grunty(1), Mechanika gruntów


PODSTAWOWE CECHY FIZYCZNE GRUNTU

Wilgotność, gęstość właściwą i gęstość objętościową. Cechy te wyznacza się na podstawie badań laboratoryjnych.

Można od nich obliczyć cechy pochodne: gęstość objętościową szkieletu gruntowego, porowa­tość, wskaźnik porowatości i wilgotność całkowitą. Znajomość podstawowych cech fizycznych jest niezbędna do określania: stopnia wilgotności, stopnia za­gęszczenia, stopnia plastyczności i wskaźnika zagęszczenia.

Ośrodek gruntowy jest zbiorowiskiem oddzielnych ziarn i cząstek, między którymi znajdują się pory wypełnione najczęściej wodą zawierającą pęcherzy­ki powietrza. Zależności:

0x01 graphic

gdzie:

V — objętość gruntu; Vs — objętość szkieletu gruntowego; Vw — objętość wody; Va — objętość powietrza; Vp=Vw+Va — objętość porów; mm — masa gruntu wilgotnego; ms — masa szkieletu cząstek gruntowych; mw — masa wody.

WILGOTNOŚĆ GRUNTU

Wilgotnością gruntu nazywa się stosunek masy wody mw zawartej w jego po­rach do masy szkieletu gruntowego ms.

0x01 graphic

W warunkach laboratoryjnych wilgotność gruntu oznacza się metodą suszenia w temperaturze 105 - 110°C. W tej temperaturze z gruntu ustępuje woda wolna, kapilarna i błonkowata. Czas suszenia do stałej masy wynosi od kilku do kilkunastu godzin, zależnie od spoistości gruntu.

Wilgotność gruntu oprócz metody suszenia można określać metodami przyspieszonymi, szczególnie przydatnymi w warunkach terenowych, a mianowicie za pomocą:

— aparatu karbidowego; — piknometru wodnego; — piknometru powietrznego' — aparatury elektronicznej; — aparatury radioizotopowej.

Wilgotność, jaką ma grunt w stanie naturalnym, nazywa się wilgotnością natu­ralną wn. Dla gruntów gruboziarnistych i kamienistych, w przypadku niemożności bezpo­średniego określenia wilgotności metodą suszenia, ze względu na potrzebę suszenia dużych mas gruntu, można stosować metodę laboratoryjno - obliczeniową. Polega na obliczeniu ogólnej wilgotności gruntu na podstawie znanej wilgotności frakcji drobnej wd określanej z badań laboratoryjnych i wilgotności odrzuconej frakcji grubej w (w przyjmuje się za równą nasiąkliwości ziam) oraz procento­wej zawartości frakcji drobnej Pd wg wzoru:

0x01 graphic

W przypadku odrzuconych ziam o porowatości n^O przyjmuje się do wzoru (4.12)^=0.

4.4.3. GĘSTOŚĆ WŁAŚCIWA

Gęstością właściwą gruntu p^ nazywa się stosunek masy suchego szkieletu gruntowego m^ do jej objętości V^. Oblicza się ją wg wzoru:

0x01 graphic

Gęstość właściwą gruntu oznacza się za pomocą piknometru (rys. 4.5) zgodnie z wymaganiami PN-88/B-04481 [29]. Do badań przygotowuje się jednorodną próbkę wysuszonego i sproszkowanego gruntu o masie 25 - 50 g, zależnie od rodzaju gruntu.

Po wykonaniu niezbędnych oznaczeń gęstość właściwą gruntu oblicza się wg wzoru:

0x01 graphic

gdzie:

m masa piknometru i gruntu wysuszonego przy temperaturze 105 - 110°C, m^ masa piknometru napełnionego do kreski wodą destylowaną przy tem­peraturze, w której oznaczono m , m masa piknometru z gruntem i wodą wypełniającą piknometr do kreski, m, masa piknometru wysuszonego przy tempereturze 105- 110°C, P w ~ gęstość właściwa wody.

Gęstość właściwa gruntu zależy od składu mineralnego gruntu lub skały i wyno­si od 1,4 do 3,2 g/cm3. Dla gruntów mineralnych p^= 2,65-2,78 g/cm3.

4.4.4. GĘSTOŚĆ OBJĘTOŚCIOWA

Gęstość objętościowa gruntu p jest to stosunek masy próbki gruntu do objętości tej próbki łącznie z porami. Gęstość objętościową określa się ze wzoru:

0x01 graphic

gdzie:

m^ masa próbki gruntu,

V — objętość próbki.

Gęstość objętościowa gruntów jest wartością zmienną, zależną od porowatości, wilgotności i gęstości właściwej. Orientacyjne wartości gęstości objętościowych

gruntów podano w tabl. 4.2, oraz wybranych gruntów spoistych i organicznych na rys. 4.6 i 4.7.

Gęstość objętościową gruntów oznacza się na próbkach o nienaruszonej struktu­rze (NNS). W laboratorium, zależnie od cech gruntu i wielkości dostarczonej prób­ki, gęstość objętościową można oznaczyć wg normy [29] jedną z następujących metod:

— ważenie w cieczach organicznych,

— ważenie w wodzie próbki oparafinowanej (objętość próbki 20 - 30 cm3),

— oznaczanie w pierścieniu i cylindrze,

— oznaczanie w rtęci.

