Vandens srautas per dirvožemį - pralaidumas ir veiksniai, turintys įtakos skvarbumui
Įvadas
Atstumas yra viena svarbiausių fizinių dirvožemio savybių, nes kai kurios pagrindinės dirvos mechanikos problemos yra tiesiogiai susijusios su juo. Greitkelių, oro uostų, žemės užtvankų projektavimas, pamatų statyba po vandens stalu, išeiga iš gręžinio, pamatų įrengimas ir kt. Priklauso nuo dirvožemio pralaidumo. Taigi, norint tapti geru dirvožemio inžinieriumi, labai svarbu žinoti apie pralaidumą. Manoma, kad medžiaga yra pralaidi, jei jame yra nuolatinių tuštumų. Kadangi tokios talpos yra visuose dirvožemiuose, įskaitant kietiausius molius, visa tai yra pralaidūs. Gravels yra labai pralaidūs ir kietas molis yra mažiausiai pralaidus dirvožemis.
Permeabilumo svarba:
Žinios apie pralaidumą yra svarbios šioms inžinerijos problemoms:
(i) išleidimas per molius ir kanalus.
ii) Netinkamas slėgis esant hidraulinei konstrukcijai ir saugumas nuo vamzdynų
iii) sočiųjų suspausto dirvožemio sluoksnio atsiskaitymo greitis.
(iv) iš gręžinio išeigos ir vandens užterštos žemės ūkio paskirties žemės drenažo.
v) užtvankų aukštupio ir žemyn esančių šlaitų stabilumas.
Apibrėžimai:
Pralaidumas:
Perteklius yra dirvožemio savybė, leidžianti vandeniui prasiskverbti per jungiamuosius tuštumus.
Laminarinis srautas:
Srautas, kuriame visos vandens dalelės juda lygiagrečiai, neperžengdamos kitų dalelių kelio.
Turbulentinis srautas:
Srautas, kuriame visos vandens dalelės juda zigzago keliu.
Hidraulinis gradientas:
Hidraulinės galvutės sluoksnis srauto vienetui yra vadinamas hidrauliniu gradientu. Apsvarstykite prisotintą srautą per vienodą „L“ ilgio dirvožemio masę ir leiskite h P1 ir h P2 atitinkamai pjezometrinei galvai arba „slėgio galvutę“ įėjimo ir išėjimo paviršiuje. Leiskite + Z 1 ir - Z 2 būti įėjimo ir išėjimo paviršiaus pakėlimo galvą, darant prielaidą, kad žemesnio lygio vandens lygis yra atskaitos taškas. Srauto galva, skirta tekėti per dirvožemį, yra nereikšminga.
Hidraulinio gradiento nustatymas:
Bendras galvos = slėgio galvutė + pakilimo galvutė
Bendras galvos įėjimo veidą,
H 1 = hp 1 + Z 1
Bendra galvutė prie išėjimų
H2 = hp 2 - Z2 = 0
Bendras galvos skirtumas
H = h1-h2 = h P1 + z1 -0 = h P1 + z1
[••• hp 2 = Z 2 ]
Šis bendras galvos skirtumas nurodomas kaip hidraulinis galvutės arba „galvos praradimas“ arba „galvos kritimas“. Bet koks aukštis gali būti parenkamas atskaitos taškui, kaip pagrindo viršūnės. Vandens lygio pasirinkimo kaip atskaitos taško pranašumai yra tai, kad bendras galų skaičius prie išėjimų tampa nuliu ir vandens padidėjimas pjezometre bet kuriame dirvožemio taške, išmatuotame virš atskaitos linijos, tiesiogiai suteikia hidraulinę galvutę.
h = hp ± z
kur hp = Piezometrinė galvutė
z = pakilimo galvutė
Galvos netekimas srauto vienetui (arba išilgai srauto) vadinamas hidrauliniu gradientu. Jis žymimas „I“
I = h / L
Kur
h = galvos nuostoliai
L = ilgis išilgai srauto, per kurį galvos nuostoliai yra h.
Darcy įstatymas:
XVIII a. Viduryje H. Darcy, dirbantis Paryžiuje, eksperimentiškai ištyrė vandens srautą per dirvožemį. Dėl laminarinio srauto per prisotintą dirvą Darcy eksperimentiškai nustatė, kad srautas „q“ per dirvožemio skerspjūvio plotą yra proporcingas hidrauliniam gradientui “.
q = KiA
Arba q / A = ki
arba V = Ki
kur V = srauto greitis
K = pralaidumo koeficientas
i = hidraulinis gradientas
Darcy įstatymas galioja tol, kol srautas yra laminaras. Jis taikomas dirvožemio frakcijai, kuri yra smulkesnė už smulkius grūdus.
