SPRAWOZDANIE NR 4

Temat: Oznaczanie ściśliwości gruntu.

Maciej Szuba

Gr. 2 II rok geologii

1. Wstęp.

Ściśliwość gruntu jest to zdolność gruntu do zmniejszania swojej objętości pod wpływem przyłożonego obciążenia. Miarą ściśliwości jest moduł ściśliwości, dla którego zależność między obciążeniem a odkształceniem wyraża się zawsze w postaci linii krzywej. Grunt nie jest ciałem sprężystym dlatego odkształcenia zachodzące w nim pod wpływem przyłożonych obciążeń są sumą odkształceń sprężystych oraz trwałych. Wynikiem tego jest to, że krzywa ściśliwości gruntu (krzywa zależności zmian wysokości od obciążenia) nie pokrywa się z krzywą odprężenia. Zmniejszanie się objętości gruntu pod wpływem wzrostu wartości przyłożonego obciążenia jest wynikiem wielu procesów zachodzących w gruntach, takich jak:

• zmniejszanie się objętości porów na skutek wzajemnego przesuwania cząstek gruntu,

• zmniejszanie się grubości warstwy podwójnej (częściowo w skutek jej zagęszczenia oraz usuwania części wody)

• zagęszczenie lub usunięcie powietrza

• odkształcenie się cząstek

Natomiast ogólna ściśliwość gruntów (wielkość ściśliwości) zależy od wielu czynników. Jednak do najważniejszych z nich możemy zaliczyć:

• skład granulometryczny gruntu

• porowatość

• wilgotność

• skład mineralny – zwłaszcza frakcji iłowej

• skład kompleksu wymiennego

• skład chemiczny

• stopień mineralizacji wody porowej

• tekstura gruntu

• struktura gruntu

Badania ściśliwości gruntów w laboratorium przeprowadza się w edometrach. W tych przyrządach próbka gruntu znajduje się w metalowym pierścieniu w którym nie ma możliwości rozszerzania się na boki. W związku z tym obciążenie wywierane na próbkę powoduje tylko jej odkształcenie pionowe, a więc zmianę wysokości.

Zmiana wysokości próbki przy stałym jej przekroju jest wprost proporcjonalna do zmian jej objętości. Dlatego, też ściśliwość gruntu jest charakteryzowana przez zmianę wysokości próbki w edometrze. Podstawowy cykl badania w edometrze polega na zwiększaniu obciążenia próbki do określonej wartości, odciążeniu oraz powtórnym obciążeniu. Ściśliwość gruntu możemy scharakteryzować przez: krzywą ściśliwości (wyrażająca zależność zmian wysokości próbki do przyłożonego obciążenia), moduł ściśliwości oraz krzywe konsolidacji. Krzywe konsolidacji wyrażają zmianę objętości gruntów spoistych wywołanych działaniem przyłożonych obciążeń zewnętrznych. Dokładniej charakteryzują przebieg osiadania w czasie.

1. Przeprowadzenie przyjętej metody badawczej.

1. W przypadku badania gruntu o nienaruszonej strukturze wycinamy z niego za pomocą pierścienia dwudzielnego (z wmontowanym i wycechowanym pierścieniem edometrycznym) próbkę gruntu. Próbka gruntu przed badaniem powinna mieć średnice większą niż a stosunek wysokości próbki do jej średnicy powinien mieścić się w granicach 3-4. Następnie po odjęciu obu części pierścienia tnącego wyrównujemy powierzchni gruntu równo z brzegami pierścienia edometrycznego, prowadząc nóż zawsze od środka pierścienia do jego krawędzi.

2. W przypadku gruntu o strukturze naruszonej, próbkę gruntu w postaci wykonanej z gruntu jednolitej pasty o odpowiedniej wilgotności umieszczamy bezpośrednio w pierścieniu edometru.

3. Ważymy pierścień edometru z gruntem oraz zagotowujemy otrzymaną wartość. W między czasie bierzemy dwie próbki gruntu w celu oznaczenia wilgotności.

4. Na dolnym filtrze edometru umieszczamy zwilżony sączek z bibuły filtracyjnej. Na nim zaś stawiamy pierścień z gruntem i przykrywamy górną powierzchnię gruntu zwilżonym sączkiem z bibuły filtracyjnej. Sączki powinny mieć średnice o mniejszą od średnicy próbki.

