Pritisak tla u bušotinama: Zašto je stvarni pritisak često niži od standardne vrednosti 1 bar/10 m?

1. Objašnjenja

U praksi bušenja bunara, često se koristi aproksimacija da se pritisak tla ili hidrostatički pritisak povećava za 1 bar svakih 10 metara dubine. Ova procena potiče iz osnovnih fizikalnih zakona i pretpostavke da je sredina homogena, potpuno zasićena vodom, sa konstantnom gustinom. Međutim, prilikom terenskih merenja, stvarni pritisak tla vrlo često odstupa od ove vrednosti i bude niži nego što se očekivalo. Zašto se to dešava?

Da bismo odgovorili na ovo pitanje, moramo razumeti nekoliko ključnih faktora: sastav tla, nivo zasićenosti vodom, poroznost, kapilarni učinak, prisustvo gasa u porama, kao i geometriju same bušotine. Svi ti faktori utiču na raspodelu i prenos pritiska u tlu.

U idealnim uslovima, pritisak koji izaziva voda u tlu (tzv. porni pritisak) linearno raste sa dubinom. Međutim, tlo u prirodi retko kad ispunjava uslove idealne zasićenosti i homogenosti. U realnim uslovima, pritisak na određenoj dubini može biti značajno niži od 1 bar po 10 metara dubine upravo zbog odstupanja od tih idealnih uslova.

Gustina i zasićenost tla

Jedan od osnovnih faktora koji utiče na pritisak je gustina fluida u porama tla. Ako je tlo delimično suvo, ili ako pore nisu potpuno ispunjene vodom, gustina sistema je manja, što automatski smanjuje pritisak. Na primer, u peskovitim slojevima gornjih horizonata, gde postoji značajna propusnost i često slab kontakt sa podzemnim vodama, voda ne popunjava sve pore. Zbog toga se efekat težine prenosi samo delimično, pa porni pritisak ostaje manji.

Slično važi i za glinovita tla, u kojima kapilarne sile mogu zadržavati vodu vrlo blizu površine, ali bez formiranja kontinuiranog vodenog stuba. To znači da se i u ovom slučaju ne formira puni hidrostatički pritisak.

Kapilarna zona i efekat površinske napetosti

Kapilarna zona je deo tla iznad nivoa podzemne vode, gde voda opstaje uprkos gravitaciji, zahvaljujući kapilarnim silama. Ova zona može biti visoka od nekoliko centimetara do nekoliko metara, u zavisnosti od teksture tla. Iako u toj zoni postoji voda, ona nije slobodna, već vezana, i ne doprinosi značajno hidrostatičkom pritisku. To znači da, iako postoji fizički prisustvo vode, njen doprinos pritisku na manometrima ili piezometrima je minimalan.

Površinska napetost dodatno doprinosi ovom efektu, jer voda koja se zadržava u tankim slojevima oko čestica tla formira meniskuse koji ne prenose pritisak na isti način kao slobodna voda u punoj zasićenosti.

Efekat poroznosti i strukture tla

Poroznost tla određuje koliko prostora postoji između čvrstih čestica za zadržavanje fluida. Međutim, nije svaka pora jednako dostupna za vodu. U finim glinama, mikropore mogu zadržavati vodu s velikom čvrstinom, ali bez značajnijeg doprinosa pritisnom odzivu. U peskovima, makropore omogućavaju slobodno kretanje vode, ali ako nisu potpuno zasićene, pritisak može biti manji od očekivanog.

Takođe, struktura tla, kao što su slojevi koji variraju po propusnosti, može dovesti do hidrauličke diskontinuiteta, usled čega se prenos pritiska prekida ili usporava. U takvim slučajevima, lokalni pritisak neće odgovarati teorijskoj vrednosti.

Prisustvo gasa u porama tla

U mnogim slučajevima, tlo sadrži i gasove, bilo u obliku vazduha koji nije istisnut iz pora, bilo u obliku gasova koji nastaju mikrobiološkim procesima. Ti gasovi smanjuju ukupnu gustinu fluida u porama, što direktno utiče na pad pritiska. Gas se ponaša po zakonima znatno drugačijim od tečnosti, i njegova prisutnost remeti linearni porast pritiska sa dubinom.

Pored toga, gasovi mogu stvoriti mehure u sistemu merenja, što dodatno komplikuje očitavanja i može dovesti do pogrešnog zaključka o stanju tla.