W gruntach kamienistych i żwirach pobranie próbki cylindrem jest prawie niemoż­liwe, w tym przypadku gęstość objętościową można wyznaczyć metodą dołka, ważąc wydobyty grunt i mierżąc jego objętość jedną z następujących metod [20, 22]:

— piasku kalibrowanego,

— aparatu membranowego,

— folii i wody.

W celu uzyskania miarodajnych wyników objętość dołka powinna być odpo­wiednio duża. Przyjmuje się, że średnica dołka w kształcie czaszy powinna być 5 razy większa od średnicy maksymalnych ziarn w gruncie.

Oprócz wyżej przedstawionych metod, do pomiaru gęstości objętościowej stosuje się nie niszczące metody radioizotopowe. Badania można wykonywać w otworze badawczym i powierzchniowo (sondy otworowe i sondy powierzchniowe [4, 10, 22]).

4.5. CECHY FIZYCZNE POCHODNE OD CECH PODSTAWOWYCH

4.5.1. GĘSTOŚĆ OBJĘTOŚCIOWA SZKIELETU GRUNTOWEGO

Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego p^ jest to stosunek masy szkieletu gruntu w danej próbce do jej objętości pierwotnej (razem z porami). Wyznacza się ją ze wzoru:

0x01 graphic

gdzie:

m masa próbki wysuszonej do stałej wagi w temperaturze 105 - 110°C,

V — objętość próbki gruntu przed wysuszeniem,

p - gęstość objętościowa gruntu,

w^ wilgotność gruntu, %.

Znajomość p^ jest konieczna do obliczania porowatości i wskaźnika porowato­ści oraz wskaźnika zagęszczenia nasypów.

4.5.2. POROWATOŚĆ GRUNTU

Porowatość gruntu n jest to stosunek objętości porów V w danej próbce gruntu do jej całkowitej objętości V. Porowatość oblicza się ze wzoru:

0x01 graphic

Wobec trudności występujących podczas bezpośredniego pomiaru objętości porów V i objętości szkieletu Vy wykorzystuje się metodę pośrednią, wyprowa­dzając wzór na n na podstawie zależności (4.10a), (4.13) i (4.16) wynikających z rys. 3.5,

0x01 graphic

Porowatość gruntów zależy od struktury gruntu (rys. 4.8). Grunty o strukturze ziarnistej (piaski, żwiry) mają mniejszą porowatość niż grunty spoiste, których cząstki tworzą przeważnie strukturę komórkową lub Maczkową.

Przy założeniu, że grunt składa się z ziam kulistych o jednakowych średnicach, maksymalną porowatość (ttm^a=^'^<^^ uzyskuje się w przypadku kuł ułożonych w siatkę sześcianów (rys. 4.9a), a minimalną (ra^ =0,258), gdy środki kuł są uło­żone w wierzchołkach romboedrów (rys. 4.9b). Z powyższego wynika, że porowa­tość gruntu równoziamistego nie zależy od wielkości średnic ziarn, lecz tylko od sposobu ich ułożenia.

Porowatość równoziamistych piasków i żwirów mieści się w zakresie podanym powyżej, piaski różnoziamiste mogą mieć porowatość mniejszą.

4.5.3. WSKAŹNIK POROWATOŚCI GRUNTU

Wskaźnikiem porowatości gruntu e nazywa się stosunek objętości porów Vp do objętości cząstek gruntu (szkieletu gruntowego) V^. Wskaźnik porowatości oblicza się ze wzoru:

0x01 graphic

Wskaźnik porowatości gruntów niespoistych waha się w granicach 0,3 -1,0, a w gruntach spoistych może być znacznie większy. Zależność pomiędzy n i e przedstawiono na rys. 4.10.

4.5.4. WILGOTNOŚĆ CAŁKOWITA GRUNTU

Grunt ma wilgotność całkowitą, gdy jego pory są całkowicie wypełnione wodą. Wilgotność całkowitą w^ oblicza się ze wzoru:

0x01 graphic

4.6. STOPIEŃ WILGOTNOŚCI I STANY ZAWILGOCENIA GRUNTÓW

Stopień wilgotności gruntu S^. określa stopień wypełnienia porów gruntu przez wodę. Oblicza się go ze wzoru:

0x01 graphic

Zależnie od stopnia wilgotności 5,. w normie [27] rozróżniono następujące stany zawilgocenia gruntów niespoistych:

suchy, jeżeli S,. = O, mało wilgotny, jeżeli O < S^. <. 0,4, wilgotny, jeżeli 0,4 <S^ 0,8, nawodniony, jeżeli 0,8 < S ź 1,0.

4.7. STOPIEŃ ZAGĘSZCZENIA I STANY GRUNTÓW NIESPOISTYCH

4.7.1. DEFINICJA STOPNIA ZAGĘSZCZENIA

Stopień zagęszczenia gruntów niespoistych Ip jest to stosunek zagęszczenia występującego w stanie naturalnym do największego możliwego zagęszczenia dane­go gruntu.

Zagęszczenie gruntu w stanie naturalnym określa się jako różnicę objętości próbki gruntu w stanie najbardziej luźnym V i naturalnym V. Największym możliwym zagę­szczeniem gruntu określa się różnicę objętości próbki gruntu w stanie najbardziej luź­nym V^^ i najbardziej zagęszczonym V^. Zależności te przedstawiono na rys. 4.11.

