Metody badania składu
Metody badania składu
granulometrycznego
granulometrycznego
gruntów
gruntów
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