Cechy fizyczne gruntu

1

PODSTAWOWE CECHY FIZYCZNE GRUNTU

Cechy fizyczne gruntu można podzielić na podstawowe i od nich pochodne,

które oblicza się na podstawie cech podstawowych. Do podstawowych cech fi-
zycznych gruntów zalicza się wilgotność, gęstość właściwą i gęstość objęto-
ściową. Cechy te wyznacza się na podstawie badań laboratoryjnych.

Mając oznaczone podstawowe cechy fizyczne gruntu, można obliczyć ce-

chy od nich pochodne, a mianowicie: gęstość objętościową szkieletu grun-
towego, porowatość, wskaźnik porowatości i wilgotność całkowitą. Znajo-
mość podstawowych cech fizycznych jest również 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

Można więc zapisać następujące zależności:

V = V

s

+ V

w

+ V

a

= V

s

+ V

p

m

m

= m

s

+ m

w

gdzie:

V

— objętość gruntu.

V

s

— objętość szkieletu gruntowego,

V

w

— objętość wody,

V

a

— objętość powietrza,

V

p

= V

w

+ V

a

— objętość porów,

m

m

— masa gruntu wilgotnego,

m

s

— masa szkieletu cząstek gruntowych,

m

w

— masa wody.

Cechy fizyczne gruntu

2

WILGOTNOŚĆ GRUNTU

Wilgotnością gruntu w nazywa się iloraz masy wody m

w

zawartej w je-

go porach i masy szkieletu gruntowego m

s

:

%

100

s

w

m

m

w

W warunkach laboratoryjnych wilgotność gruntu oznacza się metodą susze-

nia w temperaturze 378 ÷ 383 K (105 ÷ 110 °C). W tej temperaturze z gruntu
ustępuje woda wolna, kapilarna i błonkowata. Czas suszenia do stałej masy wy-
nosi od kilk u do kilkunastu godzin, zależnie od spoistości gruntu.

W warunkach terenowych wilgotność gruntu można określać za pomocą:

— aparatu karbidowego,
— piknometru wodnego,
— piknometru powietrznego,

— aparatury elektronicznej,
— aparatury radioizotopowej.

Wilgotność, jaką ma grunt w stanie naturalnym, nazywa się wilgotnością na-

turalną w

n

.

Orientacyjne wartości wilgotności naturalnej w

n

i gęstości objętościowej ρ gruntów

Nazwa gruntów

w

n

, %

ρ , g/cm

3

Grunty gruboziarniste

3 ÷ 2 3

1,70 ÷ 2,10

Grunt) drobnoziarniste (niespoiste)

3 ÷ 2 8

1,60 ÷ 2,05

Grunty drobnoziarniste (spoiste)

5 ÷ 5 0

1,70 ÷ 2,25

Grunty próchnicze

5 ÷ 4 0

1,50 ÷ 2,00

Namuły organiczne

2 0 ÷ 1 5 0

1,30 ÷ 1,90

Torfy

2 5 ÷ 1 5 0 0

1,10 ÷ 1,80

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. Metoda ta polega na obliczaniu ogólnej wilgotności gruntu na
podstawie znanej wilgotności frakcji drobnej w

d

określanej z badań laboratoryj-

nych i wilgotności odrzuconej frakcji grubej w

g

(w

g

przyjmuje się za równą na-

siąkliwości ziarn) oraz procentowej zawartości frakcji drobnej P

d

wg wzoru):

100

)

100

(

d

g

d

d

P

w

P

w

w

, %

W przypadku odrzuconych ziarn o porowatości n ≈ 0 przyjmuje się do wzoru w

g

= 0.

Cechy fizyczne gruntu

3

GĘSTOŚĆ WŁAŚCIWA

Gęstością właściwą gruntu ρ

s

nazywa się iloraz masy suchego szkieletu grun-

towego m

s

i jej objętości V

s

.

s

s

s

V

m

, kg/m

3

(g/cm

3

)

Gęstość właściwą gruntu oznacza się za pomocą kolby (piknometru) zgodnie z
wymaganiami PN-B-04481:1988. Do badań przygotowuje się jednorodną próbkę
wysuszonego i sproszkowanego gruntu o masie 25 ÷ 50 g, zależnie od rodzaju gruntu

Cechy fizyczne gruntu

4

Po wykonaniu niezbędnych oznaczeń gęstość właściwą gruntu oblicza się wzo-
rem:

wg

t

g

wt

w

t

g

s

m

m

m

m

m

m

)

(

)

(

, kg/m

3

(g/cm

3

)

gdzie:
m

g

- masa piknometru i gruntu wysuszonego w temperaturze 105 ÷ 110 °C,

m

wt

- masa piknometru napełnionego do kreski wodą destylowaną przy tem-

peraturze, w której oznaczono m

wg

,

m

wg

- masa piknometru z gruntem i wodą wypełniającą piknometr do kreski,

m

t

- masa piknometru wysuszonego przy temperaturze 105 ÷ 110 °C,

ρ

w

- gęstość właściwa wody.

