1. Wstęp

Właściwości gruntów spoistych w wielu przypadkach zależą od intensywności współdziałania tych gruntów z wodą. Jednym ze wskaźników charakteryzujących właściwości jest konsystencja gruntu. Wyróżnia się konsystencję gruntu zwartą, plastyczną i płynną. Wilgotności graniczne między poszczególnymi stanami są określane jako tzw. granice konsystencji- między stanem zwartym a półzwartym znajduje się granica skurczalności w_s, między stanem półzwartym a plastycznym –granica plastyczności w_p a między stanami plastycznym i płynnym-granica płynności w_L.

W celu określenia stanu w jakim znajduje się dany grunt należy wyznaczyć wartości następujących parametrów:

- wilgotności naturalnej

- wilgotności granicy skurczalności

- wilgotności granicy plastyczności

- wilgotności granicy płynności

1.1 Granica skurczalności

Granicą skurczalności gruntu (w_s)%, nazywamy wilgotność, jaką ma grunt na granicy konsystencji zwartej i półzwartej, po osiągnięciu której w miarę dalszego suszenia grunt nie zmienia swojej objętości (nie kurczy się, zmieniając jednocześnie barwę powierzchni na jaśniejszą. W przypadku gdy wilgotność naturalna gruntu jest mniejsza od granicy plastyczności, wówczas dla określenia czy grunt jest w stanie półzwartym czy zwartym, niezbędne jest określenie wilgotności odpowiadającej granicy skurczalności

Granicę skurczalności określa się laboratoryjnie w następujący sposób: z gruntu o nienaruszonej strukturze i zachowanej wilgotności naturalnej.

1.2 Granica plastyczności

Granicą plastyczności gruntu (w_p, %), nazywamy wilgotność, jaką ma grunt na granicy konsystencji półzwartej i plastycznej. Po uzyskaniu przez grunt podczas wałeczkowania wilgotności odpowiadającej granicy plastyczności, wałeczek pęka po osiągnięciu średnicy około 3mm. Oznaczenie należy wykonać na próbkach gruntu makroskopowo jednorodnych o naturalnej wilgotności. Gdy grunt o naturalnej wilgotności jest zbyt wilgotny i nie daje się wałeczkować na skutek rozmywania się na dłoni, wówczas grunt należy podsuszyć; gdy natomiast jest zbyt suchy ( w stanie zwartym lub półzwartym ), należy dodać wody doprowadzając go do stanu plastycznego.

Wilgotność odpowiadającą granicy plastyczności (W_p, %), oblicza się ze wzoru:

w którym : m_wt - masa próbki wilgotnej, łącznie z masą parowniczki

m_st - masa próbki wysuszonej, łącznie z masą parowniczki

m_t - masa parowniczki

1.3 Granica płynności

Granicą płynności nazywamy wilgotność, jaką ma grunt na granicy konsystencji plastycznej i płynnej; przy tej wilgotności bruzda rozdzielająca próbkę gruntu w miseczce aparatu Casagrande’a złączy się po 25 uderzeniach (obrotach korbką aparatu) na długości 10mm i wysokości 1mm. Granicę płynności oznacza się symbolem w_l i wyraża w procentach.

Granicę płynności (w_L) można oznaczać również za pomocą przyrządu Wasilewa. Metoda ta polega na pomiarze głębokości zanurzania się stożka w paście gruntowej znajdującej się w naczyniu cylindrycznym. Za granicę płynności przyjmuje się wilgotność, przy której stożek zagłębia się w pastę gruntową na głębokość 10mm.

1.4. Wskaźniki klasyfikacyjne (testowe) gruntów spoistych oraz sypkich

1. Stopień plastyczności

Znając wilgotność naturalną (w_n) i wilgotności odpowiadające poszczególnym granicą konsystencji można obliczyć stopień plastyczności (I_l) za pomocą wzoru (%) :

w którym : w_p - wilgotność odpowiadająca granicy plastyczności

w_l - wilgotność odpowiadająca granicy płynności

Stopień plastyczności określa stan badanego gruntu w zależności od jego wilgotności naturalnej oraz wilgotności odpowiadającej granicy płynności i plastyczności. W zależności od wilgotności naturalnej, granic konsystencji oraz stopnia plastyczności rozróżnia się następujące stany gruntów spoistych ujętych w tablicy :

