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)

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 głównie 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 objętościową i wilgotność, 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,

a jego

gęstością objętościową szkieletu

.

Krzywe zagęszczalności piasku
gliniastego

1 - dla energii E

1

= 0,59 J/cm

3

2 - dla energii E

2

= 2,65 J/cm

3

Wyniki badania Proctora przedstawia się
w postaci krzywej zagęszczalności, w
układzie współrzędnych w -

ρρρρ

d

6

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 potrzeb jego
podsuszanie lub zwiększanie zawartości wody.

Jak widać z powyższych krzywych

zagęszczalność

gruntu jest również

uzależniona od

jednostkowej energii zagęszczania E

:

dla

E

2

> E

1

mamy

w

opt2

< w

opt1

oraz

ρρρρ

ds2

>

ρρρρ

ds1

7

Schemat postępowania dla oznaczenia I

s

:

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

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

8

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

]

. Jednost-

kową energię zagęszczania gruntu

E [J/cm

3

]

można 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

.

9

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

10

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

(projektową), 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”. Wymagane wartości
wskaźnika zagęszczenia w poszczególnych warstwach nasypów drogowych, w
zależności od obciążenia ruchem, są zamieszczone w postaci rysunku w normie
PN-S-02205:1998 „Drogi samochodowe. Roboty ziemne”.

11

Wymagane wartości wskaźnika zagęszczenia I

s

oraz wtórnego modułu odkształcenia E

2

[MPa] dla nasypów drogowych w zależności od rodzaju gruntu i klasy drogi wg PN-S-
02205:1998 ‘’Drogi samochodowe. Roboty ziemne’’

12

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 lub statyczna, które pozwalają szybko
przeprowadzić pomiar. Pomiędzy wskaźnikiem zagęszczenia, a stopniem
zagęszczenia dla gruntów gruboziarnistych piaszczystych (FSa, MSa, CSa)
istnieje, ustalona doświadczalnie, następująca zależność korelacyjna

I

s

= 0,855 + 0,165

⋅⋅⋅⋅

I

D

Mając zatem wynik sondowania w postaci I

D

można łatwo obliczyć

odpowiadającą mu wartość I

s

dla kontrolowanego nasypu.

13

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.).

14

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

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

15

walec gładki

walec okołkowany

Walce statyczne lub wibracyjne

Maszyny do zagęszczania gruntu

Walec na pneumatykach

16

Wgłębienia (kratery) o głęb. ok. 0,5 m

uzyskane po kilkakrotnym ubijaniu w

jednym miejscu – zasięg zagęszczania do

kilku metrów w głąb

Zagęszczanie gruntu metodą

udarów o dużej energii przez

swobodne zrzucanie ciężaru o

dużej masie z dużej wysokości

Urządzenie do ubijania gruntu

H = 15 m, Q = 55 kN,