Gęstość właściwa gruntu zależy od składu mineralnego gruntu lub skały i

wynosi od 1,4 do 3,2 g/cm

3

. Dla gruntów mineralnych ρ

s

= 2,65 ÷ 2,78 g/cm

3

.

Cechy fizyczne gruntu

5

GĘSTOŚĆ OBJĘTOŚCIOWA

Gęstość objętościowa gruntu ρ jest to iloraz masy próbki gruntu do objętości

tej próbki łącznie z porami. Gęstość objętościową określa się ze wzoru:

V

m

m

, kg/m

3

(g/cm

3

)

gdzie:

m

m

— masa próbki gruntu,

V — objętość próbki.

Gęstość objętościowa gruntów jest wartością zmienną, zależną od porowato-

ści. wilgotności i gęstości właściwej.

Gęstość objętościową gruntów oznacza się na próbkach o nienaruszonej struktu-

rze (NNS). W laboratorium, zależnie od cech gruntu i wielkości dostarczonej
próbki, gęstość objętościową można oznaczyć, wg normy PN-B-04481:1988,
jedną z następujących metod:

— ważenie w cieczach organicznych,
— ważenie w wodzie próbki oparafinowanej (objętość próbki 20 ÷ 30 cm

3

),

— 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 mierząc jego objętość jedną z następujących me-
tod:
— piasku kalibrowanego,
— aparatu membranowego,

— folii i wody.

W celu uzyskania miarodajnych wyników objętość dołka powinna być od-

powiednio 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 powierzch-
niowe.

Cechy fizyczne gruntu

6

CECHY FIZYCZNE POCHODNE OD CECH PODSTWOWYCH

GĘSTOŚĆ OBJĘTOŚCIOWA SZKIELETU GRUNTOWEGO

Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego ρ

d

jest to iloraz masy s zkie letu

gruntu w danej próbce do jej objętości pierwotnej (razem z porami). Wyznacza
się ją ze wzoru:

n

s

d

w

V

m

100

100

, kg/m

3

(g/cm

3

)

gdzie:

m

s

— masa próbki wysuszonej do stałej wagi w temperaturze 105 ÷ 110°C,

V — objętość próbki gruntu przed wysuszeniem,
ρ — gęstość objętościowa gruntu,
w

n

— wilgotność (naturalna) gruntu, %.

Znajomość ρ

d

jest konieczna do oblicza ni a porowatości i wskaźnika poro-

watości oraz wskaźnika zagęszczenia nasypów.

POROWATOŚĆ GRUNTU

Porowatość gruntu n jest to iloraz objętości porów V

p

w danej próbce gruntu i jej

całkowitej objętości V. Porowatość oblicza się ze wzoru:

V

V

n

p

Wobec trudności występujących podczas bezpośredniego pomiaru objętości

porów V

p

i objętości szkieletu V

s

, porowatość gruntu oblicza z przekształ-

conego wzoru:

s

d

s

s

d

s

s

s

p

V

m

V

V

V

V

V

n

1

1

Porowatość gruntów zależy od struktury gruntu.

Cechy fizyczne gruntu

7

Typowe struktury gruntów : a) ziarnista, b) komórkowa, c) kłaczkowa

Przy założeniu, że grunt składa się z ziarn kulistych o jednakowych

średnicach, maksymalną porowatość (n

max

= 0,476) uzyskuje się w przypad-

ku kul ułożonych w siatkę sześcianów, a minimalną (n

min

= 0,258), gdy

środki kul są ułożone w wierzchołkach romboedrów. Z powyższego wyni-
ka, że porowatość gruntu równoziarnistego nie zależy od wielkości średnic
ziarn, lecz tylko od sposobu ich ułożenia.

Układy ziarn kulistych: a) ułożenie ziarn najluźniejsze, b) ułożenie ziarn najbardziej zagęszczone

Porowatość równoziarnistych piasków i żwirów mieści się w zakresie poda-

nym powyżej, piaski różnoziarniste mogą mieć porowatość mniejszą.