Stopień zagęszczenia oblicza się po uwzględnieniu zależności z rys. 4.11 wg wzoru

0x01 graphic

0x01 graphic

gdzie:

e^ — wskaźnik porowatości maksymalnej obliczany dla gęstości objętościo­wej p^m przy najbardziej luźno usypanym gruncie suchym, e^ — wskaźnik porowatości minimalnej obliczany dla gęstości objętościowej

Pdmax P^y "możliwie największym zagęszczeniu gruntu suchego przez

wibrację (bez niszczenia ziam), e — wskaźnik porowatości naturalnej odpowiadający p^.

4.7.2. LABORATORYJNE METODY OZNACZANIA STOPNIA ZAGĘSZCZENIA

Oznaczanie granicznych gęstości objętościowych szkieletu gruntowego P^nim i p^pym niezbędnych do obliczenia granicznych wskaźników porowatości e^^ i e^ niespoistych gruntów drobnoziarnistych przeprowadza się zgodnie z normą [29] w metalowym cylindrze o znanych wymiarach, zaopatrzonym w tłok (rys. 4.12).

Gęstość p^m określa się przez nasypanie do cylindra, przy użyciu lejka, wysu­szonego gruntu. Po zważeniu cylindra z gruntem ustawia się na powierzchni gruntu tłok i przeprowadza zagęszczanie przez l min, uderzając widełkami o ściana cylin­dra. Grunt uznaje się za zagęszczony do p^p^, jeżeli trzy kolejne pomiary zagłę­bienia tłoka po każdorazowym dodatkowym 30-sekundowym zagęszczaniu nie wykazują zmian.

Przedstawiona metoda oznaczania p^^ i P^niax ma zastosowanie do niespoistych gruntów drobnoziarnistych o zawartości największych ziarn d =2-5 mm poniżej 5%.

Badania p^^ i p^„ gruntów gruboziarnistych i kamienistych przeprowadza się w cylindrze wielkowymiarowym o średnicy D^5d^ (d^ - średnica naj­większych ziam w gruncie), [20].

Oznaczenie p^m polega na luźnym usypaniu zważonego suchego gruntu do cy­lindra na wysokość h=D. Grunt do cylindra sypie się ze stałej wysokości (20 cm) nad powierzchnią wcześniej nasypanej warstwy. Oznaczanie p. wykonuje się metodą wibracji gruntu w cylindrze na stole wibracyjnym zapewniającym amplitudę 0,4 mm i częstotliwość 74 Hz (rys. 4.13). Po oznaczeniu p^^ i umieszczeniu cylindra z gruntem na stole wibracyjnym ustawia się na górnej powierzchni płytę, zadaje przez sprężynę nacisk o = 15 kPa i wibruje przez 2 min. Następnie przery­wa się wibrację, dociska sprężynę do o = 15 kPa i ponownie wibruje przez 3 min. Po zakończeniu wibracji określa się wysokość i objętość próbki oraz p^ni^.

Na podstawie badań [12] można stwierdzić, że dla niespoistych gruntów drobno­ziarnistych występuje proporcjonalna zależność pomiędzy n^^ i n^ (rys. 4.14). Autor dla gruntów gruboziarnistych i kamienistych ustalił zależność p^m,/ Prfnm od wskaźnika różnoziamistości U (rys. 4.15).

4.7.3. STANY GRUNTÓW NIESPOISTYCH

Zależnie od stopnia zagęszczenia w normie [27] rozróżniono cztery stany za­gęszczenia gruntów niespoistych, a mianowicie:

luźny O < iq <. 0,33 ,

średnio zagęszczony 0,33 < I p ^ 0,67,

zagęszczony 0,67 < 7y $ 0,8,

bardzo zagęszczony I p > 0,8 . Maksymalna wartość I p = 1,0.

4.7.4. OZNACZANIE STOPNIA ZAGĘSZCZENIA METODĄ SONDOWANIA

Należy zaznaczyć, że pobieranie próbek gruntu niespoistego o strakturze NNS nastręcza wiele trudności lub wręcz jest niemożliwe (np. grunt luźny występujący poniżej poziomu wody gruntowej). W związku z powyższym, do określania stopnia zagęszczania stosuje się metody sondowania. Sondowanie ma na celu określenie stanu gruntów na różnych głębokościach (max 10-30 m). Wykonuje się pomiar oporu końcówek sond przy ich zagłębianiu w grunt. Ze względu na sposób wpro­wadzania sond w grunt rozróżnia się sondy wciskane, wkręcane i wbijane - tzw. udarowe [22, 28]. W Polsce najbardziej popularne są sondy wbijane i one zostaną tu omówione. Sondy wbijane, zależnie od stosowanych końcówek dzieli się na stożkowe, które mogą być lekkie (SL) i ciężkie (SC), krzyżakowe (ITB-ZW) i cy­lindryczne (SPT).

