Ćwiczenie nr 2

Wyznaczanie gęstości właściwej

i objętościowej szkieletu gruntowego

oraz gęstości objętościowej

i wilgotności naturalnej gruntu

Grunty składają się z oddzielnych ziarn i cząstek, które stanowią szkielet gruntowy. Pomiędzy nimi znajdują się pory wypełnione wodą lub wodą z gazami (rys.2.1). Cechy fizyczne gruntu można podzielić na:

podstawowe: tj. gęstość właściwą, gęstość objętościową i wilgotność

pochodne: tj. gęstość objętościową szkieletu gruntowego, porowa-tość, wskaźnik porowatości, wilgotność całkowitą, stopień wilgotności, stopień zagęszczenia, stopień plastyczności i wskaźnik zagęszczenia.

Wielkości podstawowe wyznacza się na podstawie badań laboratoryjnych. Ich znajomość pozwala na określenie cech pochodnych.

2.1. Wyznaczanie gęstości właściwej gruntu

Gęstość właściwa szkieletu gruntowego jest to stosunek masy szkieletu gruntowego do jego objętości.

ρ_s =

gdzie:

ρ_{s -} gęstość właściwa szkieletu gruntowego [g/cm³],

m_s - masa szkieletu gruntowego [g],

V_s - objętość szkieletu gruntowego [cm³].

Przeznaczona do oznaczenia gęstości właściwej szkieletu gruntowego część pobranej próbki gruntu o sprawdzonej makroskopowo jednorodności, po wysuszeniu do stałej masy w temperaturze 105 - 110^o C powinna mieć masę:

a) dla piasków gliniastych, pyłów i pyłów piaszczystych 40 - 50 g

b) dla glin, glin piaszczystych i glin pylastych 35 - 40 g

c) dla glin zwięzłych, glin piaszczystych zwięzłych, glin pylastych zwięzłych, iłów i iłów pylastych 25 - 30 g

Gęstość właściwą szkieletu gruntowego określa się na podstawie kolejnych pomiarów masy kolby, kolby wraz z gruntem, kolby z gruntem wypełnionej wodą i kolby wypełnionej wodą.

Pobraną próbkę gruntu po wysuszeniu w temp. 105 - 110^oC i ostudzeniu w eksykatorze wsypuje się do uprzednio wycechowanej i wysuszonej kolby ważąc ją wraz z gruntem z dokładnością do 0,01 g.

Następnie kolbę z zawartym w niej gruntem wypełnia się do 2/3 objętości wodą destylowaną i gotuje jej zawartość na małym płomieniu przez pół godziny mieszając kilkakrotnie w czasie gotowania zawiesinę znajdującą się w kolbie.

Z kolei kolbę z zawartością doprowadza się do temperatury otoczenia, dopełnia się wodą destylowaną do kreski na szyjce kolby i wstawia kolbę do naczynia o pojemności około 2 l. wypełnionego wodą o temperaturze otoczenia.

Po upływie około 2 godzin mierzy się temperaturę wody w kolbie i naczyniu. Różnica wskazań obu temperatur powinna być mniejsza od 0,5^oC. Wówczas średnią arytmetyczną obu temperatur przyjmuje się jako temperaturę przy której ustalono objętość kolby oraz masę kolby z wodą.

Następnie po wytarciu kolby doprowadza się ponownie za pomocą pipety poziom wody destylowanej do kreski na szyjce kolby i waży kolbę z zawartością z dokładnością do 0,01 g. Po wykonaniu tych czynności należy za pomocą pipety odciągnąć nieco wody z szyjki kolby i ponownie doprowadzić poziom wody do kreski a następnie ponownie zważyć kolbę z zawartością z dokładnością do 0,01 g. Oba wyniki nie powinny różnić się od siebie więcej niż 0,02 g. W przypadku większej różnicy należy badanie powtarzać, aż do otrzymania 2/3 wyników nie różniących się od siebie więcej niż 0,01g.

Wszystkie czynności powinny być wykonywane tak szybko aby podczas oznaczania nie następowały zmiany temperatury w kolbie. Podczas wykonywania oznaczenia nie powinno się dotykać gołą dłonią kolby.

Gęstość właściwą szkieletu gruntowego ρ_s należy obliczyć wg wzoru:

gdzie:

_- gęstość właściwa szkieletu gruntowego [g/cm³]

m_g - masa kolby i gruntu wysuszonego przy temperaturze 105 - 110^oC [g]

m_wt - masa kolby napełnionej do kreski wodą destylowaną przy temperaturze, w której oznaczono m_wg [g]

m_wg - masa kolby z gruntem i wodą wypełniającą kolbę do kreski [g]

m_t - masa kolby wysuszonej przy temperaturze 105 - 110^oC [g]

- gęstość wody [g/cm
]

Jeżeli wynik oznaczenia ρ_s, różni się od wartości podanych w tabeli 1 o więcej niż 0,02 g/cm³ - dla piasków gliniastych, glin i glin zwięzłych, 0,03 g/cm³ - dla iłów to należy wykonać dwa oznaczenia dodatkowe, a jako wartość ostateczną przyjąć średnią arytmetyczną dwu wartości nie różniących się od siebie więcej niż o 0,02 g/cm³.

