Cechy fizyczne i stany gruntów 1/6
Cechy fizyczne gruntów
Pęcherzyki powietrza
Woda błonkowa
Gaz
Gaz (ma=0)
Woda
Woda (m )
w
Części stałe
Części stałe (ms)
a) b) c)
Wolna woda
Trójfazowa struktura gruntu; a) składniki ośrodka gruntowego; b) wyodrębnienie poszczególnych faz gruntu: - fazy
stałej (ziarna i cząstki), - fazy ciekłej (woda), - fazy gazowej (powietrze, para wodna i gazy); c) fazy gruntu w objętości
jednostkowej V
V = Vs + Vw + Va = Vs + Vp,
GÄ™stość wÅ‚aÅ›ciwa szkieletu gruntowego Ás  jest to stosunek masy szkieletu ms {md}
Á
Á
Á
do jego objętości Vs {Vd}
ms g
Ás =
Vs cm3
GÄ™stość objÄ™toÅ›ciowa gruntu Á  jest to stosunek caÅ‚kowitej masy próbki gruntu m
Á
Á
Á
do jej całkowitej objętości V
m
g
Á =
cm3
V
Wilgotność gruntu w  jest to stosunek masy wody mw w porach gruntu do masy
szkieletu gruntu ms {md} wyrażony w procentach
mw
w = Å"100 %
ms
mw  ubytek masy próbki gruntu równy masie odparowanej wody
przy suszeniu gruntu w temperaturze 105÷110 °C do staÅ‚ej masy
Wilgotnością naturalną wn nazywamy wilgotność, jaką ma grunt w stanie naturalnym
w złożu.
GÄ™stość objÄ™toÅ›ciowa szkieletu gruntowego Ád  jest to stosunek masy szkieletu
Á
Á
Á
gruntowego ms {md} w próbce gruntu do objętości próbki V; mamy z tym do
czynienia w przypadku gruntu suchego (przy w = 0)
ms 100Å" Á
g
Ád = =
V 100 + wn cm3
Materiały dydaktyczne na zajęcia z przedmiotu Mechanika Gruntów i Fundamentowanie.
Zakład Geotechniki i Geologii Inżynierskiej, IIL Politechniki Poznańskiej.
Opracował: mgr inż. Adam Duda
V
s
V
p
V
V
s
V
w
V
a
y
r
o
P
e
Å‚
a
t
s
i
c
Å›
Ä™
z
C
Cechy fizyczne i stany gruntów 2/6
Porowatość gruntu n  jest to stosunek objętości porów Vp zawartych w próbce
gruntu do objętości tej próbki V
Vp Ás Ád
- Á
n = = , n =1-
V Ás Ás (1+ wn )
wn  wilgotność wyrażona w ułamku dziesiętnym
Wskaz
nik porowatości gruntu e  jest to stosunek objętości porów zawartych w
próbce gruntu Vp do objętości szkieletu gruntowego Vs {Vd}
Vp Ás Ád
- Ás (1+ wn ) - Á
e = = , e =
Vs Ád Á
wn  wilgotność wyrażona w ułamku dziesiętnym
Relacje pomiędzy współczynnikiem a wskaz
nikiem porowatości
e n
n = , e =
1+ e 1- n
Orientacyjne wartości porowatości
Rodzaj Porowatość n, Wskaz
nik
n i wskaz
nika porowatości e
gruntu % porowatości e
gruntów budowlanych [1]
30 ÷ 55 0,43 ÷ 1,22
Żwiry
20 ÷ 40 0,25 ÷ 0,66
Pospółki
Piaski 26 ÷ 45 0,35 ÷ 0,82
Gliny
20 ÷ 35 0,25 ÷ 0,54
IÅ‚y plastyczne
40 ÷ 70 0,66 ÷ 2,33
Iły półzwarte
35 ÷ 50 0,54 ÷ 1,00
IÅ‚y zwarte
18 ÷ 35 0,22 ÷ 0,54
Stopień wilgotności gruntu Sr  jest to stosunek objętości wody zawartej w próbce
gruntu (w porach) do objętości porów
Vw wÁs
Sr = =
Vp eÁw
Przy Sr = 1,0 (całkowite nasycenie porów gruntu wodą: Vw=Vp ) grunt ma
wilgotność zwaną wilgotnością całkowitą wr
eÅ" Áw
wr = Å"100 % {wsat} Áw  gÄ™stość wody
Ás
Gęstość objętościowa gruntu przy całkowitym nasyceniu porów wodą. Sytuacja taka
ma miejsce w gruncie znajdującym się w strefie podsiąku kapilarnych oraz poniżej
zwierciadła wody gruntowej w warstwie wodonośnej. Dla tych gruntów Sr = 1,0:
Ásr = Ád + nÁw g {Ásat}
cm3
Materiały dydaktyczne na zajęcia z przedmiotu Mechanika Gruntów i Fundamentowanie.
