Wykład 3 23.03.2013r.
STRUKTURALNE WA
ASNOŚCI SKAA
I GRUNTÓW
Podstawowym magnetem charakteryzującym własności strukturalne ośrodka skalnego jest gęstość.
W ogólnym przypadku określona jest ona jako stosunek sumy mas fazy stałej m1 , ciekłej m2 i
m3
gazowej do sumy objętości tych faz:
m1+m2+m3
ńr=
V +V +V
1 2 3
Składniki gruntów i skał:
1. Cząstki mineralne.
2. Woda.
3. Powietrze.
4. Woda błonkowa.
W praktyce objętość i masę dowolnego elementu wyciętego z warstwy skalnej przedstawiamy
następująco:
V =V +V +V
1 2 3
m=m1+m2
Wyróżniamy:
m
 gęstość objętościową: stosunek masy próbki skalnej do jej objętości � = można ją
V
określać następującymi metodami:
" w pierścieniu (badamy grunty o strukturze nienaruszonej): pierścień należy wcisnąć w
grunt, tym sposobem wypełniając pierścień w całości, wyrównujemy brzegi pierścienia,
ważymy wytarowaną próbkę (przy znanych wymiarach), określamy jego objętość.
" w cylindrze (badamy grunty sypkie, niespoiste)
Badanie w pierścieniu lub cylindrze wypełnionym gruntem przeprowadza się
wykorzystując następującą zależność:
mmt-mt
g
� = , [ ]
V
cm3
P
mmt  masa pierścienia/cylindra wraz z gruntem
mt  masa samego pierścienia/cylindra
V  objętość próbki
P
" w wodzie: próbkę skalną po określeniu jej masy zanurzamy w roztopionej parafinie w
celu uzyskania powłoki zamykającej z zewnątrz pory skalne w tej próbce, następnie
próbkę waży się w powietrzu oraz w wodzie (wykonuje ważenie hydrostatyczne)
mm mm
� = =
V m -m m -mm
p pw p
-
� �
w p
mm  masa próbki w stanie naturalnym
m  masa próbki oparafinowanej
p
m  masa próbki oparafinowanej zanurzonej w wodzie
pw
V  objętość próbki
�  gęstość wody
w
�  gęstość parafiny
p
" w rtęci: próbkę waży się, a następnie zanurza w naczyniu pomiarowym wypełnionym
rtęcią. Wypartą przez próbkę rtęć zbiera się, waży, a następnie oblicza gęstość
mm mm �"�h
objętościową wg zależności: � = =
V mr
mm  masa próbki
mr  masa rtęci wypartej przez próbkę
�  gęstość właściwa rtęci
h
 gęstość właściwą: stosunek masy cząstek stałych próbki skalnej do ich poszczególnych
m1
objętości �0=
V
1
Miernikami gęstości są:
 ciężar objętościowy: stosunek ciężaru fazy stałej wraz z zawartymi w nich porami do jej
N
objętości: ł =G , [ ]
V
m3
 ciężar właściwy: stosunek ciężaru fazy stałej w stanie sproszkowanym i wysuszonym do jej
G1
N
objętości: ł = , [ ]
0
V
m3
1
Pomiędzy ciężarami zachodzą następujące zależności:
ł =� �"g ł =� �"g
0 0
dla gruntów parametrem charakteryzującym własności strukturalne są:
 gęstość objętościowa szkieletu gruntowego: jest to stosunek masy ziarn i cząstek stałych
m1
szkieletu gruntowego do objętości całej próbki � = . Gdy znana jest
d
V +V +V
1 2 3
wilgotność, tzn. gdy znany jest stosunek masy wody zawartej w próbce m2 do masy
m1
szkieletu gruntowego to gęstość objętościową szkieletu gruntowego można
przedstawić następująco:
m2
W = �"100
m1
W �"m1
m1+m2 m1+ 100
m W
� = = = =�d + �"�
d
V V V 100
�
� = �"100
d
100+W
 ciężar objętościowy szkieletu gruntowego: jest to stosunek ciężaru próki skalnej
Gs