Cechy fizyczne gruntu

8

WSKAŹNIK POROWATOŚCI GRUNTU

Wskaźnikiem porowatości gruntu e nazywa się iloraz objętości porów V

p

do

objętości cząstek gruntu (szkieletu gruntowego) V

s

. Wskaźnik porowatości oblicza

się ze wzoru:

d

d

s

p

p

p

p

s

p

n

n

V

V

V

V

V

V

V

V

V

e

1

1

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 rysunku.

WILGOTNOŚĆ CAŁKOWITA GRUNTU

Grunt ma wilgotność całkowitą, gdy jego pory są całkowicie wypełnione

wodą. Wilgotność całkowitą w

r

oblicza się ze wzoru:

,%

100

100

)

1

(

s

w

s

w

r

e

n

n

w

Cechy fizyczne gruntu

9

STOPIEŃ WILGOTNOŚCI

I STANY ZAWILGOCENIA GRUNTÓW

Stopień wilgotności gruntu S

r

określa stopień wypełnienia porów gruntu

przez wodę. Oblicza się go ze wzoru:

r

n

s

w

p

s

w

w

p

w

r

w

w

m

V

m

V

V

V

S

100

100

Zależnie od stopnia wilgotności S

r

rozróżniono następujące stany zawilgoce-

nia gruntów niespoistych:
- suchy, S

r

= 0;

- mało wilgotny, 0 < S

r

≤ 0,4;

- wilgotny, 0,4 < S

r

≤ 0,8;

- nawodniony, 0,8 < S

r

≤ 1,0.

STOPIEŃ ZAGĘSZCZENIA I STANY GRUNTÓW NIESPOISTYCH

DEFINICJA STOPNIA ZAGĘSZCZENIA

Stopień zagęszczenia gruntów niespoistych I

D

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

max

i naturalnym V . Największym moż-

liwym zagęszczeniem gruntu określa się różnicę objętości próbki gruntu w stanie
najbardziej luź nym V

max

i najbardziej zagęszczonym V

min

. Zależności te przed-

stawiono na rysunku.

Cechy fizyczne gruntu

10

Stopień zagęszczenia oblicza się wzorem:

min

max

max

min

max

max

p

p

p

p

D

V

V

V

V

V

V

V

V

I

min

max

min

max

min

max

max

min

max

max

d

d

d

d

d

d

s

p

s

p

s

p

s

p

e

e

e

e

V

V

V

V

V

V

V

V

gdzie:

e

max

- wskaźnik porowatości maksymalnej obliczany dla gęstości objętościowej

ρ

dmin

przy najbardziej luźno usypanym gruncie suchym,

e

min

– wskaźnik porowatości minimalnej obliczany dla gęstości objętościowej

ρ

dmax

przy możliwie największym zagęszczeniu gruntu suchego przez wi-

bracje (bez niszczenia ziarn),

e – wskaźnik porowatości naturalnej odpowiadający ρ

d

.

STANY GRUNTÓW NIESPOISTYCH

W zależności od wartości stopnia zagęszczenia I

D

grunty niespoiste, wg PN-

B-02480:1986, dzieli się na:

luźne (ln) I

D

≤ 0,33

średnio zagęszczone (szg) 0,33 < I

D

≤ 0,67

zagęszczone (zg) 0,67 < I

D

≤ 0,80

bardzo zagęszczone (bzg) I

D

> 0,80

Cechy fizyczne gruntu

11

LABORATORYJNE METODY OZNACZANIA

STOPNIA ZAGĘSZCZENIA

Oznaczanie granicznych gęstości objętościowych szkieletu gruntowego ρ

dmin

i ρ

dmax

niezbędnych do obliczenia granicznych wskaźników porowatości e

max

i e

min

niespoistych gruntów drobnoziarnistych przeprowadza się w metalowym cylin-
drze o znanych wymiarach, zaopatrzonym w tłok.

Urządzenie do oznaczania stopnia zagęszczenia:

1 – piasek, 2 – cylinder, 3 - tłoczek, 4 – widełki do zagęszczania

Gęstość ρ

dmin

określa się przez nasypanie do cylindra, przy użyciu lejka, wy-

suszonego gruntu. Po zważeniu cylindra z gruntem ustawia się na powierzchni
gruntu tłok i przeprowadza zagęszczanie przez l min, uderzając widełkami o ścianę
cylindra. Grunt uznaje się za zagęszczony do ρ

dmax

jeżeli trzy kolejne pomiary

zagłębienia tłoka po każdorazowym dodatkowym 30-sekundowym zagęszczaniu
nie wykazują zmian.
Przedstawiona metoda oznaczania ρ

dmin

i ρ

dmax

ma zastosowanie do niespoistych grun-

tów drobnoziarnistych o zawartości największych ziarn d = 2 ÷ 5 mm poniżej 5 %.

