Akademia Górniczo - Hutnicza

w Krakowie

im. Stanisława Staszica

GEOMECHANIKA GRUNTÓW

SPRAWOZDANIE 4

TEMAT:

„Oznaczenie podstawowych parametrów skał sypkich oraz ich stanów zagęszczenia i zawilgocenia”.

Wydział Górniczy

I Ś rok 2 RIwKŚ

Chudzikiewicz Marcin

Badanie przeprowadziliśmy na próbkach skały sypkiej znajdującej się w stanie naturalnym np.: próbkach piasku wilgotnego.badanie obejmuje określenie następujących

OZNACZENIE WILGOTNOŚCI NATURALNEJ.

Wilgotność naturalna skały sypkiej to stosunek masy wody zawartej w porach gruntu w stanie naturalnym do masy szkieletu gruntowego. Obliczamy ją korzystając ze wzoru:

m_w - masa próbki wilgotnej [g]

m_s - masa próbki wysuszonej [g]

m_t - masa próbki wysuszonej [g]

m_st - masa parowniczki z próbką suchą [g]

m_ws - masa parowniczki z próbką wilgotną [g]

Oczywiście my wilgotność gruntu przyjęliśmy jako średnią arytmetyczną wyników badań dwóch próbek danego rodzaju skały.

PRZEBIEG DOŚWIADCZENIA.

Dwie próbki skalne umieściliśmy w dokładnie wysuszonych i wyważonych parowniczkach „m_t” i zważyliśmy z dokładnością do 0,01 g. Następnie oznaczone próbki suszyliśmy w temperaturze 105 - 110 °C. Próbkę ważyliśmy do tej pory aż udało nam się uzyskać stałą masę próby - zgodność wyników dwóch kolejnych ważeń.

OBLICZENIA.

DANE:

	Numery parowniczek
		1	2
mt - masa parowniczki z cylindrem [g]	151,12	150,2
mwt - masa parowniczki z gruntem wilgotnym [g]	215,21	223,59
mst - masa parowniczki z gruntem suchym, po 24 h. [g]	214,65	223
W - wilgotność naturalna [%]	[(215,21-214,65)/ /(214,65-151,12)]*100=0,881	[(223,59-223)/ /(223-150,2)]*100=0,810
Wn - wilgotność naturalna uśredniona jako średnia arytmetyczna [%]	0,846

TABELA 1. OZNACZENIE WILGOTNOŚCI NATURALNEJ.

OZNACZENIE GĘSTOŚCI OBJĘTOŚCIOWEJ.

Gęstość objętościowa ρ jest to stosunek masy próbki gruntu do jej objętości. Zgodnie ze wzorem:

m_t - masa cylindra , [g]

m_mt - masa cylindra z gruntem [g]

ρ - gęstość objętościowa gruntu [g/cm³]

V - objętość wewnętrzna cylindra [cm³]

Doświadczenie nasze polegało na wyznaczeniu tej wielkości poprzez wciskanie w grunt znormalizowanego pierścienia o jednej krawędzi ściętej.

Pierścień ten posiadał wymiary:

Średnica wewnętrzna pierścienia - 38mm.

Wysokość pierścienia 42 mm.

,skąd objętość wewnętrzna cylindra wyniosła 47,607 [cm³]

Następnie pierścienie wcisnęliśmy w grunty tak aby między gruntem a pierścieniem nie powstały szczeliny, oczyściliśmy je z zewnątrz i wyrównaliśmy powierzchnie próbek równo z krawędziami. Następnie dokonaliśmy ważenia.

Pomiary wykonaliśmy dla dwóch próbek gruntu. Wyniki pomiarów i obliczeń zestawiliśmy w TABELI 2.

	Numery gruntów
		1	2
mt - masa pierścienia [kg]	0,150	0,151
mmt - masa pierścienia z gruntem[kg]	0,215	0,223
V - objętość wewnętrzna pierścienia [m^3]	0,000047609
ρ - gęstość objętościowa gruntu [kg/m^3]	(0,215-0,150)/ 0,000047609=1365,28	(0,223-0,151)/ 0,000047609=1512,32

TABELA 2.

