Metody badania składu

Metody badania składu

granulometrycznego

granulometrycznego

gruntów

gruntów

Metody badania



Sitowa – dla żwirów i piasków o uziarnieniu

powyżej 0,07mm,



Areometryczna – dla gruntów spoistych,

zawierających dużą ilość cząstek mniejszych

od 0,07mm,



Pipetowa – dla gruntów spoistych,

zawierających dużą ilość cząstek mniejszych

od 0,07mm.

Analiza sitowa

Polega na określeniu składu

granulometrycznego gruntu przez rozdzielenie

poszczególnych frakcji w wyniku rozsiewania

próbki na znormalizowanych sitach i obliczaniu

w procentach zawartości ziaren, pozostających

na kolejnych sitach, w stosunku do całkowitej

masy badanej próbki.

Przebieg badania:

Przyrządy:



Komplet sit o wymiarach: 25; 10;
2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 oraz 0,070 lub
0,063 [mm]



Wstrząsarka



Waga techniczna

1. Z próbki przeznaczonej do badania usunąć ziarna o średnicy powyżej

40 [mm]. Grunt przeznaczony do badania wysuszyć do stałej masy w
temp. 105 – 110˚C.

2. Zważyć około 1000[g] gruntu.

3. Komplet czystych i suchych sit należy ustawić w ten sposób, aby

najwyżej znalazło się sito o największym wymiarze oczek, a następnie
kolejne sita o coraz mniejszych oczkach. Spód stanowi płaskie
naczynie do zebrania pozostałości przesiewanego gruntu.

4. Wsypać próbkę gruntu na sito górne, a następnie przykryć je

szczelnym wieczkiem i przymocować uchwytami.

5. Uruchomić wstrząsarkę na 5 minut.

6. Po zakończeniu przesiewania pozostałości na poszczególnych sitach

zważyć.

Analiza sitowa

Obliczanie wyników:

Zawartość procentową poszczególnych frakcji (Zi) należy obliczać
według wzoru:

Z

i

= (m

i

/m

s

) · 100%

gdzie:
Z

i

– procentowa zawartość danej frakcji [%]

m

i

– masa danej frakcji pozostałej na sicie

m

s

– masa szkieletu gruntowego

(całej próbki wysuszonej do stałej masy).
Uzyskane wyniki nanosi się na wykres uziarnienia.

Analiza sitowa

Analiza areometryczna

Metoda sedymentacyjna. Polega na przygotowaniu

jednorodnej zawiesiny badanego gruntu i wyznaczeniu jej

gęstości objętościowej, zmniejszającej się, w miarę

opadania cząstek zawiesiny.

Przebieg badania:



Przygotowujemy zawiesinę.



Po bardzo dokładnym wymieszaniu zawiesiny otrzymujemy w

każdym jej punkcie w cylindrze tę samą zawartość takich samych

cząstek.



Z chwilą postawienia cylindra z zawiesiną na stole rozpoczyna się

opadanie jej cząstek w dół. Prędkość opadania cząstek w wodzie

zależy od ich średnicy i lepkości cieczy. W cylindrze umieszczamy

areometr do pomiaru gęstości objętościowej.



Cząstki o jednakowych wymiarach opadają na całej wysokości

cylindra z jednostajną prędkością. W dolnych partiach zawiesiny na

miejsce cząstek , które opadły niżej, wchodzą od góry w tej samej

ilości nowe cząstki o tych samych wymiarach, czyli gęstość

objętościowa zawiesiny na tych poziomach nie zmienia się w

początkowym okresie.



Zmienia się natomiast gęstość zawiesiny w górnych partiach, bo w

miejsce większych cząstek., które opadły na dół, nie mogą wejść od

góry takie same następne cząstki, gdyż zdążyły już opaść poniżej

rozpatrywanego poziomu.



Po upływie czasu określonego w normie mierzymy głębokość

zanurzenia areometru H

R.

