Rodzaje wody w gruncie

Woda w gruntach może występować w trzech

stanach skupienia: ciekłym, stałym i gazowym.

Obecnie klasyfikuję się rodzaje wody w gruncie na

podstawie jej stanu skupienia, ruchliwości i

wzajemnego oddziaływania na cząstki gruntowe.

Woda znajdująca się w gruncie wpływa w

znacznym stopniu na jego zachowanie się pod

obciążeniem oraz powoduje zmiany właściwości

chemicznych,

fizycznych

i

mechanicznych

gruntów.

W oparciu o kryteria z poprzedniego slajdu
przyjmuje się przyjmuje się, że w podłożu
gruntowym występuje woda:

1) w postaci pary - jest częścią składową atmosfery gruntowej. Ogólna
jej ilość w gruncie przewyższa zaledwie 0,001 % ciężaru gruntu, jest
jedyną postacią wody, która może przemieszczać się w gruncie przy
nieznacznej jego wilgotności.

2) związana - cząstki gruntu są otoczone przez kilka koncentrycznych
warstw wody, które są utrzymywane przez grunt z różną siłą. Woda
związana stanowi 42 % całej wody zawartej w skorupie ziemskiej.
Zwłaszcza duża jej ilość występuje w gruntach spoistych. Wodę związaną
dzielimy na:

- silnie związana ( higroskopijna) - jest silnie połączona z powierzchnią
cząstek
gruntowych, nasyca ich zewnętrzną warstwę cząstkami wody zmieniając
ją.

- słabo związana ( błonkowata) - dzieli się na wodę błonkowatą
utwierdzoną
i wodę błonkowatą luźną.

3) wolna :

- gruntowa - woda gruntowa występuje w podziemnych nieckach i
łożyskach wypełnionych żwirami i piaskami, a więc w bardziej
przepuszczalnych gruntach niż niżej zalegające utwory (skały, iły, gliny
itp.). Wody gruntowe są zasilane przesiąkającą wodą deszczową,
infiltracją wód powierzchniowych z otwartych zbiorników wodnych i rzek
oraz kondensacją pary wodnej, znajdującej się w porach gruntów.
Występować mogą również odwrotne sytuacje. Woda gruntowa występuje
na powierzchni terenu w postaci źródeł lub zasila otwarte zbiorniki przez
ich dno.

- wsiąkowa - woda wsiąkowa (infiltracyjna) pochodzi z
opadów, przesącza się przez całą strefę aeracji do strefy
saturacji pod wpływem sił ciężkości z góry w dół tak długo,
aż napotyka warstwę gruntu o małej przepuszczalności –
praktycznie warstwę wodoszczelna. Wtedy gromadzi się
nad nimi, tworząc lokalne skupienia wody wolnej
nazywanej wodą zawieszoną.

5) w stanie stałym - Przy temperaturze gruntu 0ºC woda grawitacyjna
zamarza i występuje w gruncie w postaci lodu. Kryształy lodu w
większości przypadków odgrywają rolę lepiszcza spajającego cząstki
mineralne. Obecność lodu wyraźnie zmienia właściwości gruntu. Kolejne
zamarzanie i odmarzanie gruntu może doprowadzić do nieodwracalnych
zmian struktury ich właściwości.

4) kapilarna (włoskowata) - Woda kapilarna przenosi ciśnienie
hydrostatyczne, zamarza w temperaturze poniżej 0ºC, przy czym
temperatura jej zamarzania zależy od średnicy porów, w których
się znajduje. Wodę kapilarną dzieli się na trzy typy:

• wodę naroży porów

• wodę zawieszoną

• właściwą wodę kapilarną

6) krystalizacyjna i chemicznie związana - Woda krystalizacyjna i
woda chemicznie związana (konstytucyjna) biorą udział w budowie
siatek krystalicznych różnych minerałów.

Woda krystalizacyjna wchodzi w skład minerałów typu CaSO4 · 2H2O
(gips), przy czym zachowuje swoją postać cząsteczkową. Może być
wydzielona z minerałów, przy niższych temperaturach niż 200ºC, co
wpływa znacznie na zmianę wielu ich właściwości chemicznych i
fizycznych. Znaczną ilość zawartej w gipsie wody krystalizacyjnej
wydzielić można już po 32 – godzinnym ogrzewaniu w temperaturze
82ºC.