ρ=(1365,28+1512,32)/2=1438,8

CIĘŻAR OBJĘTOŚCIOWY γ SKAŁY SYPKIEJ.

γ=ρ * g

γ - ciężar objętościowy kN/m³

ρ- gęstość objętościowa kg/m³

g - przyśpieszenie ziemskie, g=9,81 m/s²

γ=14,114 kN/m³

OZNACZENIE WSKAŹNIKÓW POROWATOŚCI.

Wskaźnik porowatości „e” określa stosunek objętości porów do objętości szkieletu gruntowego. Oczywiście wartości tego parametru zależą od stopnia zagęszczenia próbki skalnej. Do określenia odpowiednich wskaźników porowatości maksymalnej i minimalnej wykorzystuje się znormalizowane naczynie metalowe w kształcie cylindra wraz z tłoczkiem i metalowe widełki wibracyjne. Cylinder posiada wymiary wewnętrzne:

• średnica 71 mm

• wysokość 125 mm

• grubość tłoka 16 mm

• masa m_t 1296 g

• objętość cylindra V=0,000495 m³

PRZEBIEG DOŚWIADCZENIA.

Badania przeprowadzaliśmy dla dwóch rodzajów gruntu.

Z gruntu przeznaczonego do badań pobraliśmy próbkę i wsypaliśmy do cylindra, zgodnie z instrukcją. Po napełnieniu naczynia gruntem wyrównaliśmy powierzchnię równo z krawędzią cylindra i całość zważyliśmy (m_st).

Następnie na powierzchni gruntu w naczyniu ułożyliśmy tłoczek i uderzając widełkami wibracyjnymi o ścianki naczynia, przeprowadziliśmy zagęszczenie gruntu (ok.1 min.). grunt uznaliśmy za zagęszczony gdy 3 pomiary za pomocą suwmiarki po każdorazowym dodatkowym zagęszczeniu nie wykazały dużych odchyleń.

WYZNACZENIE PODSTWOWYCH PARAMETRÓW SKAŁ NA PODSTAWIE PRZEPROWADZONYCH PRÓB.

GĘSTOŚĆ OBJĘTOŚCIOWA SZKIELETU GRUNTOWEGO PRZY MAJLUŹNIEJSZYM UŁOŻENIU ZIAREN.

m_st - masa naczynia z gruntem [kg]

m_t - masa naczynia [kg]

V - objętość naczynia [m³]

ρd_min - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego przy najluźniejszym ułożeniu ziaren [kg/m³]

ρd_min1= (2,114-1,296)/0,000495=1653,7 [kg/m³]

ρd_min2= (1,996-1,296)/0,000495=1415,147 [kg/m³]

GĘSTOŚĆ OBJĘTOŚCIOWA SZKIELETU GRUNTOWEGO PRZY NAJGĘŚCIEJSZYM UŁOŻENIU ZIARN.

Wyznacza się ją prawie analogicznie jak poprzednią z tą poprawką że następuje zmniejszenie objętości próbki w cylindrze wskutek wibrowania, ΔV [m³]. Zmianę tejże objętości możemy wyznaczyć znając zagłębienia tłoka w próbce pod wpływem wibracji.

Wynoszą one odpowiednio dla badanych próbek gruntu

	Próbka nr 1		Próbka nr 2
Maksymalne zagłębienie tłoka [m]	0,0166 0,01727 0,01728 0,01728		0,02225 0,02225 0,02226
V [m^3]	0,000495
Zmiana objętości gruntu [m^3] V-ΔV [m^3]	0,000426		0,000406
ΔV [m^3]	0,000070	0,000088
ρdmax1	(2,114-1,296)/0,000426=1918,98 [kg/m^3]
ρdmax2		(1,996-1,296)/0,000406=1721,59 [kg/m^3]

ρd_max1= 1918,98 [kg/m³]

ρd_max2= 1721,59 [kg/m³]

WSKAŹNIK POROWATOŚCI PRZY NAJLUŹNIEJSZYM UŁOŻENIU ZIARN.