Zakład Geotechniki i Geologii Inżynierskiej, IIL Politechniki Poznańskiej.
Opracował: mgr inż. Adam Duda
Cechy fizyczne i stany gruntów 3/6
Fizyka wyróżnia pojÄ™cie ciężaru objÄ™toÅ›ciowego Å‚, który tak jak gÄ™stość Á jest
Á
Á
Á
cechą fizyczną materiału. Podobnie w geotechnice, obok gęstości możemy mówić
o ciężarze objętościowym gruntu. Obowiązuje tu znana zależność:
Å‚ = Á · g, kN/m3,
gdzie:
ł  ciężar objętościowy, kN/m3,
Á  gÄ™stość, Mg/m3 (w praktyce, aby Å‚ otrzymać w kN/m3, to Á należy podstawić w t/m3 {lub
g/cm3} , no a formalnie zgodnie z układem jednostek SI w Mg/m3, np. 1800 kg/m3 = 1,8 t/m3 = 1,8
g/cm3 = 1,8 Mg/m3)
g  przyśpieszenie ziemskie, 9,81 m/s2, często przyjmowane H" 10 m/s2.
Zatem przykÅ‚adowo obok gÄ™stoÅ›ci objÄ™toÅ›ciowej szkieletu gruntowego Ád,
Á
Á
Á
możemy mówić o ciężarze objętościowym szkieletu gruntowego łd.
Ciężar objętościowy gruntu z uwzględnieniem wyporu wody ł ; Szkielet gruntowy
Å‚
Å‚
Å‚
znajdujący się poniżej zwierciadła wody gruntowej poddany jest wyporowi wody
zgodnie z prawem Archimedesa. Tym samym jest on pozornie lżejszy i wywiera
mniejszy nacisk na warstwę leżącą poniżej niż ten sam szkielet powyżej zwierciadła
wody gruntowej [2,3].
'
kN
Å‚ = (1- n)(Å‚ - Å‚ )
s w
m3
łw  ciężar objętościowy wody, można przyjąć H" 10 kN/m3
" dla gruntów spoistych można z wystarczającą dokładnością policzyć ł według
uproszczonego wzoru [3]:
'
kN
Å‚ = Å‚ -Å‚
sr w
m3
W przypadku przepływu wody przez grunt należy przy obliczeniach ciężaru
objętościowego ł  uwzględnić ciśnienie spływowe j. Ciężar objętościowy gruntu
z uwzględnieniem oddziaływania ciśnienia spływowego oblicza się według wzoru:
kN
Å‚ ''= Å‚ 'Ä… j
m3
gdzie: j  ciśnienie spływowe:
kN
j = i Å"Å‚ Å"cos ²
w
m3
i = "H/L  spadek hydrauliczny,
²  kÄ…t odchylenia kierunku przepÅ‚ywu wody od pionu, w °.
Znak  + stosujemy, gdy przepływ wody odbywa się w dół, znak    gdy woda w gruncie
przepływa w górę.