Tabela 1

Rodzaj gruntu	Średnie wartości gęstości właściwej szkieletu gruntowego ρs [g/cm^3]
Piasek gliniasty	2,66 - 2,68
Pyły	2,66 - 2,67
Gliny	2,67 - 2,70
Gliny zwięzłe	2,69 - 2,72
Iły	2,71 - 2,78
Dla piasków kwarcowych można przyjmować wartość ρs = 2,65

2.2 Wyznaczanie gęstości objętościowej gruntu

Gęstość objętościowa gruntu - to stosunek masy próbki gruntu do jej całkowitej objętości:

ρ =

Gęstość objętościową w zależności od rodzaju gruntu i wielkości próbki oznacza się laboratoryjnie za pomocą jednej z następujących metod:

a) w pierścieniu - bada się próbki gruntów spoistych o strukturze nienaruszonej

b) w cylindrze - bada się próbki gruntów sypkich

c) w wodzie - bada się próbki gruntów spoistych

d) w rtęci - bada się próbki gruntów bardzo spoistych także o małej objętości

a - b) Oznaczanie gęstości objętościowej za pomocą pierścienia i cylindra

Badanie polega na równomiernym wciskaniu pierścienia lub cylindra (o określonej objętości) w grunt o strukturze nienaruszonej oraz wilgotności naturalnej. W przypadku braku próbki gruntu o strukturze nienaruszonej można w celu uzyskania wartości orientacyjnych wypełnić pierścień na drodze ugniatania czy też zagęszczania gruntu o strukturze naruszonej lecz o wilgotności naturalnej. Następnie zważony pierścień wraz z wypełniającym go gruntem wyjmujemy, oddzielamy grunt znajdujący się poza obrysem pierścienia (płaskim narzędziem) i ważymy.

Gęstość objętościową gruntu ρ obliczamy wg wzoru:

ρ =

gdzie:

ρ _- gęstość objętościowa gruntu [g/cm³]

m_m - masa próbki gruntu w stanie wilgotnym [g]

V - objętość próbki [cm³]

m_mt - masa pierścienia lub cylindra wraz z gruntem [g]

m_t - masa pierścienia lub cylindra [g]

V_p - wewnętrzna objętość pierścienia lub cylindra [cm³]

Za wynik ostateczny należy przyjąć średnią arytmetyczną wartości uzyskanych z badania obu próbek, jeśli różnica wyników nie przekracza 5% wartości średniej. W przypadku większej różnicy, należy wykonać oznaczenie na dwóch dodatkowych próbkach i jako wynik przyjąć średnią arytmetyczną trzech najmniej różniących się wartości z czterech wykonanych oznaczeń.

c) Oznaczanie gęstości objętościowej gruntu metodą wyporu hydrostatycznego wody

Do oznaczenia gęstości objętościowej wycina się dwie próbki gruntu o objętości 20 - 30 cm³ bez naruszenia ich struktury naturalnej. Do każdej próbki przywiązuje się nitkę a następnie próbki waży się. Potem próbki powleka się cienką warstwą parafiny (przez zanurzenie ich w ciekłej parafinie). Ewentualne pęcherzyki powstałe pod powłoką parafinową należy przekłuć i wyrównać.

Następnie waży się próbki pokryte parafiną oraz waży się je przy całkowitym zanurzeniu w wodzie (pomiar wykonuje się podwieszając pokrytą parafiną próbkę na nitce do szalki wagi zanurzając ją w zlewce z wodą, dla określenia zmniejszonej masy o wypór działający na próbkę).

Gęstość objętościową gruntu oblicza się wg wzoru:

ρ =

gdzie:

ρ - gęstość objętościowa gruntu [g/cm³]

m_m - masa próbki gruntu w stanie wilgotnym [g]

V - objętość próbki gruntu [cm³]

m _p - masa pokrytej parafiną próbki gruntu [g]

m_pw - masa próbki gruntu pokrytej parafiną i zanurzonej w wodzie [g]

ρ_p - gęstość parafiny - przyjmujemy 0,93 g/cm³

ρ_w - gęstość wody w porach [g/cm³]

Sposób ustalenia wyników ostatecznych jak w punkcie a.

d) Oznaczenie gęstości objętościowej gruntu w rtęci

Z gruntu o nienaruszonej strukturze przeznaczonego do badań należy bez naruszenia naturalnej struktury wyciąć nożem dwie próbki gruntu o objętości po około 10 cm³ i nadać im kształt bryłek o gładkich powierzchniach. Naczynie pomiarowe ustawione na talerzu należy całkowicie wypełnić rtęcią, nadmiar rtęci wycisnąć z naczynia przez przyłożenie płytki z kołeczkami skierowanymi do wnętrza naczynia, a wypchniętą z naczynia rtęć usunąć z talerza.

