POLITECHNIKA WROCŁAWSKA
LABORATORIUM MECHANIKI GRUNTÓW
Ćwiczenie laboratoryjne nr 3:
Konsystencje gruntów spoistych.
Stopień i wskaźnik zagęszczenia oraz
stan gruntów niespoistych.
Część teoretyczna
I - Konsystencje gruntów spoistych
Rozróżnia się 3 konsystencje gruntów spoistych: płynną, plastyczną i zwartą. Granicznymi wilgotnościami rozdzielającymi poszczególne konsystencje są granice konsystencji: granica płynności wL, granica plastyczności wP oraz granica skurczalności wS.
Granice konsystencji zostały wprowadzone w 1911 r. przez Atterberga i wyznacza się je umownie.
konsystencja |
zwarta |
plastyczna |
płynna |
|||
stan |
zwarty |
półzwarty |
twardoplastyczny |
plastyczny |
miękkoplastyczny |
płynny |
wS wP wL |
granica płynności wL - jest to najmniejsza procentowa zawartość wody w gruncie, przy której bruzda wykonana w miseczce aparatu Casagrande's, zaczyna się łączyć pod wpływem 25 uderzeń o podstawę aparatu ponownie w całość, na długości 1 cm i wysokości 1 mm.
Aparat składa się z miseczki podnoszonej przez mimośród pokręcany korbką na wysokość 10 mm ponad podstawę aparatu, którą stanowi gumowa podkładka o odpowiedniej twardości i sprężystości.
Do badań przygotowuje się odpowiednią pastę gruntową , którą układa się w miseczce aparatu warstwami. Łączna masa gruntu i miseczki powinna wynosić 210 g. Następnie w paście wykonuje się odpowiednim rylcem bruzdę rozdzielającą warstwę pasty na dwie części. Po umocowaniu miseczki w aparacie obraca się korbką z szybkością 2 razy na sekundę, powodując uderzenia miseczki o podkładkę gumową. Uderzenia liczy się do momentu, w którym bruzda złączy się na długość 1 cm i wysokość 1mm. Z bruzdy pobiera się próbkę do badań wilgotności (w). Następnie pozostałą pastę miesza się z niewielkim dodatkiem wody i ponownie powtarza się czynności. Do wyznaczenia granicy płynności wykonuje się minimum 5 oznaczeń ( w naszym przypadku 3), w granicach 10 - 40 uderzeń. Wyniki badań nanosi się na wykres w = f(N), na którym oś liczby uderzeń N opisano w skali logarytmicznej. W skali tej wykres łączący poszczególne punkty jest linią prostą. Z wykresu odczytuje się wilgotność odpowiadającą 25 uderzeniom. Tak oznaczona wilgotność jest granicą płynności wL.
Oprócz metody Casagrande'a do oznaczenia granicy płynności stosuje się metodę Wasiliewa. Według tej metody wilgotność gruntu równa się granicy płynności wL, gdy odpowiedni stożek zagłębi się w paście gruntowej na głębokość 1cm.
Zależność między metoda Casagrande'a i metodą Wasiliewa:
granica plastyczności wP - jest to największa procentowa zawartość wody w gruncie, mierzona w stosunku do jej suchej masy, przy której grunt rozwałkowany z kulki o średnicy 7-8 mm w wałeczek o średnicy 3 mm zaczyna się kruszyć.
Granicę plastyczności wP określa się metodą wałeczkowania. Badanie polega na uformowaniu z badanej próbki gruntu o średnicy 7-8 mm i rozwałkowaniu jej na dłoni w wałeczek o średnicy 3mm, po czym z wałeczka ponownie formuje się kulkę. Czynność tę powtarza się tak długo, aż przy kolejnym wałeczkowaniu wałeczek ulegnie uszkodzeniu. Wszystkie kawałki wałeczka wkłada się do naczynka wagowego i zamyka przykrywką.
Czynność wałeczkowania powtarza się tyle razy, aż w dwu naczynkach zbierze się po około 5-7 g gruntu. Następnie określa się wilgotność wałeczków równą granicy plastyczności wP.
granica skurczalności wS - jest to największa procentowa zawartość wody, przy której grunt przy dalszym suszeniu przestaje się kurczyć i zmienia swą barwę na powierzchni na jaśniejszą.
Stopień plastyczności IL - określa stan badanego gruntu w zależności od jego wilgotności naturalnej oraz wilgotności odpowiadającej granicy płynności i plastyczności.
Oblicza się go wg wzoru:
gdzie:
wn - wilgotność naturalna,
wP - granica plastyczności,
wL - granica płynności.