Przepływając przez grunt woda napotyka na opór  musi opływać ziarna szkieletu
gruntowego, czemu towarzyszy tarcie pomiędzy wodą i tym szkieletem. Dla porównania jeśli
rozpatrzymy przekrój rury, przez którą płynie ciecz, to z podobnym tarciem będziemy mieli do
czynienia tylko na jej obwodzie, czyli kontakcie cieczy z rurą. Żeby wyobrazić sobie jakie tarcie
musi pokonać ciecz przepływająca przez grunt, to wspomnianą rurę musielibyśmy wypełnić
Materiały dydaktyczne na zajęcia z przedmiotu Mechanika Gruntów i Fundamentowanie.
Zakład Geotechniki i Geologii Inżynierskiej, IIL Politechniki Poznańskiej.
Opracował: mgr inż. Adam Duda
Cechy fizyczne i stany gruntów 4/6
gruntem. Dokładniej to wyciąć myślowo taką  rurę w gruncie, przez który płynie woda. Jeżeli
teraz rozpatrzymy jednostkową objętość (element) tego gruntu. Zastanowimy się jaka siła ciśnienia
przepływającej wody jest potrzebna, aby pokonać opór tarcia woda  szkielet, to będziemy mieli do
czynienia z ciśnieniem spływowym  siłą ciśnienia wody, wywieraną na cząstki gruntowe zawarte w
jednostce objętości. Ciśnienie które jest potrzebne do pokonania tego oporu jest różnicą ciśnienia
hydraulicznego (wysokości piezometrycznych) przed rozpatrywanym elementem i za nim.
Ciśnienie spływowe (hydrodynamiczne) jak podano w powyższym wzorze, jest równe iloczynowi
spadku hydraulicznego i ciężaru objętościowego wody. Kierunek działania tej siły jest styczny do
linii przepływu, jest to siła objętościowa i ma miano kN/m3 [3].
Stany gruntów
Zagęszczenie gruntów niespoistych
Stopień zagęszczenia gruntu ID  jest to stosunek zagęszczenia istniejącego w
naturze do zagęszczenia maksymalnego możliwego do uzyskania w warunkach
laboratoryjnych.
emax - en (Ád - Ád min ) Å" Ád max
ID = =
emax - emin (Ád max - Ád min )Å" Ád
Zmodyfikowany stopień zagęszczenia
Ád Ád - Ád min
IDM = ID Å" =
Ád max Ád max - Ád min
W zależności od wartości liczbowej stopnia zagęszczenia grunty sypkie dzieli
się według stanów zagęszczenia.
Stany zagęszczenia gruntów
Stan zagęszczenia Symbol Stopień
gruntu zagęszczenia ID niespoistych w zależności
od stopnia zagęszczenia ID [1]
Luz
ny ln
0 ÷ 0,33
Średnio zagęszczony szg
0,34 ÷ 0,67
Zagęszczony zg
0,68 ÷ 0,80
Bardzo zagęszczony bzg
0,81÷1,00
Materiały dydaktyczne na zajęcia z przedmiotu Mechanika Gruntów i Fundamentowanie.
Zakład Geotechniki i Geologii Inżynierskiej, IIL Politechniki Poznańskiej.
Opracował: mgr inż. Adam Duda
Cechy fizyczne i stany gruntów 5/6
Konsystencja gruntów spoistych
Aby określić stan gruntu spoistego, należy obliczyć wartość stopnia
plastyczności według wzoru:
wn - wp
IL =
wL - wp
Drugim wskaz
nikiem odnoszącym się do stanu gruntów spoistych jest stopień
konsystencji:
wL - wn
Ik =1- IL =
wL - wp
Granice konsystencji (Atterberga)
Granica płynności wL - jest to wilgotność, jaką ma grunt na granicy stanu
miękkoplastycznego i płynnego, przy której bruzda rozdzielająca próbkę gruntu w
miseczce aparatu Casagrande a złączy się po 25 uderzeniach miseczki na długości 10
mm i wysokości 1 mm.
Granica plastyczności wP - jest to wilgotność, jaką ma grunt na granicy stanu
twardoplastycznego i półzwartego, przy której wałeczek uformowany pęka w czasie
wałeczkowania po osiągnięciu średnicy 3 mm.
