03 - Zagęszczalność gruntów

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

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

. Jest to

stosunek

gęstości objętościowej szkieletu gruntu w nasypie

ρρρρ

maksymalnej

wartości gęstości objętościowej szkieletu tego gruntu

ρρρρ

, wyznaczonej w

warunkach laboratoryjnych w badaniu Proctora

====

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

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

= 0,59 J/cm

2 - dla energii E

= 2,65 J/cm

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

ρρρρ

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

opt

, zaś odpowiadającą jej

maksymalną

gęstość objętościową szkieletu

oznaczamy jako

ρρρρ

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

mamy

opt2

< w

opt1

oraz

ρρρρ

ds2

ρρρρ

ds1

Schemat postępowania dla oznaczenia I

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

NNS

ρρρρ

, w

ρρρρ

b) badanie w laboratorium w

opt

ρρρρ

opt

ρρρρ

= 1

ρρρρ

aparat Proctora

krzywa zagęszczalności

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

przy pomocy ubijaka o masie

[kg]

spadającego z wysokości

h [cm]

. Na

każdą ubijaną warstwę przypada

uderzeń.

Objętość cylindra wynosi

V[cm

]

. Jednost-

kową energię zagęszczania gruntu

E [J/cm

]

można obliczyć z zależności:

⋅⋅⋅⋅

====

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

oraz 2,65 J/cm

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

ść

ję

ść

1,0

2,5

2,2

0,59

III

1,0

4,5

2,2

2,65

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

. Energia jednostkowa jest więc równa:

1000

====

⋅⋅⋅⋅

====

Po wyznaczeniu w badaniu Proctora maksymalnej gęstości objętościowej
szkieletu gruntowego

ρρρρ

oraz obliczeniu gęstości objętościowej szkieletu, jaką

uzyskano w zagęszczanym na budowie nasypie

ρρρρ

, można obliczyć wskaźnik

zagęszczenia

i porównać otrzymany wynik z wartością minimalną

(projektową), ustaloną przez projektanta nasypu. Powinna być spełniona
nierówność:

proj

obl

≥≥≥≥

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”.

Wskaźnik zagęszczenia I

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

. 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

= 0,855 + 0,165

⋅⋅⋅⋅

Mając zatem wynik sondowania w postaci I

można łatwo obliczyć

odpowiadającą mu wartość I

dla kontrolowanego nasypu.