Srauto greitis (arba išleidimo greitis):
Matomas greitis yra lygus vidutiniam srauto greičiui per vieneto bruto plotą dirvožemyje.
Srauto srautas yra vandens kiekis, tekantis per laiko vienetą.
Seanso greitis:
Srauto greitis yra tikrasis arba tikrasis greitis, kuriuo vanduo teka per dirvožemio tuštumą.
Le A v yra tuštumų ir
A yra bendrasis dirvožemio plotas, statmenas srauto krypčiai. Srauto greitis gali būti prilygintas q = VA = A V. V S
arba V s = V × A / A V
arba V S = V / n
Abiejų atvejų srauto trukmė yra tokia pati, o n = tūrių tūris / bendras tūris]
Arba VS = (1 + e / e) V
Kur V srauto greitis
V S = išleidimo greitis
e = Void ratio
n = poringumas
Kadangi (1 + e / e) visada yra didesnis už vienybę, Vg yra visada didesnis nei V.
Koeficientas, užtikrinantis pralaidumą:
Mes žinome, q = KIA (Darcy įstatymas)
A = 1 ir I = 1 lygtis, kurią gauname
K = q
ty pralaidumo koefektyvus, taip pat žinomas kaip hidraulinis laidumas, gali būti apibrėžiamas kaip vandens srautas sluoksniuotomis srautinėmis sąlygomis per vienodo skersinio terpės skerspjūvio plotą viename hidrauliniame gradiente ir standartinėse temperatūros sąlygose (paprastai 27 ° C Indijoje). K vienetas yra panašus į greitį, ty m / s, cm / s ir tt
Empirinis ryšys tarp K ir D 10, kurį sukūrė Hazen (1911), yra laisvas, švarus smėlis
K = CD 10 2
kur K = pralaidumo efektyvumas (cm / s)
C = Hazen koeficientas = 0, 8-1, 2 (dažniausiai naudojamas 1, 0)
D 10 = efektyvus dirvožemio dydis
Perkoliacijos efektyvumas:
Įsiurbimo greitis taip pat proporcingas hidrauliniam gradientui.
Veiksniai, turintys įtakos pralaidumui :
Atstumas gali būti gaunamas iš teorinės Kozenio-Carmano lygties srauto per akytąją terpę
K = CD 2 0 (e 3 + 1 + e) γw / n …………… (4.3)
Kur C = kompozicinės formos koeficientas
D 0 = tipinis dalelių dydis
e = Void ratio
γ w = vandens tankis,
n = vandens klampumas
Veiksniai, turintys įtakos pralaidumui, yra šie:
i) Porų skysčio savybės
ii) dalelių dydis ir forma
iii) dirvožemio santykis
(iv) Dirvožemio dalelių struktūrinis išdėstymas
(v) Sotumo laipsnis
vi) Adsorbuotas vanduo
viii) stratifikacija
i) Porų skysčio savybės:
Iš 4.3 lygties aišku, kad tankis ir klampumas yra dvi porų skysčio (arba vandens) fizinės savybės, turinčios įtakos pralaidumui. Pralaidumo koeficientas yra tiesiogiai proporcingas vandens tankiui ir atvirkščiai proporcingas jo klampumui. Vandens tankio reikšmė nesikeičia, kai pasikeičia temperatūra, tačiau yra didelis klampumo pokytis. Klampumas mažėja, didėjant temperatūrai, todėl pralaidumas didėja esant temperatūrai.
ii) Dalelių dydis ir forma:
Dirvožemio pralaidumas yra tiesiogiai proporcingas dalelių dydžio kvadratui, kaip parodyta 4.3 lygtyje. Tai yra svarbiausias veiksnys, turintis įtakos dirvožemio pralaidumui, nes jie sprendžia, kiek dirvožemio masėje yra porų, o jų dydis ir forma. Šiurkštus dirvožemis turi didesnį porų dydį ir čia didesnis K, ty pralaidumo koeficientas nei smulkiagrūdis dirvožemis.
iii) dirvožemio santykinis santykis:
Eksperimentiškai patikrinta reikšminga tuščio santykio įtaka dirvožemio pralaidumui, kaip parodyta 4.3 lygtyje.
