POLITECHNIKA WROCŁAWSKA Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego |
Instytut Geotechniki i Hydrotechniki Zakład Mechaniki Gruntów |
---|
Sprawozdanie nr 2
Oznaczenie podstawowych cech fizycznych gruntu
Wstęp
Cechy fizyczne gruntu można podzielić na podstawowe i od nich pochodne, które oblicza się na podstawie cech podstawowych. Do podstawowych cech fizycznych gruntów zalicza się wilgotność, gęstość właściwą i gęstość objętościową. Cechy te wyznacza się na podstawie badań laboratoryjnych.
Mając oznaczone podstawowe cechy fizyczne gruntu, można obliczyć cechy od nich pochodne, do cech pochodnych należą : gęstość objętościowa szkieletu gruntowego ( d ) , ciężar objętościowy szkieletu gruntowego ( d ), porowatość ( n ), wskaźnik porowatości ( e ), szczelność ( m. ), wilgotność całkowita ( wr ), stopień wilgotności ( sr ), gęstość objętościowa ( ' ) i ciężar objętościowy ( ' ) gruntu przy całkowitym wypełnieniu porów wodą, gęstość objętościowa ( sr ) i ciężar objętościowy ( sr ) gruntu poniżej zwierciadła wody po uwzględnieniu wyporu. Znajomość podstawowych cech fizycznych jest również niezbędna do określenia: stopnia wilgotności, stopnia zagęszczenia, stopnia plastyczności i wskaźnika zagęszczenia.
. Oznaczenie gęstości objętościowej
Gęstością objętościową gruntu nazywa się stosunek masy próbki gruntu (w stanie naturalnym) do jej objętości. Wyznacza się ją ze wzoru:
$$\rho = \frac{m_{m}}{V}$$
Gdzie:
ρ - gęstość objętościowa
m.m. – masa próbki w stanie naturalnym
V - objętość badanej próbki
Gęstość objętościowa jest jednym z parametrów charakteryzujących strukturalno – teksturalne właściwości gruntów. Jej wartość zależy od składu mineralnego, porowatości i wilgotności gruntu. Jest więc wartością zmienną. Gęstość objętościowa jest bezpośrednim wskaźnikiem obliczeniowym służącym między innymi do:
obliczenia parcia gruntu na ścianki oporowe,
obliczenia stateczności zboczy naturalnych i sztucznych,
wyznaczenia dopuszczalnych obciążeń gruntu,
obliczenia wielkości osiadań,
obliczenia naprężeń pierwotnych
Ponadto wskaźnik ten wykorzystuje się do obliczenia innych parametrów, takich jak:
gęstości objętościowa szkieletu gruntowego,
gęstości objętościowej gruntu pod wodą,
porowatości, wskaźnika porowatości i stopnia zagęszczenia.
Gęstość objętościową gruntu wyznacza się z zasady na próbkach o strukturze nienaruszonej (NNS).
W zależności od rodzaju gruntu oraz stanu i wielkości próbki przeznaczonej do badań przy oznaczaniu gęstości objętościowej stosuje się jedną z czterech metod:
metoda pierścienia tnącego,
metodę rtęciową,
metodę w wodzie (parafinowania),
metodę oznaczenia gęstości objętościowej w cylindrze.
1.2. Oznaczenie wilgotności
Wilgotność jest stosunkiem masy wody zawartej w danej próbce gruntu do masy tej próbki wysuszonej w temp. 105-110°C, wyrażany w procentach
$$w = \frac{m_{w}}{m_{s}} \bullet 100\%$$
mw- masa wody
ms- masa gruntu suchego
Wilgotność jest czynnikiem kształtującym wiele fizyczno-mechanicznych właściwości gruntów, zwłaszcza gruntów spoistych i zmienność jej będzie powodowała znaczną zmienność tych właściwości.
Wilgotność naturalna charakteryzuje zawartość wody w gruncie w warunkach naturalnych czyli bezpośrednio w terenie.
Na podstawie stopnia związania wody z cząsteczkami mineralnymi można wyróżnić następujące typy:
Woda w sieci krystalicznej minerałów:
- konstytucyjna
- krystalizacyjna
- zeolitowa
b) Woda związana:
- higroskopijna
- błonkowa
- kapilarna
c) Woda wolna
d) Woda w stanie stałym
e) Woda w stanie gazowym
1.3. Cechy pochodne
1.3.1. Gęstość objętościowa
Gęstością objętościową szkieletu gruntowego jest to stosunek masy szkieletu gruntu w danej próbce do jej objętości pierwotnej:
$\rho_{d} = \frac{m_{s}}{V}$
Gdzie:
ρd – gęstość objętościowa szkieletu gruntowego
m.s – masa próbki wysuszonej do stałej masy
V – objętość gruntu przed wysuszeniem
1.3.2. Ciężar właściwy szkieletu gruntowego
γd = g × ρd
gdzie :
g - przyspieszenie ziemskie,
ρd - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego.