Woda chemicznie związana wchodzi w skład hydratów typu
wodorotlenków Ca(OH)2. Jej molekuły w wyniku reakcji chemicznej
rozpadają się na jony H+ i OH¯. W porównaniu z wodą krystalizacyjna
jest trwalej związana z innymi molekułami siatki krystalicznej.
Wydzielenie jej z minerałów możliwe jest tylko przez nagrzewanie przy
wysokich temperaturach, ponad 200ºC, co prowadzi do rozpadu
minerałów.

Oznaczanie wilgotności

wg normy PKN – CEN ISO/TS 17892 - 1

Ocena wilgotności ( metoda suszenia w suszarce) jest niezbędna do
klasyfikacji gruntów naturalnych i stanowi kryterium kontrolne dla
gruntów po powtórnym zagęszczeniu. Badania wilgotności wykonuje się
na próbkach, stosowanych w większości badań polowych i
laboratoryjnych. Metoda suszenia w suszarce jest metodą stosowaną w
codziennej praktyce laboratoryjnej.

wilgotność (w) – stosunek masy wody wolnej lub wody w porach
w danej masie gruntu do masy suchych stałych cząstek gruntu.

UWAGA! W tym znaczeniu za grunt suchy uważa się taki grunt, z
którego nie da się usunąć więcej wody w temperaturze 150±5°C.

Sprzęt potrzebny do wykonania

badania

Suszarka – wskazane jest by suszarka była wyposażona w wyciąg i

przystosowana do utrzymania stałej temperatury 150±5°C w
komorze suszącej. W suszarkach z wyciągiem, cyrkulacja
powietrza nie może być zbyt silna, by nie dochodziło do
wywiewania cząstek gruntu.

Waga – dokładność wagi powinna wynosić:

- ± 0,03 g dla próbek o masie mniejszej niż 200g

- ± 0,3 g dla próbek o masie od 200g do 1000g

- ± 3 g dla próbek o masie większej niż 1000g

UWAGA! Dokładność do trzech cyfr
znaczących.

Pojemniki (naczynia wagowe i

parowniczki)

Pojemniki ( naczynia wagowe i parowniczki) powinny być z materiału

odpornego na korozję i zmiany masy przy powtarzającym się
ogrzewaniu, chłodzeniu i czyszczeniu. Odpowiednia liczba
naczynek wagowych powinna mieć właściwie dopasowane
wieczka. Do każdego oznaczenia wilgotności potrzebne jest jedno
naczynko.

Należy używać następujących pojemników:

1) Dla gruntów drobnoziarnistych: szklane naczynko wagowe,

zamykane szklanym wieczkiem lub odporny na korozję
metalowy pojemnik.

2) Dla gruntów średnioziarnistych: odporna na korozję
parowniczka, mogąca pomieścić 500g gruntu.

3) Dla gruntów gruboziarnistych: odporna na korozję
parowniczka, mogąca pomieścić 4kg gruntu.

Procedura badania

1)

Przygotowanie próbki do badań:

a)

Przed badaniem próbki powinny być przechowywane w odpornych
na korozję naczynkach nie przepuszczających powietrza, w temp. od
3 do 30 °C z dala od bezpośredniego działania promieni
słonecznych.

b)

Oznaczenie wilgotności powinno być przeprowadzone
w jak najkrótszym czasie od momentu pobrania próbki.

c)

Sposób pobierania próbek do badań i ich masa zależą od celu
badania, rodzaju gruntu i rodzaju próbki.

d)

W przypadku dużych ilości gruntu, próbka powinna być pobrana po
uprzednim wymieszaniu gruntu. Minimalna masa wilgotnego gruntu
powinna być zgodna z tablicą 1.

e)

W przypadku małych próbek powinno się wybierać reprezentatywną
ilość gruntu w zależności od gruntu (grunt niespoisty, grunt spoisty).

Wykonanie badania

1) Próbkę należy umieścić w czystym, suchym naczynku

wagowym lub parowniczce o znanej masie. Wieczko (jeśli jest

używane) powinno być zamknięte, a masa naczynka i próbki

określona.

2) Zdjąć wieczko, umieścić naczynko w suszarce utrzymującej

temperaturę 105

o

C ± 5

o

C i suszyć do stałej masy.

