1

WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE GRUNTÓW.

WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE GRUNTÓW

WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE GRUNTÓW.

ZAGĘSZCZALNOŚĆ GRUNTÓW

ZAGĘSZCZALNOŚĆ GRUNTÓW

MECHANIKA GRUNTÓW I FUNDAMENTOWANIE

MECHANIKA GRUNTÓW I FUNDAMENTOWANIE

Budownictwo semestr 4

Budownictwo semestr 4

Wykład

2

Niejednokrotnie w czasie prowadzenia robót ziemnych w budownictwie
powszechnym, drogowym czy hydrotechnicznym zachodzi konieczność
wykonywania różnego rodzaju

nasypów

. Przykładowo może to mieć miejsce w

przypadku wymiany słabego gruntu w podłożu fundamentu na mocniejszy (tzw.
poduszki piaskowe lub żwirowe), formowania nasypów drogowych lub
kolejowych, wykonywania wałów przeciwpowodziowych lub przy budowie
zapór ziemnych dla zbiorników wodnych, itp. W każdym z tych przypadków
jako materiał do wykonania nasypu jest wykorzystywany naturalny grunt
mineralny (najczęściej grunt sypki: piasek, żwir, ale czasami również grunt
spoisty, np. ił do formowania rdzenia przeciwfiltracyjnego w zaporze ziemnej
lub warstwy izolacyjnej składowiska odpadów) albo materiał pochodzenia
antropogenicznego (żużel, popiół itp.).
Każda konstrukcja ziemna musi zostać zaprojektowana i następnie wykonana w
taki sposób, aby osiągnięte zostały określone parametry dotyczące wytrzy-
małości czy np. wodoprzepuszczalności gruntu w nasypie. Powinna być zacho-
wana odpowiednia technologia (

zagęszczanie

warstwami) wbudowywania

gruntów o odpowiednim uziarnieniu (inne na elementy konstrukcyjne nasypu, a
inne np. na element przeciwfiltracyjny), zastosowane odpowiednie maszyny do

zagęszczania

itp. W trakcie prowadzenia tych robót niezbędna jest również

kontrola stanu zagęszczenia

nasypu. Grunt wbudowywany w nasyp zawsze musi

być

zagęszczany

.

3

Przykłady nasypów wykonywanych z gruntów

1)

2)

1 – zapory ziemne,

2 – poduszka piaskowo-żwirowa,

3 – nasyp drogowy.

Grunt
słaby

Grunt
mocny

3)

poduszka

4

Zagęszczalność gruntu

jest to cecha polegająca na zmianie jego objętości pod

wpływem oddziaływania na grunt dynamicznych impulsów o odpowiedniej
energii w warunkach określonej wilgotności gruntu.

Miarą zagęszczenia

gruntu nasypowego

jest

wskaźnik zagęszczenia I

s

. Jest to

stosunek

gęstości objętościowej szkieletu gruntu w nasypie

ρρρρ

dn

do

maksymalnej

wartości gęstości objętościowej szkieletu tego gruntu

ρρρρ

ds

, wyznaczonej w

warunkach laboratoryjnych w badaniu Proctora

ds

dn

s

I

ρ

ρ

====

Do zagęszczania gruntów w nasypach wykorzystuje się różne maszyny, o
różnym sposobie działania:

ubijające

(płyty wolnospadowe, ubijaki mecha-

niczne typu “żabka”),

ugniatające

(walce stalowe gładkie czy okołkowane oraz

walce pneumatyczne wielokołowe) i

wibracyjne

(płyty i walce). Pierwszy typ

maszyn stosuje się do różnych rodzajów gruntów, drugi typ do spoistych, trzeci
do sypkich, chociaż ciężkie walce wibracyjne dają również bardzo dobre efekty
przy zagęszczaniu spoistych gruntów kamienistych.
Po zagęszczeniu warstwy nasypu, o grubości zależnej od zastosowanego sprzętu
zagęszczającego, pobiera się z niej próbki NNS, dla których wyznacza się
gęstość

ρρρρ

n

i wilgotność

w

n

, a następnie oblicza

ρρρρ

dn

.

5

Równocześnie z gruntu, z którego formowany jest nasyp, pobiera się większą, kilku- lub
kilkunastokilogramową próbę do badania zagęszczalności w laboratorium.
Zagęszczalność gruntu bada się według metody opracowanej przez amerykańskiego
badacza Proctora. Istota tej metody polega na ubijaniu gruntu w odpowiednim cylindrze,
w znormalizowany sposób, przy zwiększającej się w kolejnych próbach wilgotności
gruntu. Proctor stwierdził, że istnieje zależność pomiędzy

wilgotnością gruntu - w,

a jego

gęstością objętościową szkieletu -

ρρρρ

d

.