Następnie, przygotowane próbki gruntu należy oddzielnie zważyć i zanurzyć w rtęci, wciskając je za pomocą płytki z kołeczkami. Rtęć wypchniętą podczas zanurzenia próbki gruntu należy przenieść do zważonej parowniczki zgarniając dokładnie pędzelkiem, a parowniczkę z rtęcią zważyć. Następnie należy próbkę wyjąć z naczynia pomiarowego i ponownie zważyć dla sprawdzenia, czy rtęć nie dostała się w jej szczeliny (ewentualny przyrost należy dodać do masy wypchniętej rtęci).

Wszystkie wymienione wyżej czynności należy wykonywać w warunkach zgodnych z odpowiednimi przepisami BHP.

Gęstość objętościową gruntu należy obliczyć wg wzoru:

ρ =

gdzie:

ρ _- gęstość objętościowa gruntu [g/cm³]

m_m - masa próbki gruntu w stanie wilgotnym [g]

ρ_h - gęstość właściwa rtęci, przyjmowana w zależności od temperatury[ g/cm³]

m_r - masa rtęci wypchniętej przez grunt [g]

Sposób ustalenia wyników ostatecznych jak w punkcie

2.3. Obliczanie gęstości objętościowej szkieletu gruntowego

Gęstość objętościową szkieletu gruntowego jest to stosunek masy szkieletu gruntu w danej próbce do jej objętości całkowitej (objętość szkieletu gruntowego wraz z objętością porów). Gęstości tej nie można wyznaczyć w badaniach bezpośrednich. Aby wyznaczyć tą wielkość należy określić gęstość objętościową gruntu i wilgotność naturalną tego gruntu.

Gęstość objętościową szkieletu gruntowego ρ_d należy obliczyć wg wzoru:

ρ_d = =

gdzie:

m_s - masa szkieletu gruntowego [g],

V - objętość całkowita [cm³],

ρ_{d -} gęstość objętościowa szkieletu gruntowego [g/cm³],

ρ - gęstość objętościowa gruntu [g/cm³],

w - wilgotność naturalna próbki [%],

2.4. Wyznaczanie wilgotności naturalnej gruntu

Wilgotność naturalna gruntu jest to stosunek masy wody zawartej w porach gruntu w stanie naturalnym do masy jej szkieletu gruntowego wyrażony w procentach:

.

Wilgotność wyznacza się w laboratorium metodą suszenia w temperaturze 105 -110°C. Czas suszenia do stałej masy wynosi od kilku do kilkunastu godzin w zależności od rodzaju gruntu.

Do oznaczania wilgotności gruntu powinny być użyte dwie próbki o naturalnej wilgotności NW. Każda z tych próbek powinna być o masach:

co najmniej 50g - dla gruntów gruboziarnistych po oddzieleniu ziaren większych niż 25 mm

co najmniej 50 g - dla piasków i pyłów

co najmniej 30 g - dla pozostałych gruntów drobnoziarnistych

Bezpośrednio po pobraniu obu próbek gruntu należy umieścić je w parowniczkach o znanych masach (m_t), zważyć grunt z parowniczką (m_mt), a następnie poddać suszeniu w temperaturze 105 - 110^oC do stałej masy. Po wysuszeniu należy ostudzić w eksykatorze nad bezwodnym CaCl₂ i ponownie zważyć (m_st).

Jeżeli łączna masa badanej części gruntu wraz z parowniczką wynosi więcej niż 250 g, lecz nie większa od 750 g ważymy z dokładnością do 0,1g, a gdy wynosi mniej niż 250 g ważymy z dokładnością do 0,01 g.

Wilgotność gruntu w % należy obliczyć wg wzoru

w =

gdzie:

m_mt - masa parowniczki z gruntem przed wysuszeniem [g],

m_st - masa parowniczki z gruntem po wysuszeniu [g],

m_t - masa parowniczki [g].

Sposób ustalenia wyników ostatecznych jak w punkcie a.

Rys. 2.1. Schemat opisujący ośrodek gruntowy

7

Laboratorium mechaniki gruntów i fundamentowania Str. 15

Ćwiczenie nr 2 Wyznaczanie gęstości właściwej i objętościowej szkieletu gruntowego

oraz gęstości objętościowej i wilgotności naturalnej gruntu

---