3) Czas wymagany do uzyskania stałej masy zależy od rodzaju

gruntu, rozmiaru próbki, rodzaju suszarki i innych czynników.

W większości przypadków wystarczy od 16 do 24 godzin.

4) Po wysuszeniu próbki do stałej masy, pojemnik należy wyjąć z

suszarki.

5) Naczynko należy ponownie zamknąć, ostudzić do temperatury

pokojowej i zmierzyć masę naczynka i ostudzonej próbki.

Wyniki badań

Wilgotność gruntu oblicz się ze wzoru:

gdzie:

w – wilgotność (%);
m

1

– masa pojemnika i próbki w stanie wilgotnym (g);

m

2

– masa pojemnika i próbki w stanie suchym (g);

m

c

– masa pojemnika (g);

m

w

– masa wody (g);

m

d

– masa próbki w stanie suchym (g).

Sprawozdanie z badań

Sprawozdanie z badań powinno zawierać potwierdzenie,
że badanie zostało przeprowadzone zgodnie z normą:
PKN-CEN ISO/TS 17892-1 i powinno zawierać informacje
tj.:

1)

1)

Dane identyfikacyjne próby do badań (numer

Dane identyfikacyjne próby do badań (numer

otworu, numer próby, numer badania).

otworu, numer próby, numer badania).

2) Wartość wilgotności ( z dokładnością do trzech cyfr

2) Wartość wilgotności ( z dokładnością do trzech cyfr

znaczących).

znaczących).

3) Opis odstępstw od procedury.

3) Opis odstępstw od procedury.

Oznaczanie gęstości właściwej

metodą piknometru

wg normy PKN – CEN ISO/TS 17892-3

Metoda piknometru polega na oznaczeniu objętości znanej masy gruntu
metodą wyporu cieczy. Gęstość właściwą oblicza się z masy gruntu i
objętości. Metodę tę stosuje się dla gruntów o średnicy ziaren poniżej
4mm.

Gęstość właściwa (ρ

s

) – stosunek masy cząstek do ich

objętości.

UWAGA! W gruntach porowatych, które zwierają pory
zamknięte, cząstki mają gęstość pozorną. Jest to
konsekwencją wypełnienia zamkniętych porów
powietrzem.

Sprzęt potrzebny do wykonania

badania

Waga – powinna mieć dokładność przynajmniej do 0,001g i zakres

200g.

Piknometr – powinien
mieć

pojemność

przynajmniej

50ml.

Powinien

być

zaopatrzony w szklaną
zatyczkę

z

rurką

kapilarną,

dokładnie

dopasowaną do kolby.

Sprzęt potrzebny do wykonania

badania

Łaźnia wodna – powinna być zaopatrzona w termostat, z różnicami

temperatur nie przekraczającymi ±0,5°C.

Termometr – powinien mieć odczyt z dokładnością do 0,1°C.

Powinien zwierać szklaną zatyczkę piknometru. Ewentualnie może
być umieszczony w łaźni wodnej jak najbliżej piknometru.

Kolba – kolba z pompką wysysającą powietrze.

Wstrząsarka – potrzebna do uzyskiwania reprezentatywnej próbki

gruntu.

Suszarka – suszarka utrzymująca temperaturę 105±5°C.

Sprzęt potrzebny do wykonania

badania

Płyn kontrolny:

a) Płyn kontrolny z destylowanej, demineralizowanej lub
dejonizowanej wody.

b) W celu przyspieszenia całkowitej saturacji i
depozycji, można użyć płynu o mniejszych
naprężeniach powierzchniowych niż woda ( np..
etanol, chlorek winylu, nafta). Jest to szczególnie
ważne dla drobnych ziaren.

c) Gdy badanie dotyczy gruntu zawierającego
głównie materię organiczną, można użyć nafty,
toluenu lub heksanu. Lepiej jest stosować heksan,
gdyż jest mniej szkodliwy dla zdrowia niż toluen.

UWAGA! Użycie innych płynów niż woda może
spowodować zagrożenie dla zdrowia lub
bezpieczeństwa, lub w niektórych krajach być
niezgodne z prawem.