1.3.3. Porowatość gruntu
Porowatość gruntu jest to stosunek objętości porów w danej próbce gruntu do jej całkowitej objętości. Porowatość oblicza się ze wzoru:
$$n = \frac{V_{p}}{V}$$
Gdzie:
n – porowatość gruntu
V – objętość całkowita
Vp – objętość porów
1.3.4. Wskaźnik porowatości gruntu
Wskaźnikiem porowatości gruntu nazywamy stosunek objętości porów do objętości szkieletu gruntowego. Wskaźnik porowatości obliczamy ze wzoru:
$$e = \frac{V_{p}}{V_{s}}$$
Gdzie:
e – wskaźnik porowatości gruntu
Vp – objętość porów
Vs – objętość szkieletu
1.3.5. Wilgotność całkowita gruntu
Grunt ma wilgotność całkowitą, gdy jego pory są całkowicie wypełnione wodą. Wilgotność całkowitą oblicz się ze wzoru:
$$w_{r} = \frac{n \bullet \rho_{w}}{(1 - n)\rho_{s}}$$
gdzie:
wr – wilgotność całkowita
n – porowatość gruntu
ρw – gęstość właściwa wody
ρs – gęstość właściwa szkieletu gruntowego
1.3.6. Stopień wilgotności i stany zawilgocenia
Stopień wilgotności określa stopień wypełnienia porów gruntu przez wodę. Oblicza się go ze wzoru:
$$S_{r} = \frac{w_{n}}{w_{s}}$$
Zależnie od stopnia wilgotności rozróżnia się następujące stany zawilgocenia gruntów niespoistych:
suchy, jeśli Sr = 0
mało wilgotny, jeśli 0< Sr<=0,4
wilgotny, jeśli 0,4<Sr<=0,8
nawodniony, jeśli 0,8< Sr<=1,0
1.3.7. Gęstość objętościowa przy całkowitym napełnieniu porów wodą
ρsr = (1 – n)*ρs + nρw = ρd = nρw
1.3.8. Gęstość objętościowa gruntu poniżej zwierciadła wody
ρ′ = ( ρs - ρw )(1 – n )
1.3.9. Ciężar objętościowy gruntu przy całkowitym wypełnieniu porów wodą
γ′ = g *ρ′
1.3.10. Gęstość objętościowa pruntu poniżej zwierciadła wody po uwzględnieniu wyporu
ρ′ = ( ρs - ρw )(1 – n )
Metody badań laboratoryjnych
Przebieg oznaczenia wilgotności
- waży się puste, wysuszone i ochłodzone naczynka z dokładnością do 0,01g (mt)
- próbkę gruntu przeznaczoną do badania wilgotności umieszcza się w zważonym naczynku i waży z tą samą dokładnością (mmt). Badanie przeprowadza się dla dwóch próbek tego samego gruntu.
- zważoną próbkę wstawia się do suszarki i suszy w temperaturze 105-110°C do stałej masy. Po 8h przeprowadza się kontrole wysuszenia dla gruntów sypkich, po 24 dla gruntów spoistych. Po tym czasie wyjmuje się próbki z suszarki, waży i ponownie wstawia do suszarki. Po około 1 godzinie próbkę waży się ponownie. Jeżeli wyniki są jednakowe to można uznać, że próbka została wysuszona do stałej masy (mst)
$$w = \frac{m_{\text{mt}} - m_{\text{st}}}{m_{\text{st}} - m_{t}} \bullet 100\%$$
w − wilgotnosc
mmt − masa naczynka z gruntem wilgotnym
mst − masa naczynka z gruntem suchym
mt − masa naczynka pustego
Jako wynik ostateczny przyjmuje się średnią arytmetyczną wartości dwóch oznaczeń
Oznaczenie gęstości objętościowej. Metoda pierścienia tnącego
Stosowana jest przy badaniu próbek gruntów spoistych o nienaruszonej strukturze o dostatecznie dużej objętości oraz w stanie pozwalającym na zastosowanie pierścienia bez naruszenia struktury próbki.
Przebieg badania:
- waży się pierścień
- przy pomocy suwmiarki mierzy się wysokość i średnicę pierścienia
- wyrównuje się powierzchnię gruntu o nienaruszonej strukturze
- pierścień ustawia się zaostrzoną krawędzią na wyrównanej powierzchni, pierścień zagłębia się w gruncie
- wypełniony pierścień wyjmuje się z gruntu
- waży się pierścień z gruntem po wcześniejszym oczyszczeniu jego ścianek i krawędzi
$$\rho = \frac{m_{\text{mt}} - m_{t}}{V_{p}} = \frac{m_{m}}{V}$$
mmt − masa pierscienia z gruntem
mt − masa pierscienia
mm − masa probki w stanie naturalnym
Vp − objetosc pierscienia = V
Wnioski
Badania makroskopowe pozwoliły na określenie nazwy i stanu gruntu- badana była próbka humusu należącego do grupy gruntów drobnoziarnistych.
Suszenie gruntów spoistych a do tej grupy zaliczany jest humus, nie daje stuprocentowej gwarancji całkowitego wysuszenia. Istnieje możliwość, że niewielka część wody silnie związanej może zostać w gruncie. Wilgotność badanego gruntu różni się od wartości normowej. Przyczyną takiego stanu jest najprawdopodobniej nieodpowiednie przechowywanie gruntu, w wyniku którego próbka straciła swoje naturalne cechy.
Metoda pierścienia tnącego jest prosta i pozwala na uzyskanie dobrych wyników. W przypadku badanego gruntu wystąpiła jednak duża różnica między masami gruntu przez co otrzymano różne wartości gęstości objętościowej. Przyczyną tego jest prawdopodobnie zagęszczenie próbki podczas przygotowywania jej do badania. Możliwe jest również niewłaściwe wyrównanie próbki nożem.
Na podstawie badań gruntu otrzymano wartość gęstości objętościowej oraz wilgotności naturalnej próbki. Na podstawie tych wyników, posługując się odpowiednimi wzorami można określić cechy pochodne danego gruntu.