Badania ρ

dmin

i ρ

dmax

gruntów gruboziarnistych i kamienistych przeprowadza się

w cylindrze wielkowymiarowym.

Cechy fizyczne gruntu

12

OZNACZANIE STOPNIA ZAGĘSZCZENIA METODĄ SONDOWANIA

Pobieranie próbek gruntu niespoistego o strukturze NNS nastręcza wiele

trudności lub wręcz jest niemożliwe (np. grunt luźny występujący poniżej po-
ziomu wody gruntowej). W związku z powyższym, do określania stopnia za-
gęszczania stosuje się metody sondowania. Sondowanie ma na celu określenie
s ta nu gruntów na różnych głębokościach (max 10 ÷ 30 m). Wykonuje się po-
miar 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. W Polsce najbardziej popularne są sondy wbijane.

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, 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

x

potrzebną do zagłębienia na głębokość x = 10, 20 i

30 cm odpowiednio dla sondy SL i ITB-ZW (N

10

), SC (N

20

) i SPT (N

30

). Sondowa-

nie sondą SPT wykonuje się w otworze wiertniczym ze względu na konieczność
pogłębiania otworu. Na podstawie określonej z badań liczby uderzeń młota da-
nej sondy, dla odpowiedniego zagłębienia określa się stan gruntu z tabeli.

Cechy fizyczne gruntu

13

GRANICE KONSYSTENCJI,

WSKAŹNIK I STOPIEŃ PLASTYCZNOŚCI,

STANY GRUNTÓW SPOISTYCH

GRANICE KONSYSTENCJI

`

Rozróżnia się trzy konsystencje gruntów spoistych: płynną, plastyczną i

zwartą.

Granicznymi wilgotnościami rozdzielającymi poszczególne konsystencje są

granice konsystencji: granica płynności w

L

i granica plastyczności w

p

. Dodat-

kowo wyróżnia się jeszcze granicę skurczalności w

s

(wilgotność na granicy sta-

nu półzwartego i zwartego). Na granicy między konsystencją płynną i plastycz-
ną znajduje się granica płynności w

L

,

a na granicy między konsystencją pla-

styczną i zwartą granica plastyczności w

p

. Granice konsystencji zostały wpro-

wadzone w 1911 r. przez Atterberga. Wyznacza się je umownie.

Granica płynności w

L

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

p

jest to największa procentowa zawartość wody w

gruncie, mierzona w stosunku do jej suchej masy, przy której grunt rozwałko-
wany z kulki o średnicy 7 ÷ 8 mm w wałeczek o średnicy 3 mm zaczyna się kru-
szyć (pękać).

Granica skurczalności w

s

jest to największa procentowa zawartość wody,

przy której grunt przy dalszym suszeniu przestaje się kurczyć i zmienia swą
barwę na powierzchni na jaśniejszą.

Cechy fizyczne gruntu

14

Oznaczanie konsystencji

Konsystencję gruntu spoistego powinno się określać w badaniu makroskopo-
wym, przyjmując następujący sposób oznaczania i opisu [PN-EN ISO 14688-1]:

a) grunt należy określać jako miękkoplastyczny jeśli wydostaje się pomiędzy

palcami przy ściskaniu;

b) grunt należy określać jako plastyczny jeśli można go formować przy lek-

kim nacisku palców;

c) grunt należy określać jako twardoplastyczny jeśli nie może być formowany

palcami, lecz może być wałeczkowany w ręku do wałeczka o średnicy 3
mm bez spękań i rozdrabniania się;

d) grunt należy określać jako zwarty jeżeli rozpada się i pęka podczas wałecz-

kowania do wałeczka o średnicy 3 mm, lecz jest ciągle dostatecznie wilgot-
ny, aby ponownie uformować z niego bryłkę;

e) grunt należy określać jako bardzo zwarty jeśli jest wysuszony, najczę-

ściej ma jasną barwę. Nie można z niego uformować kulki, rozdrabnia się
pod naciskiem. Można go zarysować paznokciem.

Powyższe podziały mogą być niedokładne, szczególnie dla gruntów o małej

spoistości.