Obliczanie wyników:

Wzór Stokesa – określający średnicę cząstki:

d

T

= sqrt[(18/(ρ

s

-ρ

w

))*(η/g)*(H

R

/T)]

gdzie: H

R

– droga cząstki (cm),

T – czas opadania cząstki =czas pomiaru (s),

ρ

s

– gęstość właściwa szkieletu gruntowego (g*cm

-3

),

ρ

w

– gęstość właściwa wody,

g – wartość przyspieszenia ziemskiego (981cm*s

-2

),

η – współczynnik lepkości (10

-1

Pa*s),

d

T

– średnica zastępcza cząstki (cm).

Procentową zawartość cząstek o znanej (obliczonej) średnicy,

zawartych w badanej próbce, wyznacza się za pomocą wzoru:

Z

T

= [(ρ

s

*R

T

*100)/( m

s

(ρ

s

-ρ

w

))],

gdzie: Z

T

– procentowa zawartość cząstek o średnicach mniejszych niż

d

T

(%),

m

s

– masa szkieletu gruntowego (g),

R

T

– skrócony wskaźnik odczytu dla czasu opadania T.

Analiza pipetowa

Stosujemy ją do określania zawartości frakcji pyłowej i iłowej w gruncie.

Podobnie, jak analiza areometryczna, jest metodą sedymentacyjną. Zakłada się
więc przy niej, że w warunkach dostatecznego rozcieńczenia, po dokładnym
wymieszaniu w cylindrze próbki z wodą, zawiesina jest w każdym punkcie
jednorodna, a poszczególne frakcje opadają (niezależnie jedne od drugich) z
szybkością określoną wzorem Stokesa.

Cząstki gruntu o określonej średnicy d

T

wymagają jakiegoś czasu T, aby

przebyć określoną drogę h od powierzchni zawiesiny. Po upływie czasu T od
momentu wstrząśnięcia zawiesiny w cylindrze wszystkie cząstki o średnicy
większej od d

T

będą znajdować się poniżej pewnej głębokości h od powierzchni

cieczy, a do głębokości h mogą znajdować się cząstki o średnicy d

T

lub o średnicy

mniejszej od d

T

, w takim stężeniu w jakim znajdowały się na początku analizy w

całej zawiesinie. Jeśli więc w tym momencie z głębokości h cieczy pobierze się
próbę zawiesiny o objętości a cm

3

i oznaczy w niej masę suchych cząstek

gruntowych, to po przeliczeniu na całą pierwotną objętość zawiesiny otrzyma się
w badanej próbce gruntu procentową zawartość cząstek o określonych
wymiarach.

Wyniki analizy pipetowej

Przy stosowaniu tej metody, zakładając długość drogi opadającej cząstki, chcemy

wiedzieć, po jakim czasie cząstka o założonej średnicy przebędzie określoną drogę.

Przekształcając odpowiednio wzór Stokesa można otrzymać czas trwania tej

sedymentacji:

T=[(9ηh)/2(ρ

s

-ρ

w

)g]*[4/(0,01*d

T2

)]

gdzie: h – droga cząstki (cm)
0,01 – współczynnik przeliczeniowy z mm na cm.

Wyniki analizy pipetowej podaje się w procentach w stosunku do masy całej próbki m

s

,

którą oblicza się ze wzoru:
m

s

= (m

m

100)/(w+100)

gdzie: m

m

– masa próbki wilgotnej w g,

w – wilgotność naturalna próbki użytej do badania w %.

Jeśli każdorazowe m

sd

(masa cząstek o średnicy < d

T

zawartych w objętości 10cm

3

)

pomnoży się przez 100, to otrzyma się masę frakcji mniejszych od danej średnicy d

T

zawartych w całej zawiesinie. Procentową zawartość tych frakcji otrzymuje się ze

wzoru:

x%= [(m

sd

*100)/m

s

]*100

Zaletą metody pipetowej jest to, że można za jej pomocą badać stosunkowo silnie

rozcieńczone zawiesiny. Oprócz tego daje ona możliwość wyznaczania w gruncie

procentowej zawartości bardzo drobnych frakcji (do 0,3μm ).

