Wodoprzepuszczalność gruntów

Wodoprzepuszczalność to zdolność gruntu do przepuszczania wody. Wiedza na ten temat jest istotna dla inżynierów odpowiedzialnych za wszelkie konstrukcje mające jakikolwiek kontakt z gruntem. Obecność wody ma wpływ na właściwości gruntu, a jej przepływ może zmienić wytrzymałość gruntu oraz panujący w nim stan naprężeń. Prędkość przesiąkania przez obwałowania i groble ziemne w oczywisty sposób wiąże się z wodoprzepuszczalnością gruntu, jednak również zagadnienia osiadań i stateczności nasypów są ściśle związane z wodoprzepuszczalnością podłoża gruntowego, na których zostały posadowione. Efektywność rowów odwodnieniowych biegnących wzdłuż drogi technologicznej również będzie uzależniona od wodoprzepuszczalności podłoża. Wodoprzepuszczalność stanowi zatem istotny czynnik, który należy wziąć pod uwagę.

W niniejszym wpisie poruszymy następujące tematy:

• Jak rozumieć wodoprzepuszczalność?
• Co to jest wodoprzepuszczalność gruntu?
• Co wpływa na wodoprzepuszczalność gruntu?
• Dlaczego wodoprzepuszczalność stanowi ważne zagadnienie?
• Badania wodoprzepuszczalności gruntów
• Typowe wartości wodoprzepuszczalności dla różnych gruntów
• Uwzględnienie wodoprzepuszczalności gruntów w budownictwie

Jeśli interesuje Cię wybrana część wpisu, skorzystaj z łączy powyżej.

Jak rozumieć wodoprzepuszczalność?

Prędkość przepływu płynu przez ośrodek porowaty jest bezpośrednio związana ze spadkiem hydraulicznym powodującym przepływ. Zależność ta znana jest jako Prawo Darcy’ego. Mówiąc najprościej, woda popłynie przez grunt z punktu A do punktu B, jeśli między tymi punktami istnieje różnica ciśnienia. Znaczenie mają również temperatura i lepkość płynu czy uziarnienie, porowatość i skład ośrodka gruntowego.

Zależność między spadkiem hydraulicznym a prędkością przepływu opisuje współczynnik wodoprzepuszczalności, zwany również współczynnikiem filtracji.

Co to jest wodoprzepuszczalność gruntu?

W przypadku gruntów jesteśmy zazwyczaj zainteresowani skutkami przepływu wody. Wodoprzepuszczalność gruntu to jego zdolność do przepuszczania wody. Zazwyczaj jako miarę wodoprzepuszczalności przyjmuje się współczynnik wodoprzepuszczalności k, mający miano prędkości i równy prędkości przepływu wody przy spadku hydraulicznym wynoszącym 1.

Niska wodoprzepuszczalność może prowadzić do gromadzenia się wody i osłabienia podłoża podczas prac budowlanych.  

Co wpływa na wodoprzepuszczalność gruntu?

Grunty składają się z ziaren i cząstek oraz układu połączonych porów między nimi. Pory mogą być wypełnione powietrzem lub wodą. Jeśli wszystkie pory wypełnione są wodą, mówi się, że grunt jest w stanie nasyconym lub osiągnął wilgotność całkowitą. Przy częściowym wypełnieniu porów wodą możemy mówić o różnych stanach zawilgocenia w oparciu o stopień wilgotności. Woda nie przepływa przez ziarna i cząstki gruntu, lecz przez pory między nimi. Woda może przepływać przez system połączonych porów, gdy w związku z różnicą wysokości poziomów wody występuje różnica ciśnień (spadek hydrauliczny) między dwoma punktami lub gdy korzenie roślin zasysają wodę wskutek transpiracji. Wpływ na wodoprzepuszczalność mają kształt i tekstura ziaren i cząstek, względna ilość porów w gruncie (porowatość) oraz stopień wilgotności. Zagęszczenie w oczywisty sposób wpływa na wodoprzepuszczalność gruntu, ponieważ zmniejsza jego porowatość.