Sondowanie polega na wbijaniu sondy z odpowiednią końcówką (rys. 4.16) uderze­niami młota o masie dla sondy SL = 10 kg, ITB-ZW = 22 kg oraz SC i SPT = 65 kg, przy wysokości opadania odpowiednio 50, 25 i 75 cm. W czasie sondowania notuje się liczbę uderzeń N^ potrzebną do zagłębienia na głębokość x = 10, 20 i 30 cm odpowiednio dla sondy SL i ITB-ZW (N^y), SC (Nyy) i SPT (Ny,). Sondowanie sondą SPT wykonuje się w otworze wiertniczym ze względu na konieczność pogłębiania otworu. Na podstawie określonej z badań liczby uderzeń młota danej sondy, dla odpowiedniego zagłębienia określa się stan gruntu z tabl. 4.3.

4.8. GRANICE KONSYSTENCJI, WSKAŹNIK I STOPIEŃ PLASTYCZNOŚCI, STANY GRUNTÓW SPOISTYCH

4.8.1. GRANICE KONSYSTENCJI

Rozróżnia się trzy konsystencje gruntów spoistych: płynną, plastyczną i zwartą.

Granicznymi wilgotnościami rozdzielającymi poszczególne konsystencje są gra­nice konsystencji: granica płynności w^ i granica plastyczności w . Dodatkowo wyróżnia się jeszcze granicę skurczalności w^ (wilgotność na granicy stanu pół­zwartego i zwartego). Na granicy między konsystencją płynną i plastyczną znajduje się granica płynności w^, a na granicy między konsystencją plastyczną i zwartą granica plastyczności w . Granice konsystencji zostały wprowadzone w 1911 r. przez Atterberga. Wyznacza się je umownie.

Granica płynności w^ jest to najmniejsza procentowa zawartość wody w grun­cie, przy której bruzda wykonana w miseczce aparatu Casagrande'a zaczyna się łączyć pod wpływem 25 uderzeń o podstawę aparatu ponownie w całość, na długo­ści l cm i wysokości l mm.

Granica plastyczności w jest to największa procentowa zawartość wody w gruncie, mierzona w stosunku do jej suchej masy, przy której grunt rozwałko­wany z kulki o średnicy 7-8 mm w wałeczek o średnicy 3 mm zaczyna się kru­szyć (pękać).

Granica skurczriuości Wy jest to największa procentowa zawartość wody, przy której grunt przy dalszym suszeniu przestaje się kurczyć i zmienia swą barwę na powierzchni na jaśniejszą.

4.8.2. OZNACZANIE GRANIC KONSYSTENCJI

Granicę płynności w^ oznacza się w aparacie Casagrande'a (rys. 4.17a). Aparat składa się z miseczki podnoszonej przez mimośród pokręcany korbką na wysokość 10 mm ponad podstawę aparatu, którą stanowi gumowa podkładka o odpowiedniej twardości i sprężystości.

Do badań przygotowuje się odpowiednio pastę gruntową, którą układa się w mi­seczce aparatu warstwami. Łączna masa gruntu i miseczki powinna wynosić 210 g. Na­stępnie, w paście wykonuje się odpowiednim rylcem (rys. 4.17b) bruzdę rozdzielającą warstwę pasty na dwie części. Po umocowaniu miseczki w aparacie obraca się korbką z szybkością 2 razy na sekundę, powodując uderzenia miseczki o podkładkę gumową. Uderzenia liczy się do momentu, w którym bruzda złączy się na długości l cm i wysokości l mm. Z bruzdy pobiera się próbkę do badań wilgotności (w). Następnie, pozostałą pastę miesza się z niewielkim dodatkiem wody i ponownie powtarza się czynności. Do wyznaczenia granicy płynności wykonuje się minimum 5 oznaczeń, w granicach 10 - 40 uderzeń. Wyniki badań nanosi się na wykres w =f(.N), na którym oś liczby uderzeń N opisano w skali logarytmicznej. W skali tej wykres łączący poszczególne punkty jest linią prostą (rys. 4.18). Z wykresu odczytuje się wilgotność odpowiadającą 25 uderzeniom. Tak oznaczona wilgotność jest granicą płynności w^.

Oprócz metody Casagrande'a do oznaczania granicy płynności stosuje się metodę Wasiliewa. Według tej metody wilgotność gruntu równa się granicy płynności w^, gdy odpowiedni stożek zagłębi się w paście gruntowej na głębkość l cm [22, 29].

Pomiędzy granicą płynności w^ oznaczoną metodą Casagrande'a i w^ oznaczo­ną metodą Wasiliewa istnieje zależność [29]:

0x01 graphic

Granicę plastyczności w określa się metodą wałeczkowania. Badanie polega na uformowaniu z badanej próbki gruntu kulki o średnicy 7-8 mm i rozwałko­waniu jej na dłoni w wałeczek o średnicy 3 mm, po czym z wałeczka ponownie formuje się kulkę. Czynność tę powtarza się tak długo, aż przy kolejnym wałeczko-waniu wałeczek ulegnie uszkodzeniu (spęka, rozwarstwi się lub rozsypie). Wszyst­kie kawałki wałeczka wkłada się do naczyńka wagowego i zamyka przykrywką. Czynność wałeczkowania powtarza się tyle razy, aż w dwu naczyńkach zbierze się po ok. 5-7 g gruntu. Następnie określa się wilgotność wałeczków, równą granicy plastyczności w .

