POLITECHNIKA ŚLĄSKA

WYDZIAŁ GÓRNICTWA I GEOLOGII

KIERUNEK: ZARZĄDZANIE I INŻYNIERIA PRODUKCJI

SPECJALNOŚĆ: GOSPODARKA WODNA

LABORATORIUM Z HYDROGEOLOGII

TEMAT: WYZNACZANIE STOPNIA ZAGĘSZCZENIA PIASKU W APARACIE AZP

Wstęp teoretyczny

Stopień zagęszczenia I_D służy do określenia stanu skał sypkich takich jak piaski i pyły. W zależności od wielkości stopnia zagęszczenia rozróżnia się trzy stany skał sypkich:

• stan luźny gdy 0 < I_D ≤ 0,33

• stan średnio zagęszczony gdy 0,33 < I_D ≤ 0,67

• stan zagęszczony gdy 0,67 < I_D ≤ 1,00

Skały sypkie w przyrodzie występują w tych trzech stanach. Znajomość stanu skał sypkich jest niezbędna dla potrzeb:

• górniczo - hydrologicznych do określenia wielkości osiadania powierzchni terenu w związku z obniżaniem się zwierciadła wód podziemnych w wodonośnych utworach piaszczystych na obszarze działalności górniczej i w rejonach ujęć wód podziemnych

• budowlanych, dla określenia wielkości osiadania gruntów piaszczystych w podłożu budowli oraz sprawdzenia zagęszczenia wykonanych piaszczystych nasypów itp.

Stopień zagęszczenia I_D skały jest to stosunek zagęszczenia istniejącego w naturze do największego możliwego do uzyskania w warunkach laboratoryjnych sztucznego zagęszczenia danej skały. Określa się go za pomocą wzoru:

gdzie:

e_max­ - wskaźnik porowatości skały luźno usypanej wyrażony liczbą

niemianowaną ( wskaźnik porowatości największej )

e_min - wskaźnik porowatości skały ubitej lub wibrowanej do stanu największego

możliwego zagęszczenia wyrażony liczba niemianowaną ( wskaźnik

porowatości najmniejszej )

e - wskaźnik porowatości skały w stanie naturalnym wyrażony liczbą

niemianowaną

Pomiędzy współczynnikiem porowatości, a wskaźnikiem porowatości istnieją następujące zależności:

Stopień zagęszczenia wyznacza się tylko dla gruntów sypkich. Jego wielkość zależy od składu granulometrycznego gruntu, porowatości, kształtu ziaren oraz od wielu innych czynników. Wartość tą wyznacza się w celu określenia nośności gruntu. Stopień zagęszczenia gruntu luźno usypanego jest równy 0. Stopień zagęszczenia gruntu maksymalnie zagęszczonego jest równy 1.

II. Metoda pomiarowa

a ) Aparatura

Do oznaczenia stopnia zagęszczenia skał sypkich metodą laboratoryjną służy:

1. Aparat AZP, który składa się z:

• cylindra metalowego ( do którego wsypuje się próbkę skały )

• tłoka dokładanie dopasowanego do cylindra

• widełek metalowych ( służących do wibrowania „ zagęszczania ” skały )

2. waga laboratoryjna

3. suwmiarka

4. cylinder metalowy do oznaczania gęstości przestrzennej

5. piknometr do oznaczania gęstości masy

b ) Metoda oznaczenia stopnia zagęszczenia w aparacie AZP

Aby określić stopień zagęszczenia I_D skały sypkiej należy znać:

• współczynnik porowatości skały w stanie naturalnym (n) lub wskaźnik

porowatości skały w stanie naturalnym e

• największy współczynnik porowatości skały (n_max) lub największy wskaźnik

porowatości (e_max)

• najmniejszy współczynnik porowatości skały (n_min) lub najmniejszy wskaźnik

porowatości skały (e_min)

Współczynnik (wskaźnik) porowatości skały w stanie naturalnym (naturalna wilgotność i nienaruszona struktura) oznacza się jedną z metod laboratoryjnych.

Współczynnik porowatości skał jest to stosunek objętości porów zawartych w próbce skalnej do całkowitej objętości tej próbki. Praktycznie współczynnik (wskaźnik) porowatości skał sypkich wyznacza się na podstawie znanej gęstości masy γ i gęstości przestrzennej γ_o danej skały i oblicza się ze wzoru:

Gęstość masy (ciężar właściwy) skały praktycznie najczęściej oznacza się metodą piknometryczną i oblicza się go ze wzoru:

gdzie:

G_s - masa wysuszonej próbki skały

V_s - objętość szkieletu skały

P_s - waga piknometru z wysuszoną w temperaturze 105-110^oC próbką skały

T - waga piknometru wysuszonego w temperaturze 105-110^oC

P_w - waga piknometru napełnionego do kreski wodą destylowaną w temperaturze cechowania piknometru

P_ws - waga piknometru ze skałą i wodą wypełniającą piknometr do kreski

Gęstość przestrzenna (ciężar objętościowy) γ_o skał sypkich w praktyce oznacza się przy pomocy cylindra i oblicza ze wzoru:

gdzie:

G - masa próbki skały

V - objętość próbki skały

G_T - waga cylindra z próbką [g]

T_c - waga cylindra [g]

V_c - wewnętrzna objętość cylindra zajmowana przez próbkę [cm³]

Oznaczenie gęstości przestrzennej γ_o w stanie naturalnym wykonuje się na próbce o nienaruszonej strukturze to znaczy na próbce pobranej w sposób zachowujący jej własności naturalne (zagęszczenie i wilgotność).

