Ćwiczenie laboratoryjne Parcie na stopę fundamentu. Cel ćwiczenia i wprowadzenie Celem ćwiczenia jest wyznaczenie parcia na stopę fundamentu. Natężenie przepływu w ośrodku porowatym zależy od współczynnika filtracji i spadu hydraulicznego. Natężenie przepływu jest wyrażane zależnością: h Q A k () L gdzie: Q - natężenie przepływu [m 3 /s], A - przekrój poprzeczny strumienia [m ], k - współczynnik filtracji [m/s], h - różnica wysokości ciśnienia na długość drogi przepływu L. Współczynnik filtracji k zależy od rodzaju ośrodka porowatego i lepkości. Graficzną ilustracją przepływu w ośrodku porowatym jest siatka hydrodynamiczna (rys. ). Siatkę hydrodynamiczną tworzą linie prądu i jednakowego potencjału. Linia jaką zakreśla poruszająca się cząstka podczas ustalonej filtracji przez ośrodek porowaty jest nazywana linią prądu (rys. ). Natomiast linia jednakowego potencjału spełnia warunek stałości ciśnienia wzdłuż linii. Warunkiem przepływu z jednego punktu do drugiego ośrodka porowatego jest różnica ciśnień pomiędzy tymi punktami. Podczas przepływu energia potencjalna zmienia się w energię kinetyczną. Ośrodek porowaty utrudnia przepływ. Siatka hydrodynamiczna umożliwia obliczenie natężenia przepływu w ośrodku porowatym, ciśnienia i parcia np. na podstawę zapory lub fundament budowli. Rys.. Siatka hydrodynamiczna pod stopą fundamentu bez i ze ścianką szczelną Rozkład wysokości ciśnienia (h = p/) na stopę fundamentu podczas przepływu filtracyjnego ilustrują położenia w piezometrach (rys., ). Wystawiając z każdego punktu fundamentu wysokości ciśnienia powstaje tzw. bryła parcia. Na podstawie jej objętości V oblicza się wartość parcia P z zależności: P = V [N] () gdzie: - ciężar objętościowy [N/m 3 ], V objętość bryły parcia [m 3 ]. Wprowadzenie ścianki szczelnej przed stopą powoduje zmniejszenie wysokości ciśnienia na powierzchni fundamentu (rys. ). Wydłużenie lub skrócenie drogi filtracji ma bezpośredni wpływ na spadek hydrauliczny, prędkość filtracji, rozkład ciśnienia, a więc i wartość parcia.
Rys.. Rozkład wysokości ciśnienia na stopie fundamentu i linie prądu przy różnych długościach ścianki szczelnej przed stopą Parcie na stopę fundamentu przy braku pomiarów wysokości ciśnienia oblicza się metodą Bligha. W tym celu sporządza się wykres parcia filtracyjnego i wyporu. Na rysunku 3 przedstawiono rozkład wysokości ciśnienia filtracyjnego wzdłuż drogi filtracji. tzn. wzdłuż ścianki szczelnej i na stopie fundamentowej pomiędzy punktami 4 wykorzystywany w metodzie Bligha. Wykres wyporu działającego na stopę fundamentu sporządza się odkładając zagłębienie punktów i ścianki pod zwierciadłem dolnej. Na stopę fundamentu przypada część wykresu ciśnienia filtracyjnego i wyporu, znajdująca się pomiędzy punktami 3 i 4. Rys. 3. Rozkład wysokości ciśnienia filtracyjnego i wyporu na ściance szczelnej i stopie fundamentu pomiędzy punktami -4 w metodzie Bligha
Parcie filtracyjne na stopę fundamentową oblicza się z zależności (rys. 3): P f hf 3 hf 4 V f L B [N] (3) gdzie V f objętość bryła parcia filtracyjnego, hf3 i hf4 wysokości ciśnienia filtracyjnego w pkt. 3 i 4 wg rysunku 3, L długość fundamentu, B szerokość fundamentu. Parcie hydrostatyczne na stopę fundamentu oblicza się z zależności: P s hs3 hs4 Vs L B [N] (4) gdzie V s objętość bryły wyporu, hs3 i hs4 wysokości ciśnienia hydrostatycznego w pkt. 3 i 4 wg rysunku 3. Parcie na stopę fundamentu w metodzie Bligha oblicza się z zależności: P = P f + P s [N] (5). Opis stanowiska badawczego Do wizualizacji dwuwymiarowego przepływu w ośrodku porowatym i rozkładu ciśnienia na stopę fundamentu