wysuszonej do jej objętości przed wysuszeniem ł =
d
V
ł
ł =� �"g ł = �"100
d d d
100+W
Gęstość właściwa szkieletu gruntowego: jest to stosunek masy szkieletu gruntowego do jego
objętości. Wyraża się go wzorem:
m1 g kg
�od = [ ], [ ]
V
cm3 m3
1
Najczęściej wykorzystywane metody badania:
 Metoda piknometru
 kolba Le Chateliera
Najczęściej wykorzystuje się, ze względu na prostotę badania metodę piknometru:
(mg+mt)�"�
W
�od =
mwt+(mg  mt)  mwg
mg  masa piknometru
mt  masa piknometru z wysuszonym gruntem
mwt  masa piknometru wypełnionego do kreski wodą destylowaną w temperaturze badanej
mwg  masa piknometru z gruntem i wodą wypełniającą piknometr do kreski na szyjce
�  gęstość właściwa wody
w
(piknometr)
POROWATOŚĆ
Jest to stosunek objętości porów w próbce skały do objętości całej próbki
V
p
P= �"100 , [%]
V
(elementarny sześcian  wymiary 1x1x1, V=1)
Ponieważ sześcian jest elementarny i jego V wynosi 1, zatem:
P=V , a więc V =1-P
P s
m1=V �"� (gęstość właściwa)
S 0
m1 V �"�
s o
� = = =V � =(1-P )�"� �"ł =(1-P)�"ł0
d s 0 o d
V V
� -� ł -ł
0 d 0 d
P= =
� ł
0 0
ł
P=(1-ł 0 ) �"100
Stosunek ciężaru objętościowego do ciężaru właściwego zwany jest współczynnikiem szczelności:
ł
ks=ł 0
Gęstość jest podstawowym parametrem charakteryzującym właściwości strukturalne, drugim
podstawowym jest porowatość. Dla scharakteryzowania porowatości wykorzystuje się pojęcie
wskaz
nika porowatości. Jest to stosunek objętości porów do objętości materiału skalnego w
próbce skalnej.
V
p
e=
V
s
Pomiędzy porowatością a współczynnikiem porowatości istnieje następująca zależność:
V �0-� ł -ł
P
p d 0 d
e= = = =
� ł
d
d
V 1-P
s
e
P= �"100
1+e
W odniesieniu do skały urobionej lub rozdrobnionej w wyniku jakiegoś procesu technologicznego
wykorzystuje się pojęcia:
 współczynnik rozluzowania: jest to stosunek objętości rozluzowanej skały do jej objętości
V
r
w stanie nienaruszonym (w masywie) k = .
r
V
 gęstość nasypowa: jest to stosunek gęstości objętościowej skały w masywie do
�
współczynnika rozluzowania � =
n
k
r
Współczynnik rozluzowania i gęstość nasypowa zależą od:
 składu granulometrycznego luz
nej masy,
 wzajemnego ułożenia kawałków rozdrobnionej skały,
 stopnia zagęszczenia,
 wysokości słupa luz
nej skały,
 pojemności i kształtu naczynia, w którym umieszczona jest skała
W ocenie gruntów sypkich wykorzystuje się parametr nazywany stopniem zagęszczenia. Jest to
stosunek zagęszczenia istniejącego w naturze do największego możliwego zagęszczenia danego
gruntu.
1  objętość piasku najbardziej luz
nego
2  objętość w naturze
3  objętość piasku najbardziej zagęszczonego
Przeprowadzenie badania: wsypujemy do cylindra luz
ny piasek, wypełniając go do pewnej
objętości. V będzie stanowił piasek i pory między ziarnami (rys.1). Następnie przenosimy
max
cylinder na zewnątrz, gdzie jest poddany warunkom otoczenia, pod wpływem których naturalnie się
zagęści ( V pozostaje stałe, V się zmniejsza, rys.2). Cylinder przenosimy do laboratorium,
s p
gdzie pod wpływem wstrząsów materiał zawarty w cylindrze jest zagęszczany (rys. 3).