Wyniki badania Proctora przedstawia się w postaci

krzywej zagęszczalności

, w układzie

współrzędnych w -

ρρρρ

d

. Na wykresie widać, że początkowo ze wzrostem wilgotności

gruntu, przy ubijaniu, wzrasta gęstość objętościowa szkieletu gruntowego. Jednak po
przekroczeniu pewnej wilgotności, przy której gęstość ta jest największa, następuje
spadek gęstości szkieletu gruntowego.

Wilgotność, przy której dany grunt osiągnął najlepsze zagęszczenie (mierzone wartością
gęstości objętościowej szkieletu) nazywamy

wilgotnością optymalną

i oznaczamy

symbolem

w

opt

, zaś odpowiadającą jej

maksymalną gęstość objętościową szkieletu

oznaczamy jako

ρρρρ

ds

.

Znajomość wilgotności optymalnej gruntu ma praktyczny sens, bowiem jeżeli na budowie
będziemy zagęszczali ten grunt przy wilgotności równej lub zbliżonej do optymalnej,
wówczas mamy największą szansę, aby uzyskać najlepsze zagęszczenie tego gruntu.
Dlatego na placu budowy niezbędna jest kontrola wilgotności gruntu wbudowywanego w
nasyp i w miarę potrzeby jego podsuszanie lub zwiększanie zawartości wody.

6

Parametry zagęszczalności badanego gruntu: w

opt

= 11,8 %, ρ

ds

= 1,890 g/cm

3

7

Schemat aparatu Proctora

1- podstawa, 2 - cylinder, 3 - nadstawka, 4 - grunt
ubijany warstwami, 5 - ubijak, 6 - podstawa ubijaka,
7 - prowadnica ubijaka

Grunt w cylindrze jest ubijany w kilku war-
stwach

N

przy pomocy ubijaka o masie

m [kg]

spadającego z wysokości

h [cm]

. Na każdą

ubijaną warstwę przypada

n

uderzeń. Objętość

cylindra wynosi

V[cm

3

]

. Zagęszczanie wymaga

wykonania określonej pracy, którą mierzy się
jednostkową energią zagęszczania gruntu

E

[J/cm

3

].

Można ją obliczyć z zależności:

V

N

n

h

g

m

E

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

====

W Polsce stosuje się 4 metody badania, różniące się powyższymi parametrami
(m, h, n, N, V), podzielone na dwie grupy o jednostkowych energiach
zagęszczania wynoszących 0,59 J/cm

3

oraz 2,65 J/cm

3

.

8

Charakterystyka metod ubijania gruntu w badaniu Proctora wg
PN-88/B-04481

M

et

o

d

a

M

a

sa

u

b

ij

a

k

a

m

,

k

g

W

y

so

k

o

ść

o

p

a

d

a

n

ia

h

,

c

m

L

ic

zb

a

w

a

rs

tw

N

L

ic

zb

a

u

d

er

ze

ń

n

a

w

a

rs

tw

ę

n

O

b

ję

to

ść

cy

li

n

d

ra

V

,

d

m

3

M

a

x

.

w

ie

lk

o

ść

zi

a

rn

,

m

m

E

n

er

g

ia

je

d

n

o

st

k

o

w

a

E

,

J

/c

m

3

I

25

1,0

6

II

2,5

32

3

55

2,2

10

0,59

III

25

1,0

6

IV

4,5

48

5

55

2,2

10

2,65

Dobór do badania odpowiedniej metody zależy przede wszystkim od dwu czynników, od uziarnienia
gruntu (pyły, iły oraz piaski bada się w małym cylindrze, żwiry w cylindrze dużym) oraz od
zastosowanych na budowie nasypu maszyn zagęszczających (lekkie maszyny – E = 0,59 J/cm

3

,

ciężkie – E = 2,65 J/cm

3

). Grunty kamieniste, stosowane np. przy budowie zapór, bada się w

wielkowymiarowych urządzeniach, budowanych indywidualnie dla danego zadania.

9

Przykładowo parametry ubijania w metodzie I wynoszą: m = 2,5 kg, h = 32 cm,
n = 25, N = 3, V = 1000 cm

3

. Energia jednostkowa jest więc równa:

3

2

3

cm

J

59

,

0

s

cm

m

m

kg

1000

3

25

32

,

0

81

,

9

5

,

2

E

====

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

====

Po wyznaczeniu w badaniu Proctora maksymalnej gęstości objętościowej
szkieletu gruntowego

ρρρρ

ds

oraz obliczeniu gęstości objętościowej szkieletu, jaką

uzyskano w zagęszczanym na budowie nasypie

ρρρρ

dn

, można obliczyć wskaźnik

zagęszczenia

I

s

i porównać otrzymany wynik z wartością minimalną, ustaloną

przez projektanta nasypu. Powinna być spełniona nierówność:

proj

s

obl

s

I

I

≥≥≥≥

Wartości minimalnych wskaźników zagęszczenia są podane w normach doty-
czących

robót ziemnych. Przykładowo w normie PN-B-06050:1999

„Geotechnika. Roboty ziemne” znajduje się wymóg mówiący, że „wskaźnik
zagęszczenia nasypów, na których mają być posadowione fundamenty
konstrukcji, nie powinien być mniejszy niż 0,97”. Dane dla innego rodzaju
budowli ziemnych zawarte są w odpowiednich normach lub instrukcjach.
Istnieją odpowiednie normy dotyczące budowy nasypów drogowych (vide
następny slajd) lub np. zasypek wykopów instalacyjnych, itp.