Cechy fizyczne gruntu

15

WSKAŹNIK PLASTYCZNOŚCI

Wskaźnik plastyczności I

p

jest to różnica pomiędzy granicą płynności w

L

i

granicą plastyczności w

p

:

I

p

= w

L

- w

p

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 kwar-
cowych) ok. 5 ÷ 10 %. Grunty o małym wskaźniku plastyczności ulegają łatwo
upłynnieniu przy nieznacznym zawilgoceniu.

Skempton wprowadził pojęcie aktywności koloidalnej określanej wg wzoru:

'

i

p

f

I

A

gdzie:

A — aktywność koloidalna,
I

p

— wskaźnik plastyczności,

'

i

f

— zawartość frakcji iłowej w gruncie (o uziarnieniu 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 ≥ 2.

Aktywność koloidalna gruntów występujących w Polsce przeciętnie wynosi

A ≈ 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.

Podział gruntów wg spoistości

Rodzaj gruntu

Wskaźnik plastyczności

Niespoisty

I

p

≤ 1 %

Spoisty:

1% < I

p

mało spoisty

1% < I

p

≤ 1 0 %

średnio spoisty

10% < I

p

≤ 2 0 %

zwięzło spoisty

20% < I

p

≤ 3 0 %

bardzo spoisty

30% < I

p

Cechy fizyczne gruntu

16

STOPIEŃ PLASTYCZNOŚCI , WSKAŹNIK KONSYSTENCJI

ORAZ STANY GRUNTÓW SPOISTYCH

Stopień plastyczności I

L

oraz wskaźnik konsystencji I

c

oblicza się wg wzorów:

p

p

n

p

L

p

n

L

I

w

w

w

w

w

w

I

,

L

p

n

L

c

I

I

w

w

I

1

,

gdzie:
w

n

- wilgotność naturalna,

w

p

- granica plastyczności,

w

L

- granica płynności,

I

p

- wskaźnik plastyczności.

Stany i konsystencje gruntów spoistych rozróżnia się zależnie od wartości granic

konsystencji, wilgotności naturalnej i stopnia plastyczności .

Stany i konsystencje gruntów spoistych

Wartości I

L

i w

n

Stan gruntu

Wartości I

c

Konsystencja

I

L

< 0 oraz w

n

≤ w

s

Zwarty

> 1,00

Zwarta i bardzo
zwarta

I

L

≤ 0 oraz w

s

< w

n

≤ w

p

Półzwarty

0 < I

L

≤ 0,25

Twardoplastyczny 0,75 ÷ 1,00 Twardoplastyczna

0,25 < I

L

≤ 0,50

Plastyczny

0,50 ÷ 0,75 Plastyczna

0,50 < I

L

≤ 1,0

Miękkoplastyczny 0,25 ÷ 0,50 Miękkoplastyczna

I

L

> 1,0 lub w

n

> w

L

Płynny

< 0,25

Płynna

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.

Sondą cylindryczną w otworze badawczym oznacza się N

30

i na tej podstawie

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

n

- w

p

) oraz zawartość frakcji iłowej

'

i

f

na podstawie obserwacji zachowania się

wałeczka pod koniec wałeczkowania.

Cechy fizyczne gruntu

17

Stopień plastyczności gruntu wg metody wałeczkowania oblicza się z wzoru:

'

25

,

1

i

p

p

n

L

Af

X

I

w

w

I

gdzie:

X - liczba wałeczkowań,
1,25 - strata wilgotności przy jednym wałeczkowaniu, %,
A - wskaźnik aktywności koloidalnej (do wzoru przyjmuje się A = 1),

'

i

f

- zawartość frakcji iłowej w danym gruncie (o uziamieniu poniżej 2 mm), %.

Norma PN-B-004481:1988 zaleca na podstawie liczby wałeczkowań X określać tyl-

ko stan gruntów spoistych.

ZAGĘSZCZALNOŚĆ GRUNTÓW NASYPOWYCH

I WSKAŹNIK ZAGĘSZCZENIA

Nowoczesne metody budowy nasypów zapór i obwałowań oraz nasypów drogo-

wych i kolejowych polegają na odpowiednim zagęszczaniu gruntu, z którego są
zbudowane, w celu maksymalnego wykorzystania jego wytrzymałości, z za-
pewnieniem stateczności wykonanych budowli w najniekorzystniejszych warun-
kach 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 przy-

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

Nowoczesna technologia robót ziemnych wymaga doboru takiego zespołu ma-

szyn 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 oddziel-

nych ziarn i cząstek, pomiędzy którymi istnieją pory wypełnione wodą i powie-
trzem. Proces zagęszczania powoduje szczelniejsze 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 nazywa się ich zdolność do uzyskiwania

określonej gęstości ( ρ

d

) zależnie od ilości energii zagęszczania i sposobu jej przeka-

zania oraz od rodzaju gruntu i jego wilgotności.

