Oznaczenie gęstości objętościowej, właściwej i wilgotności gruntu

OPIS TEORETYCZNY

Gęstością objętościową (ρ) gruntu nazywa się stosunek masy próbki gruntu (w stanie naturalnym) do jej objętości. Wyznacza się ją ze wzoru:

gdzie:

ρ - gęstość objętościowa [t/m³, g/cm³],
m_m - masa próbki gruntu w stanie naturalnym [t, g],
V - objętość badanej próbki gruntu [m³, cm³].

Gęstość objętościowa jest jednym z parametrów charakteryzujących strukturalno-teksturalne właściwości gruntów. Jej wartość zależy od składu mineralnego, porowatości i wilgotności gruntów. W zależności od rodzaju gruntu oraz stanu i wielkości próbki, przeznaczonej do badań, przy oznaczaniu gęstości objętościowej gruntu stosuje się jedną z czterech metod:

1) metodę pierścienia tnącego,
2) metodę rtęciową,
3) metodę wyporu hydrostatycznego ( parafinowania ),
4) metodę oznaczania gęstości objętościowej w cylindrze.

Pierwsze trzy metody stosuje się przy badaniu gruntów spoistych, drugą i trzecią również dla gruntów skalistych, metodę czwartą - przy badaniu gruntów niespoistych. Spośród wymienionych powyżej metod oznaczania gęstości objętościowej metoda pierścienia tnącego jest metodą najprostszą, najszybszą i przy dokładnym wykonaniu oznaczenia pozwala również na uzyskanie bardzo dokładnych wyników. Należy więc ją stosować zawsze tam, gdzie rodzaj, stan gruntu oraz jego ilość na to pozwalają.

Gęstością właściwą (ρ_s) szkieletu gruntowego nazywamy stosunek masy szkieletu gruntowego do jego objętości. Wyznacza się ją ze wzoru:

gdzie:

ρ_s - gęstość właściwa szkieletu gruntowego [g/cm³, t/m³],
m_s - masa szkieletu gruntowego [g, t],
V_s - objętość szkieletu gruntowego [cm³, m³].

Gęstość właściwa szkieletu gruntowego zależy od składu mineralnego gruntu i domieszek, które zawiera. Parametr ten oznaczamy dwiema metodami, przy czym wybór metody zależy od rodzaju gruntu:

- metoda piknometru (dla gruntów nie zawierających soli mineralnych rozpuszczalnych w wodzie),
- metoda kolby Le Chateliera (dla gruntów zawierających sole mineralne rozpuszczalne w wodzie i gruntów organicznych).

W większości przypadków stosuje się metodę piknometru opisaną w normie PN-88/B-04481. Metoda ta pozwala uzyskać miarodajne wyniki pod warunkiem bardzo dokładnego ważenia i odpowietrzenia próbki (zwłaszcza dla gruntów spoistych).
Polska norma PN-88/B-04481 zaleca gotowanie próbki w celu odpowietrzenia.

Wilgotnością naturalną (w_n) nazywamy stosunek masy wody zawartej w danej próbce gruntu w warunkach naturalnych do masy szkieletu gruntowego tej próbki. Wyznaczamy ją wzorami:

lub

gdzie:

w_n - wilgotność naturalna [% lub liczba bezwzględna],
m_w - masa wody zawarta w próbce [g],
m_s - masa szkieletu gruntowego [g].

Masę szkieletu gruntowego uzyskuje się poprzez suszenie próbki w temperaturze 105 - 110^oC. Zakładamy, że w tej temperaturze grunt traci całą wodę wolną.

Gęstością objętościową szkieletu gruntowego (ρ_d) nazywamy stosunek masy szkieletu gruntowego do objętości całej próbki. Definicję tę ilustruje wzór:

Praktycznie obliczenia gęstości objętościowej szkieletu gruntowego dokonujemy wzorami:

lub

We wzorze pierwszym wilgotność podajemy w wartości bezwzględnej, w drugim w procentach.