ρd_min - gęstość objętościowa szkieletu przy najluźniejszym ułożeniu ziaren [kg/m³]

ρ₀ - gęstość właściwa gruntu (stosunek masy szkieletu gruntowego do jego objętości); w obliczeniach dla skały sypkiej możemy i przyjmujemy ρ₀=2650 [kg/m³]

	Grunt nr 1	Grunt nr 2
ρ0 [kg/m^3]	2650
ρdmin1	1653,7
ρdmin2		1415,147
emax	(2650-1653,7)/1653,7= 0,602	(2650-1415,147)/1415,147= 0,873

WSKAŹNIK POROWATOŚCI PRZY NAJGĘŚCIEJSZYM UŁOŻENIU ZIAREN.

ρd_min - gęstość objętościowa szkieletu przy najgęściejszym ułożeniu ziaren [kg/m³]

ρ₀ - gęstość właściwa gruntu (stosunek masy szkieletu gruntowego do jego objętości); w obliczeniach dla skały sypkiej możemy i przyjmujemy ρ₀=2650 [kg/m³]

	Grunt nr 1	Grunt nr 2
ρ0 [kg/m^3]	2650
ρdmax1	1918,98
ρdmax2		1721,59
emin	(2650-1918,98)/ 1918,98 = 0,381	(2650-1721,59)/ 1721,59 = 0,539

Mając dane z poprzednich obliczeń wyznaczamy pozostałe parametry gruntu:

Obliczenia przeprowadzamy dla gruntu dla którego badaliśmy wilgotność naturalną - jest to próbka gruntu nr 1.

GĘSTOŚĆ OBJĘTOŚCIOWA SZKIELETU GRUNTOWEGO W STANIE NATURALNYM.

=100*1438,8/(100+0,846)=1426,72 [kg/m³]

CIĘŻAR OBJĘTOŚCIOWY SZKIELETU GRUNTOWEGO W STANIE NATURALNYM.

γ_d=ρ_d * g = 1426,72 * 9,81 = 13996,21 [N/m³]

POROWATOŚĆ GRUNTU W STANIE NATURALNYM.

P=V_p/V=(ρ₀-ρ_d)/ ρ₀

ρ₀ - gęstość właściwa cząstek gruntu , kg/m³

ρ_d - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego, kg/m³

V_p - objętość porów w próbce, m³

V - objętość całej próbki , m³

P=(2650-1426,72)/2650=0,461

WSKAŹNIK POROWATOŚCI NATURALNEJ „e”.

e=V_p/V_s=P/(1-P)= (ρ₀ - ρ_d)/ ρ_d

V_s - objętość szkieletu gruntowego, m³

e=0,75

CIĘŻAR OBJĘTOŚCIOWY GRUNTU CAŁKOWICIE ZAWODNIONEGO „γ_Sr”.

γ_Sr=[(1-P)* ρ₀ + P*ρ_w]*g

ρ_w - gęstość wody , około 1000 kg/m³

γ_Sr=[(1-0,461)*2650 + 0,461*1000]*9,81=18,534 kN/m³

CIĘŻAR OBJĘTOŚCIOWY GRUNTU POD ZWIERCIADŁEM WODY Z UWZGLĘDNIENIEM WYPORU WG PRAWA ARCHIMEDA „γ'”.

γ'=(1-P)*( ρ₀ - ρ_w)*g
(ρ_Sr-ρ_w)*g

ρ_Sr - gęstość objętościowa gruntu zawodnionego , kg/m³

γ'=(1-0,461)*(2650-1000)*9,81=8,724 kN/m³

STOPIEŃ ZAGĘSZCZENIA GRUNTÓW SYPKICH „J_d”.

e_min - wskaźnik porowatości minimalnej

e_max - wskaźnik porowatości maksymalnej

e - wskaźnik porowatości naturalnej

J_d=0,12

Stan gruntu sypkiego w zależności od stopnia zagęszczenia wynosi <0.33 czyli jest to grunt luźny.

STOPIEŃ WILGOTNOŚCI „S_r”

S_r= V_w/V_sr=W_n*ρ₀/100*e*ρ_w=e*ρ_w/ρ₀=0,28

,czyli jest to grunt suchy lub mało wilgotny ponieważ S_r zawiera się w przedziale (0;0,4>.