wykorzystywane jest urządzenie HM 69 (rys. 4). Wypełnione jest ono piaskiem i umożliwia umieszczenie różnych elementów budowli w obszarze filtracyjnego przepływu. Do wyznaczania przebiegu linii prądu wykorzystuje się barwnik, który jest wprowadzany w ośrodek porowaty przez cienkie dysze. Przezroczysty panel urządzenia pozwala na obserwację linii prądu w obszarze filtracji. Ciśnienie w podłożu jest mierzone w 4 punktach pomiaru ciśnienia połączonych z tablicę piezometryczną. Urządzenie jest wyposażone w pompę i własny zbiornik. Regulację położenia umożliwiają dwa regulowane prze. Stopa fundamentowa ma długość L = 0,45 m i szerokości B = 0.09 m. Ciśnienie na stopie mierzone jest piezometrami. Wysokość słupa w piezometrach mierzy się wodowskazem szpilkowym. Rys. 4. Schemat urządzenia HM 69. - zbiornik ze szklaną przednią szybą, - filtry płytkowe, 3 - tablica piezometryczna, 4 - zawory do dozowania barwnika, 5 - zbiorniczek na barwnik, 6 - prze z barwnikiem, 7 wlot, 8 - punkty pomiaru ciśnienia, 9 - regulacja przepływu, 0 - włącznik pomp, - pompa odśrodkowa, - zawór wlotowy, 3 - zawór odpływu z ośrodka porowatego, 4 - zbiornik na wodę, 5 rama, 6 - przewód przelewowy.
Rys. 5. Dodatkowe akcesoria do urządzenia HM 69, a) pionowa przegroda, b) ścianka szczelna, c) stopa fundamentu Pompa odśrodkowa () pompuje wodę ze zbiornika (4) poprzez wlot (7) do zbiornika (). Natężenie przepływu może być regulowane poprzez zawór wlotowy (). Poziom jest ustalany poprzez dwa prze przelewowe (6) połączone ze zbiornikiem (4). Dwa filtry płytkowe () służą utrzymaniu w czystości zbiornika (). Czternaście punktów pomiaru ciśnienia (8) jest umieszczonych w spodniej ścianie urządzenia. W celu demonstracji rozkładu ciśnienia, punkty pomiaru ciśnienia łączone są przewodami z tablicą piezometryczną (3). Barwnik do ilustracji układu linii prądu wypływa ze zbiorniczka (5) poprzez elastyczne prze do trzech dysz (6). Przepływ barwnika może być regulowany poprzez zawór (4). Zbiornik (4) może być opróżniony przez zawór (9). Jest także zawór do opróżniania modelu (3). 3. Opis doświadczenia Ustawić położenie wlotów przewodów przelewowych (6). Włączyć pompę () za pomocą włącznika pompy (0). Ustawić natężenie przepływu zaworem na dopływie (). Po ustabilizowaniu się przepływu zmierzyć głębokości H, h, długości z oraz wysokości ciśnienia w piezometrach zainstalowanych w stopie fundamentowej (rys. 3). Zmienić położenie ścianki szczelnej. Po zmianie położenia ścianki szczelnej i ustabilizowaniu się przepływu powtórnie wykonać pomiary głębokości H, h, długości z oraz wysokości ciśnienia w piezometrach. 4. Zakres ćwiczenia. Opisać przebieg doświadczenia.. Narysować pomierzony rozkład wysokości ciśnienia na stopę fundamentu. 3. Obliczyć parcie na stopę fundamentu. 4. Narysować rozkład wysokości ciśnienia filtracyjnego i wyporu na stopę fundamentu metodą Bligha. 5. Obliczyć parcie na stopę fundamentu metodą Bligha. 6. Porównać wartości parcia obliczone na podstawie pomiarów wysokości ciśnienia i metodą Bligha. 7. Przedstawić wnioski końcowe.
Parcie na stopę fundamentu Kierunek......Nazwisko i imię... 4. Wyniki pomiarów i obliczeń Tabela. Wyniki pomiarów Głębokości w zbiorniku H Głębokości w zbiorniku h Długość ścianki szczelnej z Rzędne [cm] 3 4 5 Tabela. Pomierzone wartości wysokości ciśnienia na powierzchni fundamentu Wysokości ciśnienia hi na powierzchni fundamentu h h h3 h4 h5 Tabela 3. Wyniki obliczeń parcia na powierzchnię fundamentu Metoda wyznaczania parcia Parcie filtracyjne Pf [N] Wypór hydrostatyczny Ps [N] Parcie wod P [N] Metoda Bligha Pomiar wysokości ciśnienia X X