 

SPOSÓB WYKONANIA ĆWICZENIA

I Oznaczenie gęstości objętościowej metodą pierścienia tnącego

1. Przygotowanie próbki do badania
   Badanie gęstości objętościowej przeprowadza się na próbkach o nienaruszonej strukturze i naturalnej wilgotności. Dla potrzeb ćwiczeń dydaktycznych ograniczymy się do próbki o strukturze naruszonej.

2. Wykonanie badania

   • zważyć i zmierzyć pierścień w celu określenia jego masy i objętości,

   • wcisnąć pierścień równomiernie w grunt,

   • pierścień oczyścić z gruntu z zewnątrz,

   • wyrównać górną i dolną powierzchnię gruntu równo z krawędziami pierścienia,

   • ważyć pierścień wraz z gruntem, określić masę gruntu m_m,

   • badanie wykonać dwukrotnie.

 

Rys. 1. Wycinarka i pierścień z gruntem.

3. Obliczenie wyników
   Otrzymane wartości podstawić do wzoru . Obliczyć średnią z dwóch oznaczeń. Porównać z wartościami normowymi. Ustosunkować się do otrzymanych wyników.

II Oznaczenie gęstości właściwej szkieletu gruntowego

1. Przygotowanie próbki do badania
   - pobrać wysuszoną próbkę gruntu o masie:

   • dla gruntów niespoistych oraz piasków gliniastych, pyłów piaszczystych i pyłów 40-50g,

   • dla glin piaszczystych, glin, glin pylastych 35-40g,

   • dla glin zwięzłych, glin pylastych zwięzłych, iłów piaszczystych, iłów i iłów pylastych 25-30g,

2. Wykonanie badania

   • zważyć pustą i suchą kolbę (piknometr), m_t ,

   • wsypać przygotowaną próbkę do kolby,

   • zważyć kolbę wraz z próbką, m_gt ,

   • wypełnić kolbę wraz z gruntem wodą destylowaną do około 2/3 objętości,

   • dpowietrzyć próbkę (w przypadku gruntu niespoistego pomijamy gotowanie, wystarczy dokładne wymieszanie),

   • uzupełnić wodą destylowaną do kreski na szyjce kolby (menisk dolny pokrywa się z kreską),

   • zważyć kolbę wraz z gruntem i wodą, m_wgt ,

   • wylać zawartość kolby , dokładnie opłukać, napełnić kolbę ponownie wodą destylowaną do kreski i zważyć, m_wt ,

   • badanie wykonać dwukrotnie.

Rys. 1. Schemat wyjaśniający wyznaczanie objętości szkieletu gruntowego metodą piknometru

3. Obliczenie wyników
   Obliczyć masę szkieletu gruntowego z wzoru:

Obliczyć objętość szkieletu gruntowego z wzoru:

Otrzymane wartości podstawić do wzoru wynikającego z definicji. Jako wynik miarodajny przyjąć średnią arytmetyczną dwóch wartości nie różniących się między sobą więcej niż o 0,02g/cm³
Porównać z wartościami normowymi. Ustosunkować się do otrzymanych wyników.

III Oznaczenie wilgotności naturalnej

1. Wykonanie badania:

   • zważyć dwie parowniczki, m_t ,

   • umieścić próbki gruntu w parowniczkach,

   • zważyć parowniczki wraz z gruntem, m_mt ,

   • umieścić parowniczki wraz z gruntem w suszarce w temperaturze 105-110^o C,

   • na następny dzień wyjąć parowniczki z suszarki, ostudzić, zważyć, m_st.

2. Obliczenie wyników
   Obliczyć masę wody w próbce gruntu ze wzoru:

Obliczyć masę szkieletu gruntowego ze wzoru:

Otrzymane wartości wstawić do wzoru definicyjnego.
Wynik uznajemy za dostatecznie dokładny, jeżeli różnica wyników z obydwu parowniczek nie przekracza 5 % mniejszej z otrzymanych wartości. Za wynik przyjmujemy średnią arytmetyczną otrzymanych wartości.

IV Obliczenie gęstości objętościowej szkieletu gruntowego

Na podstawie otrzymanych wyników obliczyć gęstość objętościową szkieletu gruntowego.

 

V Materiały uzupełniające

• Formularze do ćwiczeń:

  • formularz 1

  • formularz 2

• Pytania

• Zadania