Cechy fizyczne gruntu

18

WSKAŹNIK ZAGĘSZCZENIA

Miernikiem charakteryzującym jakość zagęszczenia nasypu jest wskaźnik za-

gęszczenia I

s

, który wyznacza się wg wzoru:

ds

dnas

s

I

gdzie:

ρ

dnas

– gęstość objętościowa szkieletu gruntu w nasypie,

ρ

ds

– maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntowego uzyskana

w warunkach określonych normą PN-B-04481:1988.

Przyjmuje się, że nasyp jest dobrze zagęszczony, jeżeli I

s

≥ I

sdop

. Wartość

I

sdop

ustala się z uwzględnieniem projektowanych cech mechanicznych gruntu

nasypowego. W większości przypadków dla nasypów ustala się I

sdop

≥ 0,95.

Maksymalna gęstość objętościową szkieletu gruntowego ρ

ds

oznacza się wg

metody Proctora, zgodnie z normą PN-B-04481:1988.

Cechy fizyczne gruntu

19

BADANIA PROCTORA

Na podstawie badań gruntów używanych do budowy zapór ziemnych w Kali-

fornii, Proctor (1933 r.), ustalił zależność pomiędzy ρ

d

a wilgotnością, przy

stałej energii zagęszczania oraz opracował metodę określania wilgotności
optymalnej w

opt

przy której uzyskuje się największe zagęszczenie gruntu ρ

ds

dla

określonej energii. Udowodnił też, że maksymalne zagęszczenie jest tym więk-
sze, im większa jest energia zagęszczania oraz że wartości w

opt

i ρ

ds

zależą od

rodzaju gruntu.

Do oznaczania ρ

ds

i w

opt

stosuje się dwie metody laboratoryjne polegające na

ubijaniu drobnoziarnistego gruntu w cylindrze: metodę normalną (Proctora) i zmo-
dyfikowaną (zmodyfikowaną metodę Proctora wprowadziło Amerykańskie Stowarzy-
szenie Pracowników Drogowych - ASHO). Metody te różnią się wartością energii
stosowanej do zagęszczania gruntu w przeliczeniu na jednostkę jego objętości.

Energia zagęszczania, wg normy PN-B-04481:1988, w metodzie normalnej wy-

nosi E

1

= 0,59 J/cm

3

(59 N·cm/cm

3

), a w metodzie zmodyfikowanej E

2

= 2,65 J/cm

3

(265 N·cm/cm

3

). Zależnie od energii i wymiarów cylindra, rozróżnia się cztery

metody zagęszczania gruntów.

Przyjmuje się, że stosowana w laboratorium energia zagęszczania E

1

odpo-

wiada warunkom zagęszczania lekkim sprzętem budowlanym (lekkimi walcami
drogowymi, o masie do 10 t, lekkimi ubijakami itp.), natomiast energia zagęsz-
czania E

2

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

opt

i ρ

ds

polega na zagęszczaniu ok. pięciu próbek gruntu ubija-

kiem w odpowiednim cylindrze, w trzech lub pięciu warstwach (zależnie od me-
tody), kolejno przy różnych wilgotnościach. W oparciu o wykonane pomiary gę-
stości objętościowej przy odpowiadającej im wilgotności zagęszczonych próbek
gruntu sporządza się wykres zależności gęstości objętościowej szkieletu ρ

d

od

wilgotności w. Z wykresu określa się wilgotność optymalną w

opt

odpowiadającą

maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu ρ

ds

. Należy zauważyć, że maksy-

malnej gęstości objętościowej szkieletu ρ

ds

nie odpowiada maksymalna gęstość

objętościowa ρ

max

.

Cechy fizyczne gruntu

20

Aparat Proctora: 1 – podstawa, 2 – cylinder, 3 – nadstawka, 4 – grunt, 5 - ubijak,
6 – podstawa ubijaka, 7 – prowadnica ubijaka

Wykres badań zagęszczalności gruntu: 1 – zależność ρ

d

= f(w),

2 – zależność ρ = f(w)