Procedura badań

1)

Kalibracja:

a)

Masa szkieletu gruntowego m

0

czystego i wysuszonego piknometru,

oznaczona z dokładnością do 0,001g.

b)

Piknometr i rurkę kapilarną należy wypełnić płynem kontrolnym tak, aby
nie było w nich powietrza

c)

Piknometr należy umieścić w łaźni wodnej. Tylko szyjka, stoper i rurka
kapilarna mogą wystawać ponad powierzchnię wody w łaźni. Zanurzenie
powinno trwać tak długo, aż temperatura płynu w piknometrze osiągnie
taką samą temperaturę, jak woda w łaźni.

d)

Należy sprawdzać poziom płynu w piknometrze. Płyn powinien być
dodawany lub usuwany w razie potrzeby. W zależności od piknometru,
poziom płynu powinien być na poziomie znaku kalibracji lub na szczycie
kapilary.

e)

Po wyciągnięciu piknometru z łaźni należy go natychmiast wysuszyć.

f)

Całkowitą masę należy oznaczyć natychmiast, z dokładnością do 0,001g
(m

1

).

Procedura badań

2) Wymagania odnośnie próbki:

a)

Próbkę można wysuszyć w suszarce lub pobrać z gruntu w stanie
naturalnym.

b)

Wybrana próbka powinna być reprezentatywna dla gruntu i powinna
mieć przynajmniej 10g. Jeśli grunt zawiera głównie materię organiczną,
wybrana próbka powinna mieć objętość przynajmniej 75ml. W takim
przypadku należy użyć piknometru o objętości przynajmniej 100ml.

c)

Suche próbki należy wysuszyć w suszarce, w temperaturze

105±5°C,

aż masa próbki będzie stała.

Czas wymagany do uzyskania stałej

masy zależy od rodzaju gruntu, rozmiaru próbki, rodzaju suszarki i
innych czynników. Wpływ tych czynników można ustalić na podstawie
właściwej oceny i doświadczenia. W większości przypadków 16-24h
wystarcza.

d)

Jeśli gęstość cząstek stałych ma być oznaczona bez porów, cały materiał
należy najpierw zmielić, aż usunięte zostaną wszystkie pory.

Wykonanie badania

METODA A: Próbki suszone w suszarce.

1)

Piknometr powinien być umyty i wysuszony. Próbkę należy przenieść do piknometru.

Masa całkowita powinna być oznaczona natychmiast, z dokładnością do 0,001g (m

2

).

2)

Piknometr z próbką należy wypełnić płynem kontrolnym, aż płyn osiągnie poziom od 10

mm do 20 mm powyżej gruntu.

3)

Powietrze należy usunąć jedną z poniższych metod:

a) Próbkę można gotować przez 10 min, a następnie ostudzić do temp. pokojowej.
b) Próbkę można umieścić próżni przynajmniej na 30 min albo przez przyłączenie

piknometru bezpośrednio do aspiratora lub pompy próżniowej, albo z użyciem kolby z

odpowietrzeniem.
c) Można zastosować odpowietrzoną wodę oraz usunąć powietrze poprzez

przytrzymywanie piknometru pod pewnym kątem, obracając go wokół dłuższej osi,

lekko opukując.

4)

Piknometr należy doprowadzić do stałej temperatury. Masę piknometru całkowicie

wypełnionego nasyconą próbką i płynem kontrolnym ( m

3

) należy oznaczyć z

dokładnością do 0,001g.

Wykonanie badania

METODA B: Próbki wilgotne.

1)

Próbka powinna być umieszczona w wykalibrowanym piknometrze.

Próbki gruntów ilastych należy rozproszyć w wodzie destylowanej przed

umieszczeniem w piknometrze.

2)

Masa piknometru z próbką ( m

3

) powinna być zgodna z punktem 2 i 4

metody A.

3)

Próbkę należy usunąć z piknometru i wysuszyć do stałej masy w

suszarce, w temperaturze 105±5°C.

4)

Masa suchej próbki powinna być oznaczona z dokładnością do 0,001g (

m

4

).

5)

Masę szkieletu gruntowego piknometru należy dodać do masy szkieletu

gruntowego próbki, by uzyskać m

2

.

Wyniki badań

Masa szkieletu gruntowego próbki.

Dla metody A masę szkieletu gruntowego próbki uzyskujemy ze wzoru:

Gęstość właściwa.