Granica skurczalności wS - jest to wilgotność, jaką ma grunt na granicy stanu
półzwartego i zwartego, po osiągnięciu której pomimo dalszego wysychania tego
gruntu nie zmniejsza już on swojej objętości.
Jeżeli liczba wałeczków jest
większa od zaznaczonych
na rysunku należy przyjąć,
że stan gruntu jest
miękkoplastyczny
(w stanie płynnym
10
wałeczków nie udaje się
9
wykonać)
8
7
6
5
4
3
2
W [%]
1
Wilgotność
Stopień
IL< 0,0 0,0 0,25 0,5 1,0 IL> 1,0
plastyczności
Pół- Twardo-
Zwarty Plastyczny Miękkoplastyczny Płynny
Stan gruntu
zwarty plastyczny
Oznaczenia
graficzne stanu *
Konsystencja Plastyczna PÅ‚ynna
Zwarta
* - stosowane na rysunkach profili i przekrojów geotechnicznych
Stany gruntów spoistych oraz liczba wałeczków przy makroskopowym określaniu stanu w konsystencji plastycznej
Materiały dydaktyczne na zajęcia z przedmiotu Mechanika Gruntów i Fundamentowanie.
Zakład Geotechniki i Geologii Inżynierskiej, IIL Politechniki Poznańskiej.
Opracował: mgr inż. Adam Duda
liczba wałeczków
p
L
n
s
n
n
w = 0
w = w
w = w
w = w
e
t
s
i
o
p
s
o
z
d
r
a
b
e
t
s
i
o
p
s
o
Å‚
z
Ä™
i
w
z
e
t
s
i
o
p
s
o
i
n
d
e
r
Å›
e
t
s
i
o
p
s
o
Å‚
a
m
Cechy fizyczne i stany gruntów 6/6
Podział gruntów spoistych w zależności od stopnia plastyczności [1]
Wilgotność gruntu
Stopień
w stosunku do
plastyczności Stan gruntu Symbol Konsystencja
granic
IL
konsystencji
IL < 0 w d" ws zwarty zw
zwarta
IL d" 0 ws < w d" wp półzwarty pzw
0 < IL d" 0,25 twardoplastyczny tpl
0,25 < IL d" 0,50 wp < w d" wL plastyczny pl plastyczna
0,50 < IL d" 1,00 miękkoplastyczny mpl
1,00 < IL w > wL płynny pł płynna
Wskaz
nik plastyczności to różnica pomiędzy granicą płynności i plastyczności
IP = wL - wP
Ip d" 1%  grunt niespoisty ns,
Ip > 1%  grunt spoisty s.
Podział gruntów spoistych w zależności od wskaz
nika plastyczności [1]
Wskaz
nik plastyczności
Zawartość frakcji iłowej
Rodzaj
(o średnicy mniejszej od 0,002 mm)
Ip Symbol
spoistości
%
%
2 ÷ 10 maÅ‚o spoisty ms
1 < Ip d" 10
średnio spoisty ss
11 ÷ 20
10 < Ip d" 20
zwięzło spoisty zs
21 ÷ 30
20 < Ip d" 30
bardzo spoisty bs
30 < Ip 31 ÷ 100
{ }  w nawiasach klamrowych podano równorzędne oznaczenie literowe
według [4].
Literatura:
[1] W. Kostrzewski: Parametry geotechniczne gruntów budowlanych oraz metody ich oznaczania.
WPP, Poznań 1988.
[2] S. Pisarczyk: Gruntoznawstwo inżynierskie. PWN, Warszawa 2001.
[3] Z. Wiłun: Zarys geotechniki. WKA
, Warszawa 1976, 2001.
[4] PN-B-02481 01-1998: Geotechnika. Terminologia podstawowa, symbole literowe i jednostki
miar.
Materiały dydaktyczne na zajęcia z przedmiotu Mechanika Gruntów i Fundamentowanie.
Zakład Geotechniki i Geologii Inżynierskiej, IIL Politechniki Poznańskiej.
Opracował: mgr inż. Adam Duda