Konsystencja	Stan gruntu	Symbol	Stopień plastyczności	Wilgotność w stosunku do granic konsystencji
Zwarta	Zwarty Półzwarty	zw pzw	IL < 0 IL ≤ 0	wn < ws ws < wn ≤ wp
Plastyczna	Twardoplastyczny Plastyczny Miękkoplastyczny	tpl pl. Mpl	0.00 < IL ≤ 0.25 0.25 < IL ≤ 0.50 0.50 < IL ≤ 1.00	wp < wn ≤ wL
Płynna	Płynny	pł	IL > 1.00	wn > wL

Znając rodzaj, genezę i stopień plastyczności gruntów spoistych - jako cechy wiodące danego gruntu - można, korzystając z zależności korelacyjnych podanych w postaci wykresów w PN-81/B-03020, wyznaczyć wartości normowe niektórych parametrów geotechnicznych, jak : edometryczny moduł ściśliwości (E_O), kąt tarcia wewnętrznego (φ_n), spójność (c_n)

1. Wskaźnik plastyczność

Wilgotność odpowiadającą poszczególnym granicom (skurczalności, plastyczności i płynności) dla różnych gruntów jest różna i zależy od spoistości gruntu. Im bardziej grunt jest spoisty, tym większa jest różnica wilgotności między poszczególnymi granicami. Różnicę wilgotności, jaką mają grunty przy przejściu przez stan plastyczny, to jest od granicy płynności do granicy plastyczności, określa wskaźnik plastyczności.

Wskaźnik plastyczności oznacza się symbolem I_P, wyraża się w procentach i oblicza ze wzoru :

I_P = w_L- w_P

Na podstawie wartości liczbowej wskaźnika plastyczności grunty drobnoziarniste (zgodnie z PN/74/b-02480) zalicza się do:

1. sypkich, gdy I_P ≤ 1

2. spoistych, gdy I_P > 1

Grunty spoiste zalicza się do:

1. mało spoistych, gdy 1 < I_P ≤ 10

2. średnio spoistych, gdy 10 < I_P ≤ 20

3. spoistych zwięzłych, gdy 20 < I_P ≤ 30

4. bardzo spoistych, gdy I_P ≥ 30

Wartość liczbowa wskaźnika plastyczności dla różnych gruntów jest różna i wskazuje

ile wody (w procentach) wchłania dany grunt podczas przejścia ze stanu półzwartego do płynnego. Wartość liczbowa wskaźnika plastyczności zwiększa się ze wzrostem procentowej zawartości cząstek iłowych.

1. Metody badań laboratoryjnych

Próba rozcierania w wodzie: Grunt należy rozcierać między dwoma palcami w zanurzonymi w wodzie. Ziarna piasku przy rozcieraniu są wyczuwalne, więc zawartość frakcji piaskowej w danej próbce gruntu można określić dość trafnie. Jeżeli w trakcie rozcierania wyczuwa się dużo ziaren piasku, to grunt zalicza się do grupy I (gruntu piaszczyste); jeżeli wyczuwalne są tylko pojedyncze ziarna – grupa II (pośrednie); jeśli zaś piasek jest niewyczuwalny – grupa III (pylaste).

Określenia rodzaju gruntu należy dokonać według normy PN-74/B-04452.

Oznaczenie wilgotności naturalnej(w_n):

• Z gruntu o naturalnej wilgotności NW lub NNS należy pobrać dwie próbki o masach co najmniej:

• 500 g – dla gruntów gruboziarnistych po oddzieleniu ziarn większych niż 25 mm,

• 50 g – dla piasków i pyłów,

• 30 g – dla pozostałych gruntów drobnoziarnistych,

• umieścić je w uprzednio zważonych naczyniach (parownicach lub tygielkach) i zważyć,

• następnie suszyć w suszarce (105 ÷ 110°C) aż do uzyskania stałej masy, czyli ~12 godzin dla gruntów spoistych i ~4 godzin dla gruntów sypkich – po wysuszeniu należy próbki ochłodzić w eksykatorze i zważyć

• wilgotność oblicza się ze wzoru: w_n = (m_mt – m_st)⋅(m_st – m_t)^–1⋅100%, gdzie:

m_mt – masa próbki wilgotnej łącznie z masą parownicy, [g]

m_st – masa próbki wysuszonej łącznie z masą parownicy, [g]

m_t – masa parownicy, [g].