Rozróżnia się stany i konsystencje gruntów:
konsystencja |
stan gruntu |
stopień plastyczności |
wilgotność gruntu w stosunku do granic konsystencji |
zwarta |
zwarty |
IL < 0 |
wn< wS |
|
półzwarty |
IL ≤ 0 |
wS < wn < wP |
plastyczna |
twardoplastyczny |
0 < IL ≤ 0,25 |
wp <wn≤ wL |
|
plastyczny |
0,25 <IL ≤ 0,5 |
|
|
miękkoplastyczny |
0,5 <IL ≤ 1 |
|
płynna |
płynny |
IL > 1 |
wn < wL |
Stopień plastyczności można określić również metodą wałeczkowania, wykorzystując wzór:
gdzie:
X - liczba wałeczkowań
1,25 - strata wilgotności, przy jednym wałeczkowaniu [%]
A - wskaźnik aktywności koloidalnej
fi - zawartość frakcji iłowej w danym gruncie [%]
Wskaźnik plastyczności - wskazuje ile wody wchłania grunt przy przejściu ze stanu półzwartego do stanu płynnego.
Ze względu na wskaźnik plastyczności rozróżniamy grunty:
mało spoiste 1 < IP ≤ 10
średnio spoiste 10 < IP ≤ 20
spoiste zwięzłe 20 < IP ≤ 30
bardzo spoiste IP > 30
II - Stopień i wskaźnik zagęszczenia oraz stan gruntów niespoistych.
Stopień zagęszczenia gruntów niespoistych ID jest to stosunek zagęszczenia występującego w stanie naturalnym do największego możliwego zagęszczenia danego gruntu.
Oznaczenie stopnia zagęszczenia polega na określeniu wskaźnika porowatości e piasku w stanie naturalnym, emax tego piasku przez usypanie możliwie luźno i emin przez możliwe największe zagęszczenie.
Oznaczenie emax i emin przeprowadza się w laboratorium, w dostosowanym do tego celu cylindrze metalowym, o znanym przekroju; cylinder jest zaopatrzony w dopasowany do niego tłoczek - przykrywkę. Przez pomiar zagłębienia tłoczka spoczywającego na piasku można wyznaczyć wysokość warstwy gruntu w cylindrze, a ze znanej masy piasku i gęstości właściwej obliczyć każdorazowo e.
Najluźniejsze ułożenie piasku w cylindrze emax otrzymuje się przez ostrożne wsypywanie piasku przez lejek, początkowo postawiony na dnie cylindra, a następnie odpowiednio podnoszony równo z powierzchnią sypanego piasku.
gdzie:
ms - masa szkieletu gruntowego [g],
V - objętość cylindra [cm3],
mst - masa cylindra z gruntem [g],
mt - masa cylindra [g],
Wskaźnik porowatości maksymalnej:
gdzie:
ρs - gęstość właściwa szkieletu gruntowego [g/cm3]
Najściślejsze ułożenie piasku emin otrzymuje się przez wibrowanie wsypanego piasku w cylindrze za pomocą widełek. Piasek uważa się za ostatecznie zagęszczony, gdy trzy kolejne pomiary nie wykażą zmiany jego objętości.
Objętość zagęszczonego gruntu (Vg) w cylindrze:
gdzie:
V - objętość cylindra [cm3],
V1 - objętość pustej przestrzeni w cylindrze [cm3],
V2 - objętość tłoka [cm3].
Gęstość objętościową szkieletu gruntowego po zagęszczeniu:
gdzie:
mst - masa cylindra z gruntem [g],
mt - masa cylindra [g],
ms - masa szkieletu gruntowego [g],
ΔV - zmniejszenie objętości próbki w cylindrze wskutek wibrowania [cm3].
Wskaźnik porowatości minimalnej:
Stopień zagęszczenia gruntu oblicza się ze wzoru:
gdzie:
emax - wskaźnik porowatości przy najluźniejszym ułożeniu ziaren,
emin - wskaźnik porowatości przy najgęściejszym ułożeniu ziaren,
e - wskaźnik porowatości naturalnej.
Zależnie od stopnia zagęszczenia rozróżnia się następujące stany gruntów niespoistych:
luźny 0 < ID ≤ 0,33
średnio zagęszczony 0,33 < ID ≤ 0,67
zagęszczony 0,67 < ID ≤ 0,8
bardzo zagęszczony 0,8 <ID ≤ 1
Wskaźnik zagęszczenia gruntów nasypowych.
Miernikiem charakteryzującym jakość zagęszczenia nasypu jest wskaźnik zagęszczenia IS.
gdzie:
ρdnas - gęstość objętościowa szkieletu gruntu w nasypie,
ρds - maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntu uzyskana w warunkach określonych normą,
Badania Proctora.
