press. Mitchell, J.K. and Soga, K (2005) Fundamentals of soil behaviour. J Wiley. (Případně starší vydání, bez spoluautora: 1973; 1993.) Atkinson, J.H: and Bransby, P.L. (1978) The mechanics of soils. McGraw-Hill, ISBN 0-07-084077-2. Bolton, M. (1979) A guide to soil mechanics. Macmillan Press, ISBN 0-33318931-0. Craig, R.F. (2004; existují různá vydání, první 1974) Soil mechanics. Spon Press. Holtz, R.D. and Kovacs, E.D. (1981) An introduction to geotechnical engineering, Prentice-Hall, ISBN 0-13484394-0...a řada dalších, bohužel nic v češtině. 32

Literatura použitá v prezentaci (odkazy u použitých obrázků) [1] Atkinson, J.H. (2007) The mechanics of soils and foundations. 2nd ed. Taylor & Francis. 33