Uwarstwienie gruntu również wpływa na wodoprzepuszczalność. Jeśli różne grunty ułożone są warstwowo – czy to naturalnie, czy w wyniku prac budowlanych – najprawdopodobniej wodoprzepuszczalność będzie wyższa w kierunku poziomym niż pionowo, w poprzek granic warstw.

Nasycone grunty o niskiej wodoprzepuszczalności stwarzają problemy w budownictwie drogowym – zastosowanie stabilizacji georusztami takimi jak Tensar InterAx pozwala na zabezpieczenie podłoża oraz rozłożenie i zagęszczenie podbudowy pomocniczej.

 

Dlaczego wodoprzepuszczalność stanowi ważne zagadnienie?

Dla takich budowli ziemnych jak zapory czy groble zbiorników retencyjnych prędkość przesiąkania wody jest oczywiście bardzo ważna; należy jednak mieć na uwadze, że wodoprzepuszczalność stanowi również niezmiernie ważny aspekt stateczności nasypów. Gdy grunt zostanie obciążony, wzrasta ciśnienie wody w porach gruntu, zwane ciśnienie porowym. Wzrost ciśnienia porowego ogranicza kontakt między ziarnami gruntu i obniża jego wytrzymałość. Nadmierne ciśnienie porowe obniża się powoli, w miarę jak woda wypływa z gruntu, a grunt ulega konsolidacji. Prędkość rozpraszania nadciśnienia będzie uzależniona od wodoprzepuszczalności gruntu. Grunty o niskiej wodoprzepuszczalności będą ulegały wolniejszej konsolidacji, co przełoży się zarówno na prędkość przyrostu wytrzymałości, jak i na prędkość osiadań – parametry bardzo istotne dla wszystkich budowli ziemnych. W przypadku dróg wodoprzepuszczalność podłoża będzie miała znaczący wpływ na jego nośność w trakcie i po zakończeniu prac budowlanych. Bardziej właściwe może zatem okazać się uwzględnienie w projekcie wytrzymałości gruntu w stanie nasyconym, zwłaszcza na etapie prac budowlanych.

Badania wodoprzepuszczalności gruntów

Wodoprzepuszczalność gruntów najczęściej oznacza się laboratoryjnie na próbkach pobranych w terenie. Wyróżnić można dwa rodzaje badań – przy zmiennym lub przy stałym spadku hydraulicznym. Dostępne są procedury normowe, takie jak ISO 17892-11:2019.

Badania przy zmiennym spadku hydraulicznym

W badaniach tego typu pozwala się, aby spadek hydrauliczny stopniowo obniżał się w miarę przenikania wody przez próbkę. A zatem ciśnienie obniża się w ciągu badania. Ogólnie rzecz biorąc, badania tego rodzaju przeznaczone są do gruntów o drobnym uziarnieniu.

Badania przy stałym spadku hydraulicznym

W tym przypadku spadek hydrauliczny pozostaje taki sam przez cały czas trwania testu. Można w ten sposób badać zarówno żwiry, piaski jak i gliny.

Badania terenowe

Możliwe jest również wykonanie badań terenowych wodoprzepuszczalności. Zazwyczaj polegają one na prostych obserwacjach przesiąkania wody w odwierconym otworze. Czas spadku lustra wody w zalanym otworze jest rejestrowany jako miara wodoprzepuszczalności gruntu. Do pewniejszych metod należy odpompowywanie wody w jednym otworze i dokonywanie pomiarów poziomu wody w szeregu sąsiednich otworów celem określenia spadku hydraulicznego i obliczenia wodoprzepuszczalności.

Proste badanie polegające na obserwacji wsiąkania – pomiar prędkości opadania poziomu wody w dokładnie pomierzonym otworze pozwala na pośrednie określenie wodoprzepuszczalności gruntu.
 

