SPRAWOZDANIE

z laboratorium z fizyki skał i gruntów

Numer ćwiczenia: 2

Data wykonania ćwiczenia: 5.12.2012r.

Ćwiczenie wykonali:

Łukasz Ładak

Hubert Malicki

Ćwiczenie 2

Temat: Oznaczanie podstawowych parametrów skał sypkich oraz ich stanów zagęszczenia i zawilgocenia.

1. Wstęp teoretyczny.

Wilgotność naturalna skały sypkiej jest to stosunek masy wody zawartej w porach gruntu w stanie naturalnym do masy szkieletu gruntowego. Badanie polegało umieszczeniu dwóch próbek skalnych (wilgotnego piasku) w dokładnie wysuszonych i wyważonych parowniczkach i następnie zważeniu tak przygotowanych próbek. Kolejnym etapem było suszenie w temperaturze 105-110 st. C, wykonując ważenia kontrolne. Kiedy osiągnięto stałą masę próbek po około 20-30 min można było przystąpić do obliczeń.

Wilgotność naturalną wyznacza się ze wzoru:

gdzie:

W_n – wilgotność naturalna próbki [%],

m_wt – masa parowniczki z gruntem wilgotnym [g],

m_st – masa parowniczki z gruntem suchym [g],

m_t – masa parowniczki [g].

Gęstość objętościowa jest to stosunek masy próbki skalnej do jej objętości. Pomiar gęstości objętościowej wykonuje się w ten sposób, że wcześniej zmierzony i zważony metalowy pierścień wciska się w próbkę skalną, tak aby szczelnie wypełniła całą przestrzeń. Po wyrównaniu nadmiaru gruntu na powierzchni pierścienia przy użyciu noża, można było przystąpić do ważenia. Dla dokładności pomiarów wykonano dwie próby.

Dla wyznaczenia gęstości objętościowej i ciężaru objętościowego stosuje się następujące wzory:

gdzie:

ρ - gęstość objętościowa gruntu [kg/m³],

m_st – masa pierścienia wraz z gruntem [kg],

m_t – masa pierścienia [kg],

V - objętość wewnętrzna cylindra [m³].

gdzie:

γ - ciężar objętościowy [kN/m³],

ρ - gęstość objętościowa gruntu [kg/m³],

g – przyspieszenie ziemskie, g=9,81m/s².

Wskaźnik porowatości określa stosunek objętości porów do objętości szkieletu gruntowego, natomiast porowatość to stosunek objętości porów w próbce skały do objętości całej próbki. Do wyznaczenia wskaźników porowatości maksymalnej i minimalnej wykorzystuje się specjalny metalowy cylinder wraz z tłoczkiem oraz metalowe widełki wibracyjne. Do przeprowadzenia ćwiczenia konieczne były wymiary cylindra oraz tłoka. Próbkę gruntu suchego wsypano do cylindra powoli i pod kątem, tak aby uzyskać odpowiednie zagęszczenie piasku. Całość zważono i następnie przeprowadzono zagęszczanie za pomocą widełek wibracyjnych, uderzając w ścianki cylindra do momentu, w którym tłoczek ustawiony na powierzchni cylindra z piaskiem, przestał się zagłębiać. Po zmierzeniu głębokości, na jaką zanurzył się tłoczek, można było określić objętość zagęszczonego gruntu i porównać ją z objętością cylindra. Dla dokładności pomiarów próbę przeprowadzono dwukrotnie.

Wyznaczając wskaźnik porowatości oraz inne parametry skał sypkich należało skorzystać z poniższych wzorów:

gdzie:

ρ_dmin – gęstość objętościowa szkieletu gruntowego przy najluźniejszym ułożeniu ziarn [kg/m³].

gdzie:

ρ_dmax – gęstość objętościowa szkieletu gruntowego przy najgęstszym ułożeniu ziarn [kg/m³],

ΔV – zmniejszenie objętości próbki w cylindrze wskutek wibrowania [m³].

gdzie:

e_max – wskaźnik porowatości maksymalnej,

ρ₀ – gęstość właściwa gruntu, ρ₀ = 2650 [kg/m³]

gdzie:

e_min – wskaźnik porowatości minimalnej.

gdzie:

ρ_d – gęstość objętościowa szkieletu gruntowego w stanie naturalnym [kg/m³]

gdzie:

γ_d – ciężar objętościowy szkieletu gruntowego w stanie naturalnym [kN/m³]

gdzie:

P – porowatość gruntu.

gdzie:

e – wskaźnik porowatości

gdzie:

γ_Sr – ciężar objętościowy gruntu całkowicie zawodnionego [kN/m³]

gdzie:

γ’ – ciężar objętościowy gruntu pod wodą [kN/m³]

gdzie:

J_d – stopień zagęszczenia gruntów sypkich.

W zależności od stopnia zagęszczenia wyróżniamy tzw. stany gruntów sypkich:

J_d 0,33 – grunt luźny,

0,33 < J_d 0,67 – grunt średnio zagęszczony,

0,67 < J_d 1,00 – grunt zagęszczony

gdzie:

S_r – stopień wilgotności

W zależności od stopnia wilgotności wyróżniamy następujące zawilgocenia gruntów sypkich:

0 < S_r 0,40 – grunt suchy lub mało wilgotny,

0,40 < S_r 0,80 – grunt wilgotny,

0,80 < S_r 1,00 – grunt mokry.

2. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia było wyznaczenie pewnych parametrów dotyczących skał sypkich. Badanie zostało przeprowadzone na próbkach gruntu znajdującego się w stanie naturalnym. W naszym przypadku był to piasek drobny w różnych stanach zawilgocenia – suchy i mokry.

Parametry do wyznaczenia:

• Wilgotność naturalna W _n

• Gęstość objętościowa 𝜌

• Ciężar objętościowy 𝛾

• Gęstość objętościowa próbki gruntu: maksymalna 𝜌 _{d max} , minimalna 𝜌 _{d min}

i w stanie naturalnym 𝜌 _d

• Ciężar objętościowy próbki gruntu w stanie naturalnym

• Wskaźnik porowatości maksymalnej e _max i minimalnej e _min

• Porowatość P i wskaźnik porowatości w stanie naturalnym e

• Ciężar objętościowy gruntu całkowicie zawodnionego 𝛾 _Sr

• Ciężar objętościowy szkieletu gruntu pod wodą 𝛾’

• Stopień zagęszczenia J_d oraz stan zagęszczenia

• Stopień wilgotności S_r oraz stan zawilgocenia

3. Opracowanie wyników.

Oznaczenie wilgotności naturalnej

Rodzaj gruntu:	Piasek - grunt sypki
Nr parowniczki	1
mt - masa parowniczki, g	65,02 g
mwt - masa parowniczki z gruntem wilgotnym, g	119,63 g
Wrażenia kontrolne: II pomiar parowniczki z piaskiem po 20 minutach III pomiar parowniczki z piaskiem po 40 minutach	116,88 g 116,82 g
mst - masa parowniczki z gruntem suchym, g	116,82 g
Wn - wilgotność naturalna próbki, %	5,42 %
Wnśr - średnia wilgotność dla danego rodzaju skały, %	5,595 %

Oznaczenie gęstości objętościowej i ciężaru objętościowego

Rodzaj gruntu:	Piasek - grunt sypki
d - średnica pierścienia, m	37,64 mm
h – wysokość pierścienia, m	41,10 mm
V- objętość pierścienia, m^3	0,00004571 m^3
mt – masa pierścienia, kg	0,07845 kg
mmt – masa pierścienia z gruntem, kg	0,15516 kg
ρ – gęstość objętościowa próbki gruntu, kg/ m^3	1678,189 kg/m^3
γ – ciężar objętościowy próbki gruntu, kN/ m^3	16,463 kN/ m^3
ρ – gęstość objętościowa średni, kg/m^3	1691, 588 kg/ m^3
γ – ciężar objętościowy średni, kN/ m^3	16,594 kN/ m^3

Oznaczenie wskaźników porowatości

Rodzaj gruntu:	Piasek – grunt sypki
d - średnica cylindra, m	0,07103 m
h – wysokość cylindra, m	0,12556 m
V - objętość cylindra, m^3	0,00049728 kg/ m^3
h1 – grubość tłoka, m	0,01615 m
mt – masa cylindra, kg	1,14505 kg
mst – masa cylindra z gruntem, kg	1,907 kg
Δ h – max. wgłębienie tłoka, m	0,02446 m
Δ V – zmiana objętości gruntu, m^3	0,0001608 m^3
ρ d min – gęstość objętościowa min., kg/ m^3	1532,24 kg/ m^3
ρ d max – gęstość objętościowa max., kg/ m^3	2264,47 kg/ m^3
e max – wskaźnik porowatości maksymalnej	0,7295
e min – wskaźnik porowatości minimalnej	0,1703
e max – średni wskaźnik porowatości maksymalnej	0,7250
e min – średni wskaźnik porowatości minimalnej	0,1555
ρd - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego w stanie naturalnym, kg/ m^3	1601,958 kg/ m^3
γd - ciężar objętościowy szkieletu gruntowego w stanie naturalnym, kN/ m^3	15,715 kN/ m^3
P – porowatość gruntu w stanie naturalnym	0,395
e – wskaźnik porowatości naturalnej	0,654
γSr - ciężar objętościowy gruntu całkowicie zawodnionego, kN/m^3	19,602 kN/ m^3
γ' - ciężar objętościowy szkieletu gruntu pod wodą, kN/ m^3	9,792 kN/ m^3
Jd – stopień zagęszczenia gruntu	0,125
Stan gruntu	luźny
Sr – stopień wilgotności	0,227
Stan zawilgocenia	mało wilgotny

4. Obserwacje i wnioski.

Na podstawie uzyskanych wyników, stwierdziliśmy, iż badany przez nas grunt był gruntem luźnym, ponieważ stopień jego zagęszczenia Jd= 0,125 (a wartość ta jest mniejsza od 0,33). Opierając się na otrzymanych wynikach, stwierdziliśmy również, że grunt był mało wilgotny, gdyż stopień wilgotności Sr=0,227, czyli mieści się w 0 < Sr < 0,40. Otrzymane przez nas wyniki mogą nieco odbiegać od rzeczywistych wartości, gdyż podczas wykonywania badań miałyśmy problemy z odpowiednim usypaniem piasku w cylindrze (pomimo kilku prób nadal nie mogliśmy otrzymać wyniku zbliżonego do 1910g).Znaczący wpływ na pomiary mogła mieć praca maszyny wibracyjnej na sąsiednim stanowisku, która sprawiała duże wahania wagi i zagęszczanie się piasku w cylindrze. Dzięki znajomości stopnia zagęszczenia gruntu oraz innych parametrów gruntu jesteśmy w stanie przygotować się do wykonania odpowiednich robót budowlanych, takich jak np. fundamentowanie oraz wiele innych.