Gęstość właściwą oblicza się ze wzoru:

ρ

s

– gęstość właściwa

m

0

– masa szkieletu gruntowego piknometru

m

1

– masa piknometru całkowicie

wypełnionego pełnym kontrolnym

m

2

– masa szkieletu gruntowego piknometru z

suchą próbką

m

3

– masa piknometru całkowicie

wypełnionego nasyconą próbką i płynem
kontrolnym

m

4

– masa szkieletu gruntowego próbki

ρ – gęstość płynu kontrolnego ( tablica 1)

Wyniki badań

Jeśli m

1

i m

3

są oznaczone w różnych temperaturach, wzór poprzedni na ρ

s

przyjmuje postać:

ρ

w;1

– gęstość płynu kontrolnego przy oznaczonym m

1

ρ

w;3

– gęstość płynu kontrolnego przy oznaczonym m

3

Jeśli zamiast wody użyto innego płynu kontrolnego,
gęstość tego płynu powinna być oddzielnie oznaczona.

Sprawozdanie z badań

Sprawozdanie z badań powinno potwierdzać, że badanie przeprowadzone

zgodnie z niniejszą normą i powinno zawierać następujące informacje:

a)

Dane identyfikacyjne próby do badań ( numer otworu, numer próby,
numer badań).

b)

Wartość gęstości właściwej, w Mg/m

3

( z dokładnością do trzech cyfr

znaczących).

c)

Typ płynu kontrolnego, jeśli jest inny niż woda destylowana.

d)

Datę oznaczenia.

e)

Wszelkie odchylenia od procedur i szczegóły istotne dla interpretacji
wyników, np.. Mielenie próby.

Cechy fizyczne pochodne od

wilgotności i gęstości

1) Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego ( ρ

d

) - stosunek masy

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

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 gęstości objętościowej szkieletu jest konieczna do
obliczenia porowatości, wskaźnika porowatości i wskaźnika
zagęszczania nasypów.

Cechy fizyczne pochodne od

wilgotności i gęstości

Porowatością gruntu ( n ) - nazywamy stosunek objętości porów V

p

w

danej próbce gruntu do objętości całego gruntu V (szkielet gruntu + pory).
Porowatość oblicza się ze wzoru:

Wobec trudności bezpośredniego pomiaru objętości porów V

p

i objętości

szkieletu V

s

wykorzystuje się metodę pośrednią, opartą na

zależnościach wynikających z rysunku.

Cechy fizyczne pochodne od

wilgotności i gęstości

Wykorzystując następujące wzory:

otrzymuje się zależność:

Cechy fizyczne pochodne od

wilgotności i gęstości

Wskaźnikiem porowatości gruntu ( e ) - nazywamy stosunek objętości porów V

p

do

objętości cząstek gruntu (szkieletu gruntowego) V

s

. Wskaźnik ten oblicza się ze wzoru:

Pomiędzy wskaźnikiem porowatości a porowatością istnieją zależności, które
ilustruje
rysunek.

Cechy fizyczne pochodne od

wilgotności i gęstości

Wilgotność całkowitą ( w

r

) - w procentach oblicza się ze wzoru:

Grunt ma wilgotność całkowitą, gdy jego pory są całkowicie wypełnione wodą.

Stopień wilgotności gruntu ( S

r

) - określa stopień wypełnienia porów

gruntu wodą.
Obliczamy go ze wzoru:

Cechy fizyczne pochodne od

wilgotności i gęstości

Zależnie od wartości stopnia wilgotności gruntu S

r

rozróżniono następujące

stany zawilgocenia gruntów niespoistych (PN-86/B-02480):

• suchy, jeżeli S

r

= 0,

• mało wilgotny, jeżeli 0 < S

r

≤ 0,4,

• wilgotny, jeżeli 0,4 < S

r

≤ 0,8,

• nawodniony, jeżeli 0,8 < S

r

≤ 1,0.

Maksymalną wartością stopnia wilgotności S

r

, przy której pory są całkowicie

wypełnione wodą, jest 1. W innych przypadkach w porach gruntu obecne jest

również

powietrze (para wodna).

DZIĘKUJĘ

WSZYSTKIM ZA

UWAGĘ ( tym którzy ja

zachowali ;) )

created by Kamil Baś