Kilka definicji



Frakcja – zbiór ziaren kruszywa zawierający się między dwoma sitami

kontrolnymi, będącymi górną i dolną granicą frakcji, następującymi kolejno

po sobie; np. frakcja 2/4mm oznacza kruszywo przechodzące przez sito #

4mm i pozostające na sicie # 2mm.



Średnica zastępcza: - ziarna – jest to średnica oczka sita, przez które już

dane ziarno nie przechodzi,

- cząstki – jest to średnica kuli opadającej w wodzie z

taką samą prędkością co rzeczywista cząstka gruntu.

Porównanie frakcji według PN i ISO:
Frakcje: iłowa, pyłowa, piaskowa, żwirowa w zasadzie pozostają niemal

zgodne z frakcjami według PN; zmieniły się jedynie granica frakcji pyłowej z

iłową z 0,05mm na 0,063mm i granica frakcji żwirowej z kamienistą z 40mm

na 63mm. Wprowadzono ponadto trzy podfrakcje w obrębie każdej frakcji.

Wartość średnic na granicy poszczególnych frakcji i podfrakcji ma zawsze te

same cyfry znaczące: 2 lub 6,3. Frakcja kamienista według PN nie ma

swojego odpowiednika w nazwie frakcji według ISO; w normie ISO

zachowała się tylko nazwa podfrakcji – gruntów bardzo gruboziarnistych –

kamienista. Decydujące o rozróżnieniu piasków podfrakcje według PN

zmieniły nieznacznie swoje granice według ISO; tam, gdzie cyfrą znaczącą

na granicy podfrakcji była cyfra 5 zmieniła się ona na 6,3, a cyfra znacząca

2,5 zmieniła się na 2.
Brak ogólnej, jednowyrazowej nazwy obejmującej frakcje: kamienie, głazy,

duże głazy.

Krzywe uziarnienia

Krzywe uziarnienia wykonuje się na specjalnie w

tym celu przygotowanych siatkach, na których na

osi odciętych w skali logarytmicznej są

przedstawione wymiary średnic zastępczych ziaren i

cząstek, na osi rzędnych w podziałce zwykłej jest

przedstawiona procentowa zawartość ziaren.

Procentową zawartość ziaren uzyskaną z analizy

sitowej nanosi się według skali umieszczonej po

prawej stronie wykresu. Aby uzyskane dane z

analizy sitowej przygotować do wykonania krzywej

uziarnienia, sumuje się kolejno procentowe

zawartości danych

frakcji. Z uzyskanej

krzywej uziarnienia

odczytuje się

zawartość

poszczególnych frakcji

żwiru i piasku, a mając

te dane można określić

nazwę gruntu.

Określanie rodzaju gruntu
według PN

Trójkąt Fereta to trójkąt równoboczny, którego boki są podzielone na 10
równych części. Z punktów podziału boków trójkąta są poprowadzone linie
równoległe do pozostałych boków. Każdy z boków reprezentuje zawartość od 0 do
100% jednej z frakcji. Pole trójkąta jest podzielone na części, z których każda, w
zależności od jej położenia w stosunku do boków trójkąta, reprezentuje określoną
nazwę gruntu. Odkładając uzyskaną zawartość frakcji na odpowiednim boku
trójkąta, prowadzi się z tego punktu linię równoległą do linii zerowej dla danej
frakcji w kierunku środka trójkąta. Linie wyprowadzone ze wszystkich trzech
boków trójkąta, charakteryzujące trzy frakcje danego gruntu, muszą się przeciąć
w jednym punkcie wewnątrz trójkąta. Punkt ten, znajdujący się na określonej
części pola trójkąt, wyznacza rodzaj i nazwę badanego gruntu.

Przykład: Określić nazwę gruntu jeżeli skład
granulometryczny był następujący:
frakcji piaskowej – 45%
frakcji pyłowej – 37%
frakcji iłowej – 18%

W normie PN rodzaj gruntu można ustalać, korzystając z tabeli, w której
zestawiono rodzaje gruntów i odpowiadające im zawartości poszczególnych
frakcji lub z graficznej konstrukcji w postaci trójkąta Fereta.