Za wynik ostateczny należy przyjąć średnią arytmetyczną wartości z obu oznaczeń, jeśli różnica wyników nie przekracza 5% wartości średniej. W przypadku większej różnicy, należy wykonać oznaczenie na nowych dwóch próbkach i jako wynik przyjąć średnią arytmetyczną trzech najmniej różniących się wartości z czterech wykonanych oznaczeń.

Oznaczenie granicy plastyczności (w_p):

• oznaczenie należy wykonać na próbkach gruntu o naturalnej wilgotności. Gdy grunt jest zbyt wilgotny i nie daje się wałeczkować, to podsuszyć, a jeśli jest zbyt suchy – dolać wody (w celu doprowadzenia go do stanu plastycznego), wyjąć ziarna większe od 2 mm, a następnie dokładnie wymieszać w moździerzu

• z grudki badanego gruntu po usunięciu większych ziaren żwirowych, formuje się kulkę o średnicy 6 ÷ 7 mm, z której wykonuje się wałeczek o średnicy 3 mm. Jeżeli wałeczek po osiągnięciu średnicy 3 mm nie ulegnie wyraźnemu spękaniu, to należy ulepić z niego następną kulkę i powtórzyć wałeczkowanie. Wałeczkowanie należy powtarzać tak długo, aż wałeczek po osiągnięciu średnicy równej 3 mm ulegnie wyraźnemu spękaniu lub pokruszy się na kawałeczki.

• wałeczki wkłada się do dwóch naczynek wagowych i bada się ich wilgotność (p. wyżej)

• za wynik należy przyjąć średnią arytmetyczną z obu oznaczeń wilgotności, jeżeli ich różnica nie przekracza 10% względnej wartości średniej. W przypadku większej różnicy należy przeprowadzić dwa dodatkowe oznaczenia, a jako wynik przyjąć średnią arytmetyczną z trzech najmniej różniących się wartości.

Oznaczenie granicy płynności (w_L):

• do badania pobiera się ~100 g gruntu o naturalnej wilgotności, umieszcza w moździerzu i mieszając dokładnie – dolewa się wody destylowanej; zawartość moździerza (po usunięciu większych ziaren) należy urobić na pastę

• następnie odłącza się miseczkę od aparatu i wypełnia się ją cienkimi warstwami tak, aby rozsmarowany grunt utworzył w miseczce wklęsłą powierzchnię sferyczną. Grunt powinien być rozłożony w przedniej części miseczki, przy czym największa grubość warstwy pasty powinna być nie mniejsza niż 9 mm, a łączna masa miseczki z gruntem 210 g

• za pomocą rylca należy wykonać bruzdę w paście gruntowej przez środek miseczki, prostopadle do osi jej obrotu, następnie zamocować miseczkę w aparacie

• kręcąc korbką aparatu z częstością ~2 razy na sekundę obserwujemy łączenie się bruzdy aż do momentu, gdy złączy się na długości 10 mm i wysokości 1 mm, co ocenia się wzrokowo

• ze środka bruzdy pobiera się ~10 g próbkę i oznacza się jej wilgotność

• pozostały w miseczce grunt wkłada się do moździerza, dolewa wody, miesza i powtarza czynności opisane powyżej

• po zakończeniu ostatniego badania i wyznaczeniu wilgotności wszystkich próbek uzyskane wyniki nanosi się w formie punktów na siatkę półlogarytmiczną, której oś pozioma stanowi liczbę uderzeń, a oś pionowa wilgotność. Uzyskane na siatce punkty łączy się prostą (regresja liniowa)

punkt przecięcia z prostą pionową oznaczającą 25 wyznacza wilgotność odpowiadającą granicy płynności.

1. Wnioski

Wilgotność próbki badanego gruntu różni się od wartości normowej. Przyczyną tego jest fakt, iż próbka przez czas przechowywania była narażona na wysychanie poprzez wielokrotne otwieranie pojemnika. Do obliczeń przyjęto wartość normową- przyjęto wartość większą od obliczonej.

Na podstawie wyznaczonych granic płynności, plastyczności i wilgotności naturalnej określono min. stopień plastyczności IL. Otrzymana jego wartość pozwala na określenie stanu gruntu- twardoplastyczny i teoretycznej wilgotności naturalnej (równej 20).

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego	Instytut Geotechniki i Hydrotechniki Zakład Mechaniki Gruntów

SPRAWOZDANIE nr 3

Badanie granic konsystencji