Proctor ustalił zależność pomiędzy ρd a wilgotnością przy stałej energii zagęszczania oraz opracował metodę określania wilgotności optymalnej wopt, przy której uzyskuje się największe zagęszczenie gruntu ρds dla określonej energii.
Udowodnił też, że maksymalne zagęszczenie jest tym większe, im większa jest energia zagęszczania oraz że wartości wopt i ρds zależą od rodzaju gruntu.
Do oznaczania ρds i wopt stosuje się dwie metody laboratoryjne polegające na ubijaniu drobnoziarnistego gruntu w cylindrze: normalną (Proctora) i zmodyfikowaną. Metody te różnią się ilością energii stosowanej do zagęszczenia gruntu w przeliczeniu na jednostkę objętości gruntu.
Badanie wopt i ρds polega na zagęszczaniu około pięciu próbek gruntu ubijakiem w odpowiednim cylindrze w trzech warstwach, kolejno przy różnych wilgotnościach. Na podstawie wykonanych pomiarów gęstości objętościowej przy odpowiadającej im wilgotności zagęszczonych próbek gruntu sporządza się wykres zależności gęstości objętościowej szkieletu ρd od wilgotności w. Z wykresu określa się wilgotność optymalną wopt odpowiadającą maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu ρds.
Część obliczeniowa
Podczas analizy makroskopowej otrzymaliśmy następujące wyniki:
ilość wałeczkowań X = 1,
wałeczek na początku nie wykazuje połysku, natomiast pod koniec wałeczkowania zauważyliśmy połysk,
wałeczek rozwarstwia się podłużnie,
podczas próby rozcierania w wodzie wyczuwalne były pojedyncze ziarna piasku.
Na podstawie powyższych danych badany grunt określiliśmy jako: glina zwięzła.
Wyznaczenie wilgotności naturalnej.
Wilgotność naturalna - stosunek masy wody zawartej w porach gruntu do masy jego szkieletu.
Wilgotność naturalna została wyznaczona metoda suszenia w temperaturze 105 - 110 °C. Waga próbki została określona w stanie wilgotnym oraz w stanie po suszeniu.
gdzie:
mmt - masa parowniczki wraz z gruntem o naturalnej wilgotności [g],
mst - masa parowniczki z wysuszonym gruntem [g],
mt - masa parowniczki [g].
nr parowniczki |
mmt [g] |
mst [g] |
mt [g] |
w [%] |
Δ = 5% wśr |
|w1 - w2| |
63 |
28,15 |
26,67 |
22,64 |
33,7 |
1,7 |
1,2 |
44 |
27,75 |
26,27 |
22,03 |
34,9 |
|
|
|
wśr = 34,3 |
|
|
Ponieważ |w1 - w2| ≤ Δ, wiec:
Wyznaczenie granicy plastyczności.
gdzie:
mmt - masa próbki wilgotnej, łącznie z masą parowniczki [g],
mst - masa próbki wysuszonej, łącznie z masą parowniczki [g],
mt - masa parowniczki [g].
nr parowniczki |
mmt [g] |
mst [g] |
mt [g] |
w [%] |
Δ = 10% wśr |
|w1 - w2| |
83 |
31,0 |
28,95 |
22,6 |
32,3 |
3,21 |
0,4 |
84 |
27,65 |
25,76 |
19,83 |
31,9 |
|
|
|
wśr = 32,1 |
|
|
Ponieważ |w1 - w2| ≤ Δ, wiec:
Wyznaczenie granicy płynności.
gdzie:
mmt - masa próbki wilgotnej, łącznie z masą parowniczki [g],
mst - masa próbki wysuszonej, łącznie z masą parowniczki [g],
mt - masa parowniczki [g].
Nr parowniczki |
Ilość uderzeń N |
mmt [g] |
mst [g] |
mt [g] |
w [%] |
88 |
33 |
28,15 |
27,2 |
25,79 |
67,37 |
85 |
22 |
25,80 |
24,24 |
21,98 |
69,02 |
55 |
15 |
25,05 |
24,15 |
22,88 |
70,86 |
Wilgotność odpowiadającą granicy płynności odczytujemy z wykresu w = f (N) o wartości 25 uderzeń.
Obliczenie stopnia plastyczności.
Badany grunt ma konsystencję plastyczną i stan twardoplastyczny ( 0 < IL ≤ 0,25 oraz
wP < wn ≤ wL ).
Obliczenie wskaźnika plastyczności.
Badany grunt zaliczyliśmy do gruntów bardzo spoistych ( IP > 30)
1
4