10

Przy kontrolowaniu zagęszczenia nasypów drogowych, jako wymagane, minimalne
wartości wskaźnika zagęszczenia I

s

(oraz wtórnego modułu odkształcenia E

2

[MPa])

przyjmuje się dane pokazane na powyższym rysunku z normy PN-S-02205:1998 ‘’Drogi
samochodowe. Roboty ziemne’’ uzależnione, jak widać, od rodzaju gruntu i klasy
obciążenia drogi ruchem.

11

Porównanie parametrów zagęszczalności piasku
gliniastego przy różnych energiach zagęszczania:

1 - dla energii E

1

= 0,59 J/cm

3

: w

opt

= 11 % ;

ρ

ds

= 1,93

g/cm

3

,

2 - dla energii E

2

= 2,65 J/cm

3

: w

opt

= 8,5 % ;

ρ

ds

= 2,08

g/cm

3

.

Powyższy rysunek przedstawia dwie krzywe zagęszczalności, uzyskane dla tego
samego gruntu, przy dwu różnych energiach zagęszczania.

Na podstawie tego rysunku można stwierdzić, że zagęszczalność gruntu jest również
uzależniona od jednostkowej energii zagęszczania:

dla

E

2

> E

1

mamy

w

opt2

< w

opt1

oraz

ρρρρ

ds2

>

ρρρρ

ds1

12

Schemat postępowania dla oznaczenia I

s

:

a) pobranie w terenie z kontrolowanej warstwy formowanego nasypu
próbki NNS – oznaczenie

ρρρρ

dn

NNS

ρρρρ

, w

ρρρρ

dn

b) badanie w laboratorium w

opt

i

ρρρρ

ds

ρρρρ

ds

w

opt

w

ρρρρ

d

S

r

= 1

I

s

=

ρρρρ

dn

ρρρρ

ds

aparat Proctora

krzywa zagęszczalności

13

Wskaźnik zagęszczenia I

s

jest parametrem, który służy do oceny zagęszczenia

nasypów wykonanych

zarówno z gruntów sypkich jak i spoistych

. Dla nasypów z

gruntów spoistych jest to podstawowy sposób kontroli zagęszczenia.
Zagęszczenie nasypów z gruntów

sypkich

można również kontrolować przez

wyznaczenie

stopnia zagęszczenia I

D

. Jest to szczególnie wygodne, gdy ma się

do dyspozycji sondę dynamiczną, która pozwala szybko przeprowadzić pomiar.
Pomiędzy wskaźnikiem zagęszczenia, a stopniem zagęszczenia dla gruntów
grubnoziarnistych

piaszczystych

(FSa,

MSa,

CSa)

istnieje,

ustalona

doświadczalnie, następująca zależność korelacyjna

I

s

= 0,855 + 0,165

⋅⋅⋅⋅

I

D

Mając zatem ustalony wynik sondowania w postaci I

D

można łatwo obliczyć

odpowiadającą mu wartość I

s

dla nasypu.

14

Dla uzyskania realnych wartości I

s

ważne jest, aby jednostkowa energia zagę-

szczania stosowana w badaniu laboratoryjnym była porównywalna z energią
wydatkowaną przez sprzęt stosowany na budowie do zagęszczania nasypu.
Można przyjąć, że stosowana w laboratorium energia 0,59 J/cm

3

odpowiada

warunkom zagęszczania lekkim sprzętem (lekkie walce drogowe, walce na
pneumatykach o masie do 10 t, lekkie ubijaki itp.), natomiast energia 2,65
J/cm

3

odpowiada pracy ciężkiego sprzętu (walce o masie 20 - 30 t, ciężkie

walce wibracyjne powyżej 4 t, ciężkie ubijaki o masie powyżej 2 t itp.).

15

Rozścielenie gruntu z rów-
noczesnym, wstępnym za-
gęszczeniem; grubość war-
stwy 15 - 20 cm

Polewanie wbudowywane-
go gruntu wodą dla osiąg-
nięcia wilgotności opty-
malnej

16

walec gładki

walec okołkowany

Walce statyczne lub wibracyjne

Maszyny do zagęszczania gruntu

Walec na pneumatykach

17

Wgłębienia (kratery) uzyskane po

ubijaniu, h = 0,5 m

Zagęszczanie gruntu metodą

udarów o dużej energii

Urządzenie do ubijania gruntu

H = 15 m, Q = 55 kN,