Granicę skurczalności w„ oblicza się wg wzoru:

0x01 graphic

gdzie:

P w ~ gęstość właściwa wody, P, — gęstość właściwa gruntu,

P d ~ 6^°^ objętościowa szkieletu gruntowego przy objętości próbki grun­tu po wysuszeniu w temperaturze 105 - 110°C (objętość próbki o nie

naruszonej strukturze ok. 20 - 30 cm3).

Granice konsystencji w^ i w należy określać na próbkach gruntu o wilgotności naturalnej, bez uprzedniego ich podsuszania. Podsuszanie gruntu powoduje znaczny wzrost granicy płynności (dla iłów nawet o 20-40%) i zmniejszenie o ok. 1-5% (względnych) granicy plastyczności. Decydujący wpływ na wartość granic konsys­tencji ma skład mineralny i uziamienie gruntu. Zależność granic konsystencji w. i Wp od zawartości frakcji iłowej dla glin morenowych podano na rys. 4.19.

4.8.3. WSKAŹNIK PLASTYCZNOŚCI

Wskaźnik plastyczności jest to różnica pomiędzy granicą płynności i granicą plastyczności:

0x01 graphic

Wskaźnik plastyczności wskazuje, ile wody wchłania grunt przy przejściu ze stanu półzwartego w stan płynny (w procentach w stosunku do masy szkieletu). Wskaźniki plastyczności dla bardzo aktywnych minerałów iłowych (montmoryloni-tu) wynoszą powyżej 200% (215-656%), a mało aktywnych lessów (pyłów kwar­cowych) ok. 5 -10%. Grunty o małym wskaźniku plastyczności ulegają łatwo upłynnieniu przy nieznacznym zawilgoceniu.

Skempton wprowadził pojęcie aktywności koloidalnej określanej wg wzoru:

0x01 graphic

gdzie:

A aktywność koloidalna, I wskaźnik plastyczności,

fj zawartość frakcji iłowej w gruncie (o uziamieniu poniżej 2 mm). Zależnie od aktywności koloidalnej grunty dzieli się na 4 grupy:

- nieaktywne A < 0,75,

— przeciętnie aktywne 0,75 <.A < 1,25 ,

- aktywne 1,25 ^A<2,

bardzo aktywne A s 2 .

Aktywność koloidalna gruntów występujących w Polsce przeciętnie wynosi .4=1, z wyjątkiem glin pokrywowych i lessów, dla których A =0,5+0,7 oraz iłów montmorylonitowych, dla których A>1,5.

Wskaźnik plastyczności przyjęto za podstawę klasyfikacji gruntów pod wzglę­dem spoistości (tabl. 4.4).

Tablica 4.4 Podział gruntów wg spoistości

Rodzaj gruntu

Wskaźnik plastyczności

Niespoisty

1^1%

Spoisty

!%</„

mało spoisty

1%</„;sl0%

średnio spoisty

10% < /p s, 20%

zwięźle spoisty

20% < /p <. 30%

bardzo spoisty

30% < /„

4.8.4. STOPIEŃ PLASTYCZNOŚCI I KONSYSTENCJI ORAZ STANY GRUNTÓW SPOISTYCH

Stopień plastyczności 7^ oraz stopień konsystencji 7^ oblicza się wg wzorów:

0x01 graphic

0x01 graphic

gdzie:

w^ wilgotność naturalna,

Wp granica plastyczności,

w^ granica płynności,

I p wskaźnik plastyczności.

Zależnie od granic konsystencji, wilgotności naturalnej i stopnia plastyczności rozróżnia się stany i konsystencje gruntów wymienione w tabl. 4.5.

Stopień plastyczności i stany gruntów można określać także na podstawie badań polowych, np. za pomocą sondowania sondą cylindryczną (SPT) lub metodą wa-łeczkowania zaproponowaną przez Wiłuna w 1951 r. [25].

Sondą cylindryczną w otworze badawczym oznacza się Nyy i na tej podstawie z tabl. 4.3 określa się stan gruntu.

Metodą wałeczkowania oznacza się liczbę wałeczkowań X, jaka jest potrzebna do zmiany wilgotności gruntu od wilgotności naturalnej do granicy plastyczości (w„— w p) oraz zawartość frakcji iłowej f, na podstawie obserwacji zachowania się wałeczka pod koniec wałeczkowania [22, 25, 29].

Po przekształceniu zależności (4.26a) i uwzględnieniu zależności (4.25) otrzymu­je się wzór na stopień plastyczności wg metody wałeczkowania:

0x01 graphic

gdzie:

X — liczba wałeczkowań,

1,25 — strata wilgotności przy jednym wałeczkowaniu, %, A wskaźnik aktywności koloidalnej (do wzoru przyjmuje się A=l), ff zawartość frakcji iłowej w danym gruncie (w uziamieniu poniżej 2 mm), %. Norma PN-88/B-004481 [29] zaleca na podstawie liczby wałeczkowań X okreś­lać tylko stan gruntów spoistych.

Stan gruntów spoistych w terenie (np. w wykopach) oraz w laboratorium na próbkach NNS można też określać za pomocą penetrometru tłoczkowego (PP) i ści-narki obrotowej (TV). Opis tych badań dokładnie przedstawiono w skrypcie [22].