K α e 3/1 + e
Iš pirmiau pateiktos lygties aišku, kad K yra tiesiogiai proporcingas tuščiajam santykiui, ty daugiau dirvožemio tūrio santykis bus pralaidumas. Pusiau log ryšys taip pat egzistuoja tarp K ir e. Log K skalė (rąstų skalė) Vg e (linijinė skalė) yra maždaug tiesi linija ir šiurkščiavilnių, ir smulkiagrūdžių dirvožemių.
iv) Dirvožemio dalelių struktūrinis išdėstymas:
Dirvožemio dalelių struktūrinis išdėstymas skiriasi tuo pačiu tūrio santykiu, priklausomai nuo dirvos masės sutankinimo metodo. Sutrikusio mėginio pralaidumas gali skirtis nuo netrikdomo mėginio pralaidumo tame pačiame tuščio santykio. Struktūrinių trikdžių poveikis pralaidumui yra labai ryškus smulkiagrūdėse dirvose.
v) Sotumo laipsnis:
Pastebėta, kad dirvožemio pralaidumas tiesiogiai kinta su prisotinimo laipsnio kubu. Taigi kuo daugiau sočiųjų dirvožemio, daugiau bus pralaidumas. Tačiau įstrigusio oro slėgis dirvožemio porose trukdo vandens tekėjimui.
vi) Adsorbuotas vanduo:
Smulkias molio daleles supa adsorbuoto vandens plėvelės. Difuzinės jėgos ir difuzinės jonų sluoksnio susidarymas aplink molio daleles sukuria imobilizuotus hidrodinaminius vandens sluoksnius, tokiu būdu sumažindami efektyvią porų erdvę.
vii) stratifikacija:
Sluoksniuotame dirvožemyje yra skirtingos pralaidumo charakteristikos. Tų pačių dirvožemių pralaidumas yra didesnis, kai srautas yra lygus sluoksniui, nei pralaidumas, kai srautas yra statmenas sluoksniui.
Atstumo efektyvumo koeficiento nustatymo metodas:
Pralaidumo koeficientą galima nustatyti šiais būdais:
a) Laboratoriniai metodai [Tiesioginiai metodai]
i) Pastovaus galvos pralaidumo bandymas
ii) Nukritęs galvos bandymas.
b) Lauko metodai
i) Eksploatacijos bandymai
ii) Siurbimas bandymuose
c) „Netiesioginiai metodai
(i) Skaičiavimas iš grūdų (K = CD 10 2 )
ii) Horizontalus kapiliarumo bandymas
iii) Konsoliduoti bandymų duomenys.
Pastovaus galvos atsparumo bandymas:
4.3 paveiksle parodyta bandymo schema.
Vanduo teka iš trijų vamzdžių: įleidimo, išleidimo ir perpildymo vamzdžio. Nuolatinė galvutė „h“ išlaikoma per visą bandymą. Kadangi dirvožemio ėminio „L“ ilgis nustatomas per visą bandymą, hidraulinis gradientas „i“ išlieka pastovus per visą bandymą
Mes žinome I = h / L
Kai h = vandens rezervuaro ir dugno bako vandens lygio skirtumas. Jei Q yra bendras srauto kiekis per tam tikrą laiko tarpą, „mes turime formuoti Darcy įstatymą.
Q matavimas atliekamas pasiekus pastovią būseną. Bandymas kartojamas du ar tris kartus, o vidutinė Q vertė apskaičiuojama K. Šis bandymas tinka šiurkščiui grūdėtam dirvožemiui, kur per tam tikrą laiką galima surinkti protingą išleidimą.
Mažėjančios galvos atsparumo bandymas:
Mažėjantis galvos bandymas tinka mažiau pralaidiems dirvožemiams. Žinomo skerspjūvio ploto „a“ stendinis vamzdis yra sumontuotas permeametru ir leidžiamas vanduo per šį vamzdį. Vandens lygis stovo vamzdyje nuolat krenta, kai teka vanduo. Stebėjimai pradedami, kai pasiekiamas pastovus srautas. Galva bet kuriuo metu nėra lygi vandens lygio skirtumui stovo vamzdyje ir apačioje.
Leiskite h 1 ir h 2 atitinkamai pagal laiko intervalus t 1 ir t 2 (t 1 > t 2 ). Leiskite, kad h būtų galvos bet kuriuo tarpiniu laiko intervalu t, ir -dh yra galvos pokytis mažesniu laiko intervalu „dt“ (naudojamas minuso ženklas, nes h sumažėja kaip t). Iš Darcy įstatymo srauto greitis q yra nustatytas pagal
Laboratoriniai stebėjimai susideda iš galvų h 1 ir hg matavimo dviem pasirinktais laiko intervalais t 1 ir t 2 . Skaičiavimams skaičiuojami laiko intervalų vidurkiai.