Badania terenowe najprawdopodobniej dostarczą bardziej zbliżonych do rzeczywistości wyników niż badania laboratoryjne, w których może dojść do przeszacowania wartości (zmierzenia dużo niższej wodoprzepuszczalności niż w badaniach terenowych ). Główną przyczyną jest fakt, że badanie terenowe odbywa się na dużej próbce gruntu, w której ujawni się również „makroprzepuszczalność” przez naturalne szczeliny i pęknięcia w warstwie. Rozmiar próbek laboratoryjnych nie jest na tyle duży, aby w badaniu w sposób reprezentatywny ujawniło się rzeczywiste zróżnicowanie warstwy. Jeśli wodoprzepuszczalność stanowi istotny aspekt w danym projekcie, ale źródła danych wydają się wątpliwe, wskazane jest przeprowadzenie analizy wrażliwości projektowanej konstrukcji na zmiany wodoprzepuszczalności.

Typowe wartości wodoprzepuszczalności dla różnych gruntów

Choć zdolność danego gruntu do przepuszczania wody in situ będzie różniła się w zależności od zagęszczenia i stanu zawilgocenia, współczynnik wodoprzepuszczalności pomierzony laboratoryjnie pozwala na określenie pewnej hierarchii gruntów pod tym względem. W poniższej tablicy grunty uszeregowano według malejącej wodoprzepuszczalności (współczynnika k wyrażonego w m/s).

Uwzględnienie wodoprzepuszczalności gruntów w budownictwie

Wodoprzepuszczalność gruntów to bardzo istotny aspekt nie tylko w projektowaniu zapór i grobli ziemnych – gdzie długoterminowe efekty przepływu wody będą rozpatrywane z perspektywy przesiąkania – ale również w zrozumieniu stanu naprężeń w nasypach i ich posadowieniach. 

Inżynierowie projektujący nasypy na gruntach słabonośnych muszą wziąć pod uwagę również wpływ wodoprzepuszczalności podłoża na prędkość konsolidacji, wartości osiadania i nośność podłoża.

Gdy buduje się nasypy na gruntach o niskiej wodoprzepuszczalności i nośności, wzrost obciążenia powoduje wzrost ciśnienia porowego w podłożu, co z kolei przekłada się na obniżenie nośności gruntu oraz stateczności nasypu. Maksymalna prędkość budowy nasypu jest zatem podyktowana prędkością rozpraszania ciśnienia porowego, która jest funkcją wodoprzepuszczalności. Inżynierowie mają do dyspozycji kilka sposobów na przyspieszenie tego procesu. Zastosowanie drenów pionowych skraca ścieżkę, którą przebywa odpływająca woda, przyspieszając rozpraszanie ciśnienia porowego. W niektórych przypadkach drenażowi pionowemu może towarzyszyć wzmocnienie podstawy nasypu tkaniną, taką jak Tensar Basetex co dodatkowo zwiększa stateczność nasypu. Można również posadowić nasyp na sztywnej platformie, takiej jak materac geokomórkowy TensarTech Stratum zwiększającej stateczność nasypu i ograniczającej nierównomierne osiadanie na całej jego szerokości.

Dalsze kroki

Wodoprzepuszczalność określa prędkość, z jaką woda może przepłynąć przez grunt lub z niego wypłynąć. Ma to bezpośredni wpływ na dopuszczalną prędkość budowy nasypów i innych budowli. Rozwiązania oparte na zastosowaniu geosyntetyków, takie jak TensarTech Stratum i Tensar Basetex, mogą pozwolić na uniknięcie niektórych ograniczeń i przyspieszyć prace budowlane. Użycie georusztów Tensar InteAx może umożliwić budowę dróg i obszarów obciążonych ruchem kołowym na nasyconych gruntach słabonośnych, których odwodnienie przed budową jest niemożliwe ze względu na ich niską wodoprzepuszczalność.

Ten post był przydatny? Zapraszamy do lektury innych materiałów o gruntach:

• Co to jest wytrzymałość gruntu na ścinanie?
• Czym są grunty spoiste podatne na duże zmiany objętości?
• Co to jest uziarnienie gruntów?