WNIOSKI:

Wiadomo, że ośrodki gruntowe różnią się między sobą i to pod względem chemicznym i fizycznym. W naszym doświadczeniu badaliśmy właściwości gruntu. Badanie przeprowadziliśmy na próbkach zawilgoconych i suchych gruntu. Wykonaliśmy ocenę zawilgocenia naturalnego próbki skały. Okazało się, że zawilgocenie naturalne wynosi około 0,84 %. Jest to bardzo mało. Oczywiście pomiar nawilgocenia byłby dokładniejszy gdybyśmy dokonali pomiarów w warunkach naturalnych. Ponadto duże rozbieżności które powstały przy pomiarach świadczą o tym, że bardzo ważne jest wykonanie pomiarów a przede wszystkim bardzo dokładny pomiar wagi gruntu.

Określenie gęstości objętościowej „ρ” daje nam już większe możliwości co do określenia rodzaju skały. W wyniku obliczeń okazało się, że badana próbka miała strukturę niezbyt zwięzłą. „ρ” wyniosło około 1440 kg/m³.

Oznaczenie wskaźników porowatości okazało się bardziej ciekawe, mianowicie dokonaliśmy obliczeń dla dwóch danych nam rodzajów gruntu. Jeden z tych gruntów (nr 1) był suchy, a druga próbka miała inny układ ziaren i do tego była silnie nawilgocona.

Udało nam się zaobserwować bardzo ciekawe zjawisko. Mianowicie do tej samej objętości nasypaliśmy gruntu nr 1 i gruntu nr 2. Więcej ważyła próbka nr 1 (suchsza) aniżeli nr 2. Ponadto po przeprowadzeniu zagęszczenia okazało się, że zagłębienie tłoczka w próbce nr 2 jest większe. W wyniku obliczeń otrzymaliśmy wartości gęstości objętościowej przy najgęściejszym u łożeniu ziaren. Próbka sucha miała większą gęstość.

Świadczy to o tym że w próbce nr 2, czyli bardziej nawilgoconej występują większe siły między poszczególnymi ziarnami - większa spójność gruntu. Waga zaś świadczy o tym że nasypany grunt mokry do cylindra posiadał więcej „pęcherzyków” powietrza aniżeli próbka sucha. Czyli posiadał więcej porów, możemy dojść też do prostego wniosku, mianowicie utworzone wolne przestrzenie między ziarenkami gruntu, tworzyły struktury zamknięte i dosyć trwałe ponieważ dopiero po przeprowadzeniu procesu zagęszczenia próbka „silnie” zmieniła swoją objętość.

Czyli grunt poddany przez nas badaniu wykazał ciekawe właściwości ale żeby odnieść je do wszystkich rodzajów gruntu należałby przeprowadzić jeszcze inne doświadczenia.

Jedyna konkluzja jaka nam się nasunęła to taka, że właściwości fizyczne gruntu na pewno zależą od stopnia wypełnienia porów fazą ciekłą i gazową itd.

Ponadto logicznym wydaje się fakt że wskaźnik porowatości przed zagęszczeniem próbki jest większy niż po jej zagęszczeniu. Gęstość objętościowa gruntu w stanie naturalnym jest zbliżona do gęstości dość drobnego piasku. Ponadto okazuje się że grunt ten jest słabo wilgotny, ale biorąc pod uwagę fakt że doświadczenie było powtarzane zbyt małą ilość razy (do tego na dość „zużytym” sprzęcie) aby wyniki, które uzyskaliśmy posiadały jakąś większą, uniwersalną wartość. Jednakże na pewno są one zbliżone do pożądanych. Ponadto zwrócić należy uwagę na fakt, że przyjęliśmy do obliczeń „ρ₀” - gęstość właściwa cząstek gruntu dla piasku 2650 kg/m³, lecz pewni być nie możemy czy badany przez nas grunt faktycznie był piaskiem. W naszych obliczeniach nie wzięliśmy też pod uwagę zachowania fazy gazowej piasku.

Stwierdzamy także fakt, że woda zawarta w danej próbce gruntu wpływa w dużym stopniu na jej wytrzymałość (wpływa również na pęcznienie gruntu - wpływa w dużym stopniu na objętość), następnie że porowatość zależy w dużym stopniu od ułożenia ziaren (próba zagęszczania), a także to że grunt w różnych warunkach może mieć różne własności.

2

---