4.9. ZAGĘSZCZALNOŚĆ GRUNTÓW NASYPOWYCH I WSKAŹNIK ZAGĘSZCZENIA

4.9.1. WPROWADZENIE

Nowoczesne metody budowy nasypów zapór i obwałowań oraz nasypów drogo­wych i kolejowych polegają na odpowiednim zagęszczaniu gruntu, z którego są zbudowane, w celu maksymalnego wykorzystania jego wytrzymałości, z zapewnie­niem stateczności wykonanych budowli w najniekorzystniejszych warunkach ich pracy. W przypadku nasypów drogowych i kolejowych chodzi nie tylko o statecz­ność korpusu, lecz i o nośność pod nawierzchnią drogową lub kolejową.

Nowoczesne metody projektowania korpusów nasypów ziemnych opierają się na:

— ustaleniu wytrzymałościowych cech gruntów w różnych warunkach ich zagęsz­czenia,

— wymiarowaniu konstrukcji z uwzględnieniem wielkości i układów przyszłych

obciążeń oraz cech gruntów (zmieniających się zależnie od różnych czynników).

Nowoczesna technologia robót ziemnych wymaga doboru takiego zespołu ma­szyn do urabiania, transportu i zagęszczania gruntów, aby wykonawstwo robót było ekonomiczne i zapewniało uzyskanie przewidzianego w projekcie stanu gruntów, a więc i ich wymaganych cech.

Jak wiadomo, ośrodek gruntowy, a więc i grunt nasypowy składa się z oddziel­nych ziam i cząstek, pomiędzy którymi istnieją pory wypełnione wodą i powie­trzem. Proces zagęszczania powoduje szczelniej sze ułożenie tych składników (przy częściowym usunięciu powietrza) w jednostce objętości.

Skuteczność zagęszczenia gruntu podczas wbudowywania go w nasyp zależy od rodzaju i wilgotności gruntu, grubości zagęszczanych warstw, energii i sposobu zagęszczania (typu, ciężaru, liczby przejść maszyny zagęszczającej).

Zagęszczalnością gruntów wg Wiłuna [25] nazywa się ich zdolność do uzyski­wania określonej gęstości (p^) zależnie od ilości energii zagęszczania i sposobu jej przekazania oraz od rodzaju gruntu i jego wilgotności.

4.9.2. WSKAŹNIK ZAGĘSZCZENIA

Miernikiem charakteryzującym jakość zagęszczenia nasypu jest wskaźnik za­gęszczenia 1^, który wyznacza się wg wzoru:

0x01 graphic

gdzie:

Pdnas gęstość objętościowa szkieletu gruntu w nasypie,

p^ — maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntu uzyskana w wa­runkach określonych normą [29].

Przyjmuje się, że nasyp jest dobrze zagęszczony, jeżeli 7y ilsdoo- Wartość 7^ ustala się w nawiązaniu do projektowanych cech mechanicznych gruntu nasypo­wego. W większości przypadków ustala się dla nasypów 7^ ^ 0,95 [26, 34, 37].

Maksymalną gęstość objętościową szkieletu gruntu (p^) oznacza się wg metod opracowanych przez Proctora, które zostały przyjęte z niewielkimi zmianami w Pol­sce (norma PN-88/B-04481).

4.9.3. BADANIA PROCTORA

Na podstawie badań gruntów używanych do budowy zapór ziemnych w Kalifornii, Proctor (1933 r.) [3, 25], ustalił zależność pomiędzy p^ a wilgotnością przy stałej energii zagęszczania oraz opracował metodę określania wilgotności optymalnej w ,

przy której uzyskuje się największe zagęszczenie gruntu p^ dla określonej energii. Udowodnił też, że maksymalne zagęszczenie jest tym większe, im większa jest energia zagęszczania oraz że wartości w i p^ zależą od rodzaju gruntu (rys. 4.20).

Do oznaczania p^ i w^ stosuje się dwie metody laboratoryjne polegające na ubijaniu drobnoziarnistego gruntu w cylindrze: metodę normalną (Proctora) i zmody­fikowaną (zmodyfikowaną metodę Proctora wprowadziło Amerykańskie Stowarzysze­nie Pracowników Drogowych — ASHO). Metody te różnią się ilością energii stoso­wanej do zagęszczania gruntu w przeliczeniu na jednostkę jego objętości. Energia zagęszczania wg normy PN-88/B-04481 w metodzie normalnej wynosi E^ = 0,59 J/cm3 (59 N- cm/cm3), a w metodzie zmodyfikowanej E^= 2,65 J/cm3 (265 N- cm/cm3). Norma [29] rozróżnia, zależnie od energii i wymiarów cylindra, cztery metody (tabl. 4.6).

Przyjmuje się, że stosowana w laboratorium energia zagęszczania E^ odpowiada warunkom zagęszczania lekkim sprzętem budowlanym (lekkimi walcami drogowy­mi, walcami na pneumatykach o masie do 10 t, lekkimi ubijakami (itp.), natomiast energia zagęszczania E^ odpowiada pracy ciężkiego sprzętu (walców drogowych o masie 20 - 30 t, ciężkich walców wibracyjnych o masie powyżej 4 t, ciężkich ubijaków o masie powyżej 2 t itp.).