Wielkość współczynnika (wskaźnika) porowatości maksymalnej i minimalnej wyznacza się w aparacie AZP.

Współczynnik (wskaźnik) porowatości maksymalnej oblicza się ze wzoru:

gdzie:

γ - gęstość masy [g/cm³]

G - masa próbki użytej do oznaczenia [g]

V - maksymalna objętość próbki luźno usypanej w cylindrze [cm³]

gdzie:

d - średnica wewnętrzna cylindra [cm]

h_max - wysokość próbki luźno usypanej w cylindrze [cm]

h_o - wysokość wewnętrzna cylindra

h_t - wysokość tłoczka

h_z - wysokość zagłębienia tłoczka pomierzona suwmiarką [cm]

Współczynnik (wskaźnik) porowatości minimalnej oblicza się ze wzoru:

gdzie:

V - minimalna objętość próbki zagęszczonej w cylindrze [cm³]

gdzie:

d - średnica wewnętrzna cylindra [cm]

h_min - wysokość zagęszczonej próbki w cylindrze [cm]

h_o - wysokość wewnętrzna cylindra

h_t - wysokość tłoczka

h_z - wysokość zagłębienia tłoczka pomierzona suwmiarką [cm]

III. Przebieg ćwiczenia

Dla próbki o strukturze nienaruszonej oznaczamy:

1. gęstość przestrzenną za pomocą cylindra

2. gęstość masy metodą piknometryczną

Wyniki oznaczeń wpisujemy do tabeli, a następnie przystępujemy do oznaczeń w aparacie AZP.

Próbka skały przygotowana do tych oznaczeń powinna mieć objętość mniejszą od objętości cylindra pomiarowego. Próbkę suszymy w suszarce w temperaturze 105^oC, a następnie ważymy na wadze laboratoryjnej z dokładnością do 0,01 [g]. Otrzymaną masę próbki zapisujemy w tabeli

Następnie zważoną próbkę wsypujemy do cylindra pomiarowego. Należy tutaj zwracać uwagę, aby piasek sypany był jak najluźniej. Piasek powinien być sypany przez lejek, którego wylot musi znajdować się tuż nad dnem cylindra (powierzchnią piasku). Piasek należy rozprowadzać równomiernie po całej powierzchni cylindra tak aby nie powstał stożek. Po wsypaniu całej próbki wkładamy do cylindra tłok, którym wykonujemy 2-3 obroty w celu wyrównania powierzchni piasku. Następnie przy pomocy suwmiarki mierzymy wysokość zagłębienia tłoczka w cylindrze. Wynik zapisujemy w tabeli. Teraz przy pomocy widełek (lub na stoliku wibracyjnym) zagęszczamy (wibrujemy) piasek w cylindrze przez około 5 minut do momentu osiągnięcia największego zagęszczenia. Wibrowanie kończymy w momencie gdy kolejny pomiar zagłębienia tłoczka w cylindrze nie będzie się różnił od pomiaru poprzedniego.

Pomierzoną wysokość zagłębienia tłoczka w cylindrze zapisujemy w tabeli.

DANE:

1). 2).

h₀=13,2 [cm] h₀=13,2 [cm]

h_t=1,6 [cm] h_t=1,6 [cm]

h_max= 4,6 h_max=4,4 [cm]

h_min= 4,1 h_min=3,8 [cm]

V_max= 166,97 [cm³] V_max=145,89 [cm³]

V_min= 148,82 [cm³] V_min=125,97 [cm³]

Tabelaryczne zestawienie wyników:

Lp	Oznaczenie	Symbol	Próbka nr 1	Próbka nr 2
1	Masa próbki skały z	G	370,1 [g]	374,7 [g]
2	Wysokość zagłębienia tłoczka w cylindrze przy hmax	hz	7,0 [cm]	7,2 [cm]
3	Wysokość zagłębienia tłoczka w cylindrze przy hmin	hz	7,5 [cm]	7,8 [cm]
4	Współczynnik porowatości skały w stanie naturalnym	n	0,21 [%]	0,07[%]
5	Maksymalna objętość próbki luźno usypanej w cylindrze	Vmax	166,97 [cm^3]	145,89[cm^3]
6	Współczynnik porowatości skały luźno usypanej	nmax	0,26 [%]	0,09[%]
7	Wskaźnik porowatości skały luźno usypanej	emax	0,0026	0,0009
8	Minimalna objętość próbki zagęszczonej w cylindrze	Vmin	148,82 [cm^3]	125,97 [cm^3]
9	Współczynnik porowatości skały ubitej lub wibrowanej	nmin	0,114 [%]	0,062 [%]
10	Wskaźnik porowatości próbki ubitej lub wibrowanej	emin	0,00114	0,00062
11	Stopień zagęszczenia	Sz	0,33	0,6

V. Wnioski

W efekcie przeprowadzonego ćwiczenia wyznaczyliśmy stopień zagęszczenia dla badanej przez nas próbki skały sypkiej. Stopień zagęszczenia tej próbki był równy S_OZ=0,33 % S₀₂=0,6%

Według normy grunty niespoiste dzieli się w zależności od wartości stopnia zagęszczenia na:

1. luźne I_D ≤ 0,33

2. średnie 0,33 ≤ I_D ≤ 0,67

3. zagęszczone 0,67 ≤ I_D ≤ 0,80

4. bardzo zagęszczone I_D ≥ 0,80

Wynik przez nas uzyskany wskazuje że badana skała o numerze 1 należy do skał niespoistych luźnych, natomiast próbka o numerze 2 do skał luźnych średnio zagęszczonych.

1

---