Oprócz podziału gruntów drobnoziarnistych, podanego na
trójkącie Fereta posiłkujemy się dodatkową klasyfikacją
gruntów żwirowych oraz piasków.

Klasyfikacja żwirów i piasków

Nazwa gruntu

Zawartość ziaren

O

wymiara

ch

W procentach

Żwir

>2mm

≥50

Pospółka

>2mm

10 – 50

Piasek

gruboziarnisty

>0,5mm

≥50

Piasek średni

>0,25mm

≥50

Piasek drobny

>0,25mm

<50

Piasek pylasty

>0,25mm

<50

Lecz frakcji

pyłowej

10 – 30

A iłowej 0 – 2

Określanie rodzaju
gruntu według ISO

Na bokach trójkąta zaznaczono skalę
zawartości frakcji: piaskowej, żwirowej i
frakcji drobnoziarnistej, tj. łącznie frakcji
pyłowej z iłową. Pod trójkątem znajduje się
diagram, na którym zaznaczono obszary
gruntów drobnoziarnistych, służących do
rozróżnienia gruntów wyszczególnionych w
dowolnym obszarze na trójkącie. Mając
określone – z krzywej uziarnienia –
zawartości frakcji, nanosi się grunt na
trójkąt, zgodnie z zaznaczonymi
kierunkami (kierunki są inne niż na
trójkącie Fereta). Grunt przedstawiony na
rysunku składa się z następujących frakcji:
żwirowej 4%, piaskowej 42%, pyłowej 41%,
iłowej 13%. Po naniesieniu gruntu na
trójkąt przenosimy ten grunt na diagram
według zawartości frakcji drobnoziarnistej
(Si + Cl) i frakcji iłowej zredukowanej (Cl’)
jak pokazano linią przerywaną na rysunku.
Ponieważ grunt znalazł się na diagramie w
obszarze gruntów oznaczonych symbolem
siCl, to spośród czterech gruntów na
trójkącie, dla tego gruntu wybieramy ten z
oznaczeniem siCl tzn. grunt sasiCl. Nazwa
tego gruntu brzmi: ił pylasto piaszczysty.

Wzorki i definicje

Wskaźnik niejednorodności uziarnienia gruntu – U – stosunek średnicy cząstek, poniżej

której jest 60% cząstek mniejszych, do średnicy cząstek, poniżej której jest 10% cząstek

mniejszych w danym gruncie.
U = d

60

/d

10

gdzie: U – wskaźnik niejednorodności uziarnienia,
d

60

– średnica cząstek, poniżej której jest 60% cząstek w danym gruncie,

d

10

– średnica cząstek, poniżej której jest 10% cząstek w danym gruncie.

Podział gruntu ze względu na wskaźnik niejednorodności uziarnienia:
U≤5 – grunt równoziarnisty
5<U≤15 – grunt nierównoziarnisty
15≥U – bardzo nierównoziarnisty

Cecha dominacji:
C

d

= (d

90

*d

10

)/d

502

gdzie: Cd – cecha dominacji,
d

90

– średnica ziaren lub cząstek, poniżej której jest 90% ziaren lub cząstek w danym

gruncie,
d

50

– średnica ziaren lub cząstek, poniżej której jest 50% ziaren lub cząstek w danym

gruncie,
d

10

– średnica ziaren lub cząstek, poniżej której jest 10% ziaren lub cząstek w danym

gruncie.
Cecha dominacji równa jest jeden, gdy krzywa uziarnienia jest symetryczna w stosunku do d

50

.

Cecha ta charakteryzuje przewagę określonych frakcji gruntowych.