Badanie w i p^ polega na zagęszczaniu ok. pięciu próbek gruntu ubijakiem w odpowiednim cylindrze (rys. 4.21 i tabl. 4.6), w trzech lub pięciu warstwach (zależnie od metody), kolejno przy różnych wilgotnościach. W oparciu o wykonane pomiary gęstości objętościowej przy odpowiadającej im wilgotności zagęszczonych próbek gruntu sporządza się wykres zależności gęstości objętościowej szkieletu p^ od wilgotności w (rys. 4.22 — wykres l). Z wykresu określa się wilgotność opty­malną w odpowiadającą maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu p^. Nale­ży zauważyć, że maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu p^ nie odpowiada maksymalna gęstość objętościowa py^ (rys. 4.22 — wykres 2).

Zależność p^ od w i p^^ od w wg metody normalnej dla gruntów drob­noziarnistych podano na rys. 4.23. Na rysunku tym podano też zakresy wilgotności optymalnej różnych gruntów dla metody normalnej. Wilgotności optymalne gruntów dla metody zmodyfikowanej są o ok. 1-5% mniejsze niż dla metody normalnej. Dla gruntów spoistych istnieje zależność vr^ od granicy płynności w^ (rys. 4.24), natomiast brak jest zależności od granicy plastyczności. Wilgotność optymalna jest mniejsza od granicy plastyczności o ok. l - 9%. Największa różnica występuje dla pyłów i glin pylastych. W przypadku metody zmodyfikowanej p^ gruntów jest ok. 0,1-0,2 g/cm3 większa niż w przypadku metody normalnej.

4.9.4. BADANIA ZAGĘSZCZALNOŚCI GRUNTÓW GRUBOZIARNISTYCH I KAMIENISTYCH

Badania zagęszczalności tj. w i p^ gruntów gruboziarnistych i kamienistych o uziamieniu d^ > 10 mm należy wykonywać w aparatach wielkowymiarowych. Średnica cylindra aparatu D powinna wynosić co najmniej 5 średnic maksymalnych ziam w gruncie d^^(D^ 5d^^), a wysokość H=D [19]. Oznaczenie w i p^ można wykonywać metodą ubijania (Proctora) i metodą wibracji. Metodę ubijania (Proctora) można stosować dla wszystkich gruntów, jednak ze względu na dużą pracochłonność zaleca się stosować dla gruntów zaglinionych (f^>2%). Metodę wi­bracji zaleca się stosować do gruntów niespoistych (/, s 2%). W przypadku konie­czności oznaczenia w i p^ gruntów zawierających bardzo grube ziarna oraz braku odpowiednio dużych aparatów wielkowymiarowych parametry te można określać metodą laboratoryjno-obliczeniową.

4.9.4.1. BADANIE w^ i p^ METODĄ UBIJANIA

Badanie w i p,^ gruntów o uziamieniu dy^ s 200 mm można wykonywać w aparacie wielkowymiarowym opracowanym pod kierunkiem Wiłuna [19]. Aparat (rys. 4.25) składa się z cylindra o średnicy 1,0 m i wysokości 1,3 m, ubijaka i obro­towej prowadnicy rurowej, w której opada ubijak. W aparacie można ubijać grunt wg metody normalnej i zmodyfikowanej; przy metodzie normalnej stosuje się ubija­nie w trzech warstwach, przy metodzie zmodyfikowanej - w pięciu warstwach. Dla metody normalnej w tym aparacie zastosowano ubijaki o masie 109 kg (lub dla zmodyfikowanej — 320 kg) przy wysokości opadania 121 cm (lub 124 cm) i liczbie uderzeń 119 (lub 107) na każdą warstwę. Do wyznaczenia krzywej zagęszczalności i określenia w i p, należy, podobnie jak przy badaniu gruntów drobnoziarni­stych, wykonać ok. 5 zagęszczeń próbek gruntu o różnej wilgotności (kolejno ros­nącej o l - 2%).

4.9.4.2. BADANIE w i p^ METODĄ WIBRACJI

Badania w i p^ gruntów gruboziarnistych i kamienistych metodą wibracji, jak wykazały badania autora [20], można wykonywać przez wibrowanie gruntu w cylindrze na stole wibracyjnym (rys. 4.13). W celu wyznaczenia krzywej zagęszczalności i określenia w i p„^ należy wykonać ok. 5 zagęszczeń próbek gruntu o różnej wilgotności. Metodyka badań jest taka sama jak przy badaniu P<inax (P- 4.7.2), a tylko czas wibracji jest dwa razy dłuższy.

4.9.4.3. METODA LABORATORYJNO-OBLICZENIOWA OKREŚLANIA w^ ORAZ p^

Jeżeli w badanym gruncie występują ziarna o średnicy większej od dopuszczal­nej dla danego aparatu, parametry w i p^ gruntu o naturalnym uziarnieniu moż­na określić na podstawie badań w„ i p ^ gruntu po odsianiu grubszych ziam.

Objętość zagęszczonego gruntu o pełnym uziamieniu wynosi:

0x01 graphic

gdzie:

V — objętość odstanych grubych ziam z gruntu o naturalnym uziamieniu, Vd ~ objętość gruntu (po odsianu grubych ziam) wziętego do badań. Zależność (4.29) można przedstawić w postaci:

0x01 graphic

gdzie:

m^ masa szkieletu gruntu o pełnym uziamieniu, m masa szkieletu odsianych grubych ziam, m^ masa szkieletu gruntu po odrzuceniu grubych ziam (wziętego do badań), p^ — maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntu o pełnym uziamieniu, P da ~ gęstość objętościowa szkieletu odrzuconych grubych ziam, pa — maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntu po odrzuceniu

grubych ziam, A współczynnik zmniejszającyy zagęszczenie frakcji drobnej ze względu

na utworzenie szkieletu z frakcji grubej (A ^ l), zależny od zawartości

ziam grubych.