Stebėjimo lapas, skirtas krentančio galvos pralaidumo bandymui:
Stratifikuotų dirvožemių pralaidumas:
Jei dirvožemio profilis susideda iš kelių sluoksnių, turinčių skirtingą pralaidumą, dirvožemio ekvivalentas arba vidutinis pralaidumas yra skirtingas kryptimi, lygiagreti ir normali. Jei srautas lygiagrečiai sluoksniams, kiekviename sluoksnyje hidraulinis gradientas yra vienodas ir bendras srautas yra srauto greičių suma visuose trijuose sluoksniuose.
Kur K x = lygiavertis arba vidutinis pralaidumas lygiagrečiai sluoksniams. Jei srautas yra normalus sluoksniams, srautas turi būti vienodas visuose sluoksniuose, kad srautas būtų pastovus, o srauto sritis „A“ yra pastovi, o srauto greitis per sluoksnį taip pat yra tas pats.
Kur K z = lygiavertis srauto normalus sluoksnis. Taigi lygiavertis srauto lygiagretumas sluoksniams visada yra didesnis už sluoksnį, kuris yra normalus, ty K x visada yra didesnis nei K z .
Išspręstas pavyzdys:
4.1 pavyzdys:
Esant 6 cm aukščio ir 50 cm2 skerspjūvio ploto bandinio pralaidumo kritimui, vandens lygis stendo vamzdyje, 0, 8 cm 2 skerspjūvio plote, sumažėjo nuo 60 cm iki 20 cm aukščio 3 min. mato. Raskite pralaidumą.
4.2 pavyzdys:
Pastovaus galvos permeametro bandymo metu 160 cm ^ srautas Q matuojamas 5 min., Esant 15 cm galvai. Mėginys yra 6 cm ilgio ir 50 cm 2 skerspjūvio plotas. Mėginio poringumas n 1 yra 42%. Nustatykite pralaidumą, srauto greitį V ir srovės greitį V s . Apskaičiuoti K 2 n 2 = 35%.
Sprendimas: Atsižvelgiant į Q = 160 cm 3
L = 6 cm
4.3 pavyzdys:
Smėlio nuosėdas sudaro trys vienodo storio horizontalūs sluoksniai. Viršutinių ir apatinių sluoksnių pralaidumas yra 2 x 10-4 cm / s, o vidutinis sluoksnis - 3, 2 x 10 -2 cm / s. Suraskite lygiavertį pralaidumą horizontalia ir vertikalia kryptimi ir jų santykį.
4.4 pavyzdys:
Apskaičiuokite dirvožemio pralaidumo koeficiento vertę, kai jų efektyvus diapazonas yra 0, 5 mm. Sprendimas:
Mes turime Hazen koreliaciją 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.
4.5 pavyzdys:
Dirvožemio bandinys buvo išbandytas pastoviu galvutės permeametru. Mėginio skersmuo ir ilgis buvo atitinkamai 3 cm ir 15 cm. Nustatyta, kad po 30 cm galvučių išmetimas buvo 80 cm3 per 15 minučių.
Apskaičiuoti:
i) Pralaidumo koeficientas
ii) Bandyme naudojamas dirvožemio tipas
(ii) K vertė yra tarp 10 -1 ir 10 -1 . Dirvožemį sudaro smulkūs smulkūs, vidutiniai ir smulkūs smėlis.
4.6 pavyzdys:
5 cm ilgio ir 60 cm skerspjūvio ploto dirvožemio mėginys per 10 minučių per mėginį perpylia 480 ml, esant pastoviam 40 cm galui. Džiovintos orkaitės masė yra 498 gm ir dirvožemio savitasis tankis = 2, 65.
Apskaičiuoti:
i) Pralaidumo koeficientas
ii) Srauto greitis.
4.7 PAVYZDYS:
Dirvožemio ėminio pralaidumo koeficientas buvo 1 x 10-3 cm / s, esant tuščiam santykiui 0, 4. Apskaičiuokite jo pralaidumą esant 0, 6 tuščiam santykiui. Sprendimas: žinome, kad:
K α e 3/1 + e
4.8 pavyzdys:
Jei dirvožemio mėginio su kritimo galvos permeametru permeabilitacijos bandymo metu, tarp h1 ir h 2 galvos lašų užfiksuojami vienodi laiko intervalai ir vėl nuo h 1 iki h 2, suraskite santykį tarp h 1, h 2 ir h 3 .
Sprendimas: Dėl kritimo galvos nuo h 1 ir h 2