5. Na pierścień nakładamy oprawkę edometru oraz górny filtr. Oprawkę umocowujemy dokładnie śrubami.

6. Na oprawkę i górny filtr nakładamy gumową osłonę, chroniąc próbkę przed wysychaniem.

7. Ustawiamy czujnik (czujniki), stawiając jego nóżkę na specjalnej podstawce opartej o filtr główny poprzez kulkę przekaźnikową i trzpień. Czujnik będzie rejestrował zmiany wysokości próbki.

8. Zaciskamy śrubę dociskową trzpienia. Poczym odczytujemy wskazanie czujnika, przyjmując tzn. odczyt za zerowy (przy obciążeniu 0). Pomiar z czujnika (czujników) zapisujemy na formularzu.

9. Na trzpień nakładamy ramę obciążająca z wieszakiem, uzyskując obciążenie 12,5 [kPa] czyli 0,125 [kG/cm².]

10. Odkręcamy śrubę dociskową trzpienia i notujemy odczyty z czujnika (czujników) po upływie następujących czasów: 1, 2, 5, 15 i 30 minut, 1, 2, 4, 6 i 24 godzin, a następnie co 24 godziny, aż do chwili osiągnięcia umownej stabilizacji osiadań. Za umowna stabilizację osiadań przyjmuje się taki moment, gdy zmiana wysokości próbki nie przekroczyła w ciągu 1-4 godzin – dla gruntów mało spoistych i średnio spoistych oraz zwięzło spoistych oraz 4-24 godzin dla gruntów bardzo spoistych i organicznych.

11. Po osiągnięciu stabilizacji osiadań przy danym stopniu obciążenia przykładamy następne obciążenie, zwykle jest ono dwukrotnie wyższe od wcześniejszego. Na ogół obciąża się próbkę kolejno stopniami: 12,5; 25; 50; 100; 200; 400 kPa. Przy każdym obciążeniu notujemy wskazania czujnika (jak w punkcie powyżej).

12. Różnica odczytów na czujniku po osiągnięciu stabilizacji i przed przyłożeniem danego obciążenia daje wielkość zmiany wysokości próbki Δh.

13. Po osiągnięciu stabilizacji osiadań przy ostatnim stopniu obciążenia odciążamy próbkę do wartości 12,5 kPa (również stopniami), prowadząc pomiary jej odkształceń aż do osiągnięcia umownej stabilizacji.

14. w przypadku gdy badania przewidują określenie ściśliwości wtórnej gruntu, po odciążeniu próbki obciążamy ją ponownie postępując tak jak w punkcie XI i XII.

15. Po zakończeniu badania całkowicie odciążamy próbkę, poczym wyjmujemy z edometru pierścień i ważymy. Następnie

16. Wypychamy z pierścienia próbkę i oznaczamy jej wilgotność. Wszystkie uzyskane wyniki notujemy w formularzu.

17. Na podstawie uzyskanych danych wykonujemy odpowiednie obliczenia parametrów charakteryzujących ściśliwość a następnie wykonujemy wykres ściśliwości (w tym możemy też wykonać wykres ściśliwości wtórnej), wykres odprężenia oraz krzywe konsolidacji.

3. Otrzymane wyniki.

a) różnica odczytów Δh:

Δh = h_p – h_k

gdzie:

h_p - wysokość początkowa próbki przed przyłożeniem obciążenia [mm]

h_k - wysokość końcowa próbki, po osiągnięciu stabilizacji osiadania gruntu [mm]

I tak przy przyłożonym obciążeniu:

• δ_n=0,125 [kG/cm²] ; Δh wynosi Δh= 20 - 19,69 = 0,31 [mm]

• δ_n=0,250 [kG/cm²] ; Δh wynosi Δh= 19,69 - 19,5175 = 0,1725 [mm]

• δ_n=0,500 [kG/cm²] ; Δh wynosi Δh= 19,5175 - 19,375 = 0,1425 [mm]

• δ_n=1,000 [kG/cm²] ; Δh wynosi Δh= 19,375 - 19,15 = 0,225 [mm]

b) wysokość próbki h_I-1:

Wysokość próbki h_I-1 jest to wysokość pierwotna, tzn. początkowa próbki przed przyłożeniem do niej obciążenia.