Po podzieleniu zależności (4.29a) przez m^ i odpowiednich przekształceniach otrzymuje się:

0x01 graphic

Po podstawieniu do wzoru (4.29b) za p,. = p J l - n \ oraz za A = l/a otrzy­muje się:

0x01 graphic

gdzie:

P zawartość ziam grubych (odrzuconych),

n — porowatość ziam grubych,

Ps ~ gęstość właściwa ziam grubych,

c — współczynnik zależny od zawartości ziam grubych (a ^ 1,0).

Przy przyjęciu n •= O otrzymuje się natomiast:

0x01 graphic

W literaturze oraz normie PN-88/B-04481 podano wzór (4.29d) przy a -1, a więc:

0x01 graphic

Wzór ten zakłada jednakowe maksymalne zagęszczenie frakcji drobnoziarnistej niezależnie od zawartości frakcji grubej. W oparciu o to założenie otrzymuje się przy P>0,3 rozbieżność obliczonych wartości p^ od uzyskanych z badań (rys. 4.26).

Z badań wykonanych m.in. przez autora wynika, że a =1,0 dla P $0,30 oraz cc > 1,0 dla P > 0,30. Wartości orientacyjne współczynnika cc zależnie od zawarto­ści odrzuconych grubych ziam P =0,3 -0,9 wg autora wynoszą 1-2,6. Dokładne wartości «>1,0 powinny być każdorazowo wyznaczane doświadczalnie.

Obliczeniową wilgotność optymalną w gruntu naturalnego można wyznaczyć ze wzoru:

0x01 graphic

4.10. ZALEŻNOŚĆ MIĘDZY WSKAŹNIKIEM ZAGĘSZCZENIA I STOPNIEM ZAGĘSZCZENIA GRUNTÓW NIESPOISTYCH

Wartość p^ określona metodą normalną wg Proctora nie jest równa wartości Prfmax określonej metodą wibracyjną omówioną w p. 4.7.2 (na ogół P^P^m^-Dla określenia zależności Ą=F(/„) przyjmuje się wstępne zależności:

0x01 graphic

gdzie:

a — współczynnik korelacyjny;

P - Prfmin ' P</max

Następnie, przekształcając wzór (4.21), wyznacza się:

0x01 graphic

i uwzględniając wzór (4.3 la) otrzymuje się:

0x01 graphic

Uwzględniając we wzorze (4.28) wielkość p^ z wyrażenia (4.31d) oraz zakła­dając p^ = p^, wyznacza się:

0x01 graphic

Dzieląc licznik i mianownik zależności (4.31e) przez a P^niax (4-31a) i wprowadza­jąc zależność (4.3 Ib), otrzymuje się:

0x01 graphic

Na podstawie badań niespoistych gruntów drobnoziarnistych autor [21] ustalił w oparciu o rachunek statystyczny średnią wartość <x = 0,973 (przy odchyleniu standardowym o = 0,039) i podobnie p =0,832 (przy o = 0,023).

Uwzględniając te wartości we wzorze (4.32) otrzymuje się:

/, = 0,855+0,1657^,. (4.33)

Na podstawie wzorów (4.32) i (4.33) można określić wskaźnik zagęszczenia w zależności od zbadanego stopnia zagęszczenia (i odwrotnie). Wzory te są szcze­gólnie przydatne przy wyznaczaniu wskaźnika zagęszczenia nasypów, gdyż wartość iq można zbadać w nasypie w prostszy sposób, wykonując sondowanie (p. 4.7.4).



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
pierwsza str grunty, Mechanika Gruntów
Pytania na Grunty, Mechanika gruntów
trzecie grunty, Mechanika Gruntów
grunty22, Mechanika gruntów
piate grunty, Mechanika Gruntów
cczwarte grunty, Mechanika Gruntów
Podaj wzr na maksymalny wskanik porowatoci, Prywatne, Budownictwo, Materiały, IV semestr, IV sem, Me
GRUNTY6-moje, Politechnika Krakowska, Mechanika gruntów
GRUNTY5, Budownictwo PB, 5 semestr, Mechanika Gruntów, laborki
GRUNTY TEOR ZAL SCIAGA, Studia, Sem 5, SEM 5 (wersja 1), Mechanika Gruntów i Fundamentowanie II, gru
Grunty - ścinanie, Laboratorium z mechaniki gruntów i fundamentowania
Grunty cw 5 boro(P.r.e.z.e.s), Laboratorium z mechaniki gruntów i fundamentowania
Grunty cw 5 boro(P.r.e.z.e.s), Laboratorium z mechaniki gruntów i fundamentowania
[14.10.2014] grunty sem V EGZAMIN, KONSTRUKCJE BUDOWLANE I INŻYNIERSKIE, [INŻ] SEMESTR [5], MECHA
Grunty 2, STUDIA BUDOWNICTWO WBLIW, mechanika gruntów, grunty

więcej podobnych podstron