Stopień zagęszczania określamy z zależności:
V V
Pmax P
-
V -V V -V V V
max Pmax P S S
I = = =
d
V -V V -V V V
max min Pmax Pmin Pmax Pmin
-
V V
S S
emax-e
I =
d
emax-emin
emax  wskaz
nik porowatości maksymalnej
e  wskaz
nik porowatości naturalnej
emin  wskaz
nik porowatości minimalnej
W zależności od stopnia zagęszczenia wyróżniamy stany gruntów sypkich:
 grunt jest luz
ny, tzn I <0,33
d
 grunt jest średnio zagęszczony, 0,33< Id<0,67
 grunt jest zagęszczony, 0,67< Id<1
Klasyfikacja zagęszczenia gruntów wg PN-EN ISO 14688-2:
Nazwa: Stopień zagęszczenia I
D
grunty bardzo luz
ne 0  15
grunty luz
ne 15  35
grunty średnio zagęszczone 35  65
grunty zagęszczone 65  85
grunty bardzo zagęszczone 85  100
HYDROGAZOMECHANICZNE WA
ASNOŚCI SKAA

Własności te charakteryzują zdolność skał do przepuszczania, pochłaniania i zatrzymywania
różnych cieczy i gazów oraz skłonność skał do zmiany swego stanu mechanicznego podczas
oddziaływania cieczami, względnie gazami.
Wilgotność: jest podstawowym parametrem własności hydro-gazo-mechanicznych, wyrażana jest
procentowym stosunkiem masy wody w porach skały do masy suchej próbki:
M
W
W = �"100 %
M
d
Praktycznie, w laboratorium wilgotność określamy w parowniczce, z zależności:
mmt  mst
W = �"100 %
mst  mt
mmt  masa parowniczki z próbką wilgotną
mst  masa parowniczki z próbką wysuszoną
mt  masa parowniczki
W celu określenia stanu zawilgocenia skały, należy wyznaczyć wilgotność całkowitą i stopień
wilgotności.
M =P �"V �"� , M =V �"� =(1 -P )�"V �"�
w W d s s s
M  masa wody
w
M  masa szkieletu gruntowego, równa objętości szkieletu gruntowego pomnożonej przez jego
d
gęstość
Wilgotność całkowita: jest to największa względna ilość wody, gdy pory skały są całkowicie
wypełnione wodą. Określamy ją zależnościami wynikającymi z rysunku, wstawionymi do wzoru:
M P �"V �"�W e �"�
w W
W = �"100= �"100= �"100
sr
�
S
M (1 -P)�"V �"�
d S
e �"łW
W = �"100
sr
ł
S
ł  ciężar właściwy szkieletu gruntowego
S
ł  ciężar właściwy wody
W
V  objętość całej próbki (szkieletu gruntowego łącznie z porami)
Stopień wilgotności: jest to stosunek objętości wody znajdującej się w porach i pustkach skały do
ich objętości całkowitej.
V
W
S =
r
V
p
W
Znając wilgotność naturalną , stopień wilgotności możemy określić następująco:
n
M
W
�"100
V V �"� M M W W �"�
w w w W d n n S
S = = = = = =
r
V V �"� W W W 100 �"e �"�W
p p w sr sr sr
�"M
d
100
W �"ł
n s
S =
r
100 �"e �"ł
w
W zależności od wartości stopnia wilgotności wyróżniamy stany zawilgocenia gruntów sypkich:
S =0  grunt suchy
r
0r
0,4r
0,8r
Obecność wody wpływa na kształtowanie się własności gruntów spoistych, czyli na kształtowanie
się ich konsystencji. Wyróżniamy następujące konsystencje gruntów spoistych:
 płynną, gdy grunt zachowuje się jak ciecz i nie ma prawie żadnej wytrzymałości na
ścinanie,
 plastyczną, gdy grunt poddany pewnemu naciskowi nie ulega spękaniom i zachowuje
nadany mu kształt,
 zwartą, gdy grunt odkształca się przy dużych naciskach, czemu towarzyszą spękania
Poszczególne konsystencje rozdzielone są granicami konsystencji:
 granicą płynności: jest to wilgotność w procentach, jaką ma masa gruntowa umieszczona w
miseczce aparatu Casagrande'a, gdy wykonana w niej bruzda zlewa się przy 25tym
uderzeniu miseczki o podstawę aparatu {rysunek 6: uproszczony schemat aparatu
Casagrande'a}, opis przebiegu badania granicy płynności, wilgotności i wykresy na
podstawie których wyznaczamy wilgotność dla 25. uderzenia
 granicą plastyczności: jest to wilgotność w procentach, jaką ma grunt, gdy przy kolejnym
wałeczkowaniu bryłki gruntu wałeczek pęka po osiągnięciu średnicy 3 mm . Tok
postępowania: próbkę 'wałeczkujemy' między dłońmi, w momencie gdy ma średnicę około
3 mm sprawdzamy, czy występują pęknięcia, następnie próbkę suszymy, ważymy,
wyznaczamy wilgotność i granicę plastyczności W_P
 granicą skurczalności: wilgotność w procentach, jaką ma grunt, gdy przy suszeniu bryłka
gruntu przestaje zmniejszać swoją objętość. Granicę skurczalności określamy też z
zależności:
1 1
W =� �"( - ) �"100 %
S W
� �
d s
�W  gęstość właściwa wody
�  gęstość właściwa gruntu
S
�  gęstość objętościowa szkieletu gruntowego
d
Plastyczne własności gruntów charakteryzowane są przez stopień plastyczności i wskaz
nik
plastyczności.