I tak przed przyłożonym obciążeniem:

• δ_n=0,125 [kG/cm²] ; h_I-1 wynosi h_I-1=20,000 [mm]

• δ_n=0,250 [kG/cm²] ; h_I-1 wynosi h_I-1=19,69 [mm]

• δ_n=0,500 [kG/cm²] ; h_I-1 wynosi h_I-1=19,5175 [mm]

• δ_n=1,000 [kG/cm²] ; h_I-1 wynosi h_I-1=19,375 [mm]

c) przyrost obciążenia Δδ:

W tym przypadku po osiągnięciu stabilizacji osiadań przy danym stopniu obciążenia, następne przyłożone obciążenie jest dwukrotnie wyższe od wcześniejszego.

Próbki były obciążane kolejno stopniami: 0,125; 0,250; 0,500; 1,000 [kG/cm²].

I tak przy przyłożonym obciążeniu:

• δ_n=0,125 [kG/cm²] ; Δδ wynosi Δδ=0,125 [kG/cm²]

• δ_n=0,250 [kG/cm²] ; Δδ wynosi Δδ=0,125 [kG/cm²]

• δ_n=0,500 [kG/cm²] ; Δδ wynosi Δδ=0,250 [kG/cm²]

• δ_n=1,000 [kG/cm²] ; Δδ wynosi Δδ=0,500 [kG/cm²]

d) odkształcenie jednostkowe próbki ε:

Odkształcenie jednostkowe próbki jest to stosunek różnicy odczytów do średniej wysokości próbki, a więc:

, gdzie:

ε - odkształcenie jednostkowe próbki [bez wymiarowe]

h_I-1 - wysokość próbki [mm]

Δh - różnica odczytów [mm]

I tak przy przyłożonym obciążeniu:

• δ_n=0,125 [kG/cm²] ; ε wynosi ε = 0,0155

• δ_n=0,250 [kG/cm²] ; ε wynosi ε = 0,0088

• δ_n=0,500 [kG/cm²] ; ε wynosi ε = 0,0073

• δ_n=1,000 [kG/cm²] ; ε wynosi ε = 0,0116

e) edometryczny moduł ściśliwości ogólnej M_o:

a ponieważ nie uwzględniamy Η - kappa czyli współczynnika poprawkowego przesunięcia gruntu na ścianki pierścienia, to korzystamy z wzoru:

, gdzie:

M_o - edometryczny moduł ściśliwości ogólnej [kG/cm²]

Δδ - przyrost obciążenia w zakresie którego obliczamy moduł [kG/cm²]

ε - odkształcenie jednostkowe próbki [bez wymiarowe]

I tak przy przyłożonym obciążeniu:

• δ_n=0,125 [kG/cm²] ; M_o wynosi M_o = 8,06 [kG/cm²]

• δ_n=0,250 [kG/cm²] ; M_o wynosi M_o = 14,27 [kG/cm²]

• δ_n=0,500 [kG/cm²] ; M_o wynosi M_o = 34,24 [kG/cm²]

• δ_n=1,000 [kG/cm²] ; M_o wynosi M_o = 43,06 [kG/cm²]

4. Wnioski

Zastosowana laboratoryjna metoda badania ściśliwości gruntu nie jest niestety metoda dokładną. Przede wszystkim dlatego, że podczas wycinania pierścieniem próbek gruntu mogło dojść do naruszenia jego naturalnej struktury. Do tego typu sytuacji mogło też dojść podczas wkładania próbki do aparatu edometru. Inna przyczyną niedokładności tej metody jest możliwość zajścia odkształceń własnych edometru i właśnie dlatego wykorzystany edometr powinien przejść kontrolne polegająca na sprawdzeniu jego odkształceń własnych. W trakcie badan należy wyeliminować wszelkie czynniki mogące wpływać na obniżenie dokładności uzyskanych wyników. W celu ograniczenia wpływu działań dynamicznych edometry są instalowane na stabilnych podstawach. A w pomieszczeniach w których znajdują się edometry powinna być utrzymana w miarę stała temperatura. Powinno starać się też zniwelować wpływ działania Słońca (jedna z przyczyn dla których polecane jest trzymanie edometrów w „piwnicach”) oraz unikać wpływu temperatury ujemnej. Podczas przeprowadzania badania mogło dojść do popełnienia różnych błędów zarówno związanych z samym przyrządem a dokładniej z jego ograniczonością, niewłaściwą kalibracją przyrządu pomiarowego, jak też błędów popełnionych przez badacza czyli: nie rozczytywalny zapis pomiarowy, błędy odczyt pomiarów z czujnika, a także wiele innych podobnych „potknięć” do których mogło dojść podczas przygotowania próbki oraz przeprowadzania na niej badania.