Przykład

Zestawienie wyników analizy

sitowej:

Z

i

= (m

i

/m

s

) · 100%

Wymiar

oczek

sita [mm]

Masa

pozostałości

na sicie [g]

Zawartość

frakcji

[%]

Suma zawartości

frakcji

[%]

25

0

0

0

10

0

0

0

2,0

0

0

0

1,0

13

5

5

0,5

23

10

15

0,25

29,4

13

28

0,10

46

20

48

0,06

50,6

22

70

pozostałość

68

30

100

Suma:

230

100

100

m

s

m

i

Z

i

Rysowanie wykresu
uziarnienia

[mm] –
Σ[%]

25 – 0

10 – 0

2,0 – 0

1,0 – 5

0,5 – 15

0,25 – 28

0,1 – 48

0,06 – 70

<0,06 – 100

Określanie nazwy gruntu wg PN

Ilość frakcji żwirowej (40 – 2mm) wynosi: 0%
Ilość frakcji piaskowej (2 – 0,05mm) wynosi:

76%

Ilość frakcji pyłowej (0,05 – 0,002mm) wynosi:

21%

Ilość frakcji iłowej (<0,002mm) wynosi: 3%

76

21

3

Badana próbka gruntu to:

PIASEK GLINASTY

Charakterystyka gruntu:

Wskaźnik niejednorodności uziarnienia:

U = d

60

/d

10

U=0,16/0,009
U≈17,8

d

10

=0,00

9

d

60

=0,16

Podział gruntu ze względu na wskaźnik niejednorodności
uziarnienia:

U≤5 – grunt równoziarnisty
5<U≤15 – grunt nierównoziarnisty
15≥U – bardzo nierównoziarnisty

Charakterystyka gruntu:

Cecha dominacji:

C

d

= (d

90

*d

10

)/d

502

C

d

= (0,81*0,009)/(0,1)

2

C

d

= 0,729

d

10

=0,00

9

d

50

=0,1 d

90

=0,81

Cecha ta charakteryzuje przewagę określonych frakcji gruntowych. Jeżeli C

d

>1,

to w gruncie jest dominacja ziaren grubszych, w odniesieniu do d

50

, a gdy C

d

<

1 (tak jak w tym wypadku) to dominują ziarna drobniejsze, w odniesieniu do
d

50

.

Określanie nazwy gruntu według ISO

Ilość f. żwirowej (63 – 2mm) wynosi: 0%
Ilość f. piaskowej (2 – 0,063mm) wynosi: 68%
Ilość f. pyłowej (0,063 – 0,002mm) wynosi: 29%
Ilość f. iłowej (<0,002mm) wynosi: 3%

68

0

32

Po naniesieniu gruntu na trójkąt
przenosimy ten grunt na diagram
według zawartości frakcji
drobnoziarnistej (Si + Cl) i frakcji iłowej
zredukowanej (Cl’) jak pokazano linią
przerywaną na rysunku.
Grunt ten znalazł się na diagramie w
obszarze gruntów oznaczonych
symbolem si, więc spośród dwóch
gruntów na trójkącie, dla naszego
gruntu wybieramy ten z oznaczeniem si
tzn. grunt siSa. Nazwa tego gruntu
brzmi:
PIASEK PYLASTY.

si

}

3

Bibliografia



„Laboratoryjne badania gruntów”, Elżbieta Myślińska, Wydawnictwo
Naukowe PWN, Warszawa 1998



„Grunty budowlane. Część II. Laboratoryjne badania fizycznych cech
gruntów”, J. Pałka, L. Sanecki, Politechnika Krakowska, Kraków 1993



„Zarys geotechniki”, Zenon Wiłun, Wydaw. Komunikacji i Łączności,
Warszawa 2005



Strony internetowe:
http://www.up.wroc.pl/~kajewski/dydaktyka/hydrogeo/fizyczne.pdf
http://www.uz.zgora.pl/iis/pliki/mechanika_gruntow_i_geotechnika/1.pdf
http://www.i-b.pl/gt/gt011/gt011s044/gt011s044.pdf
http://www.wis.pk.edu.pl/s-2/pliki_lab/instrukcje/analiza_sitowa.pdf