Geometrija i konfiguracija bušotine

Na pritisak u bušotini može da utiče i način na koji je bušotina izvedena. Na primer, ako bušotina nije pravilno obložena (npr. cevima i filterima), dolazi do kolapsa zidova, zatvaranja pora ili neadekvatnog kontakta sa vodonosnim slojem. To sve doprinosi da instrumenti za merenje pritiska (kao što su piezometri) ne registruju stvarne vrednosti.

Takođe, ako je bušotina izvedena u slojevima koji nisu u hidrauličkoj vezi, npr. glina iznad peska, merenje pritiska u gornjem sloju neće odražavati stvarno hidrostatičko stanje u donjem sloju.

2. Implikacije

Ove razlike između teorijskih i stvarnih vrednosti pritiska imaju značajne implikacije na inženjerske proračune, projektovanje temelja, određivanje nivoa podzemne vode, kao i na stabilnost kosina i zemljanih konstrukcija.

Na primer, ako se prilikom projektovanja temelja koristi pretpostavka da je pritisak 1 bar na 10 m, a u stvarnosti je on 30% manji, može doći do pogrešne procene sile dizanja uzrokovane porama vode (tzv. uplift). To može ugroziti stabilnost konstrukcije.

Slično, u geotehničkom projektovanju nasipa, tunela ili podzemnih objekata, pogrešna procena pornog pritiska može dovesti do nepreciznih proračuna faktora sigurnosti.

U hidrogeologiji, pogrešno tumačenje nivoa podzemnih voda može dovesti do pogrešnog upravljanja vodnim resursima, kao i neadekvatnog postavljanja bunara.

3. Zašto je ovo važno za vas

Bez obzira da li ste geolog, inženjer, izvođač radova ili vlasnik parcela, razumevanje stvarnog ponašanja pritiska tla u bušotinama vam može pomoći da donesete bolje odluke. Ako ste izvođač radova, ovo znanje vam omogućava da pravilno interpretirate rezultate piezometarskih merenja.

Ako ste projektant, bićete u mogućnosti da preciznije modelujete ponašanje tla pod opterećenjem. Vlasnici parcela koji planiraju bunare ili gradnju objekata mogu bolje razumeti koliko duboko i gde kopati, kao i šta očekivati u pogledu vodosnabdevanja.

Takođe, u poljoprivredi i navodnjavanju, razumevanje gde se nalazi stvarni nivo podzemne vode i kako se menja kroz sezonu, zavisi od ispravnog očitavanja pritisaka u bušotinama.

4. Kako se to primenjuje na terenu

Na terenu se koristi više metoda za određivanje pritiska u bušotinama, uključujući piezometre (otvorene i zatvorene), manometre, kao i automatske digitalne sonde. Da bi merenje bilo tačno, bušotina mora biti pravilno izvedena i u kontaktu sa vodonosnim slojem.

Prilikom interpretacije rezultata, treba uzeti u obzir sezonske promene, padavine, temperaturne oscilacije i lokalnu geologiju. Takođe se koristi korekcija rezultata u odnosu na nadmorsku visinu i gustinu vode (koja može varirati sa temperaturom i hemijskim sastavom).

U praksi, najpouzdaniji način da se utvrdi stvarni pritisak jeste dugoročno praćenje nivoa podzemne vode u piezometrima. Tako se dobija realna slika o dinamici pritiska i njegovim odstupanjima od standardne vrednosti.

Takođe, geotehnički inženjeri koriste merenja pornih pritisaka za određivanje efektivnih napona u tlu. Efektivni napon je razlika između ukupnog napona i pornog pritiska, i on određuje nosivost tla. Ako se porni pritisak preceni zbog pogrešne pretpostavke od 1 bar/10 m, može doći do pogrešnog proračuna nosivosti.

Na terenu se često susreću i fenomeni poput oscilacija nivoa podzemne vode usled crpljenja, infiltracije ili sezonskih promena. Sve to utiče na trenutne vrednosti pritiska, koje mogu odstupati od dugoročnog proseka.

Zbog toga se preporučuje kombinacija direktnih merenja, laboratorijskih ispitivanja uzoraka tla i geofizičkih metoda za sveobuhvatnu procenu tla i pritiska. Samo tako se može dobiti precizan i koristan inženjerski model.

Zaključno, iako je pritisak od 1 bar na svakih 10 m dubine korisna aproksimacija, stvarnost na terenu je kompleksnija. Razumevanje zašto dolazi do odstupanja i kako ih interpretirati, ključni su za uspešno planiranje, projektovanje i izvođenje radova u oblasti bušenja, hidrogeologije i geotehnike.

Za sve dodatne informacije i pomoć, obratite se bunar.rs na broj telefona 064 669 4209.