W -W
n p
I =
L
W -W
L p
W  wilgotność naturalna
n
W  granica plastyczności
p
W  granica płynności
L
Ze względu na wartość stopnia plastyczności, oraz wilgotność naturalną wyróżnia się stany
gruntów spoistych:
I d"0 W d"W  grunt zwarty
L n s
I d"0 W < W d"W  grunt półzwarty
L s n P
0L
0,25< I d"0,5  grunt plastyczny
L
0,5< I d"1  grunt miękkoplastyczny
L
I =1  grunt płynny
L
Wskaz
nik plastyczności: różnica pomiędzy granicą płynności W i granicą plastyczności W
L p
I =W  W [%]
p L p
Zdolność skał porowatych do przepuszczania cieczy lub gazu siecią kanalików utworzonych z
porów nazywa się przepuszczalnością.
Miarą przepuszczalności jest współczynnik przepuszczalności:
Q
k = �"ź , [m2]
prz
F �"� �"grad p
Q  ilość cieczy lub gazu przechodzącego przez próbkę [m3]
F  powierzchnia przekroju poprzecznego próbki [m2]
�  czas przepływu [s]
ź  lepkość dynamiczna [Pa �"s]
grad p  spadek ciśnienia na pewnej drodze:
P1  P2
grad p= gdzie L - droga przepływu (długość próbki)
L
Współczynnik przepuszczalności charakteryzuje wielkość powierzchni przekroju poprzecznego
porów skały przez którą odbywa się przepływ.
Jednostka: m^2 bądz
mD gdzie 1D = 1.02^10^-12 m^2
powolne przesączanie się cieczy poprzez system kanalików i porów pod wpływem ciśnienia
nazywa się filtracją. Miarą jej jest współczynnik filtracji:
Q m
k = , [ ]
f
F �"� �"i s
gdzie:
Q  ilość przepływającej cieczy [m3]
F  pole powierzchni przekroju próbki [m2]
�  czas przepływu [s]
" H
i  spadek hydrauliczny, różnica poziomów cieczy na drodze przepływu: i=
L
Pomiędzy współczynnikiem filtracji a przepuszczalności istnieje następująca zależność:
ł
m
0
k =k �" , [ ]
f prz
�
s
Zdolność skał do zwiększenia swej objętości przy nasycaniu wodą nazywa się pęcznieniem.
Zjawisko to jest charakteryzowane przez współczynnik pęcznienia:
V -V hk-h0
k 0
PV= Ph=
V h0
0
V  objętość końcowa próbki
k
V  objętość początkowa próbki
0
hk  wysokość końcowa próbki
h0  wysokość początkowa próbki
Zdolność skał do utraty spójności i przekształcenia się w pulchną masę z częściowym lub
całkowitym zanikiem nośności pod wpływem wody stojącej nazywamy rozmakalnością.
Zjawisko rozmakalności charakteryzowane jest przez wskaz
nik rozmakalności. Określamy go
w teście trzydobowym:
 1 doba: próbka w naczyniu z wodą
 2 doba: próbka w stanie powietrzno-suchym (po wyciągnięciu z naczynia)
 3 doba: próbka w naczyniu z wodą
Określone wartości wskaz
nika rozmakalności:
1,0  próbka nie zmienia formy ani konsystencji
0,8  próbka pęka wzdłuż uwarstwienia
0,6  próbka pęka wzdłuż powierzchni uwarstwienia oraz rzadko w kierunku prostopadłym do
uwarstwienia
0,4  próbka pęka gęsto w wielu kierunkach
0,2  próbka rozkłada się na rumosz z mulem
0,1  próbka rozkłada się całkowicie na muł