P O L I T E C H N I K A W R O C Ł A W S K A

Instytut Geotechniki i Hydrotechniki Zakład Mechaniki Gruntów

SPRAWOZDANIE NR 2

Parametry geotechniczne-liczbowe charakterystyki cech fizycznych gruntów.

Wyznaczenie podstawowych wzkazników identyfikacyjnych ρ, ρ_s, w

obliczenie wzkaźników pochodnych ρ, γ, γ_s, γ_d, n, e, m,S_v

1. WPROWADZENIE

Cechy fizyczne gruntu można podzielić na podstawowe i od nich pochodne, które oblicza się na podstawie cech podstawowych. Do podstawowych cech fizycznych gruntów zalicza się wilgotność, gęstość właściwą i gęstość objętościową. Cechy te wyznacza się na podstawie badań laboratoryjnych.

Mając oznaczone podstawowe cechy fizyczne gruntu, można obliczyć cechy od nich pochodne, do cech pochodnych należą : gęstość objętościowa szkieletu gruntowego ( ρ_d ) , ciężar objętościowy szkieletu gruntowego ( γ_d ), porowatość ( n ), wskaźnik porowatości ( e ), szczelność ( m. ), wilgotność całkowita ( w_r ), stopień wilgotności ( s_r ), gęstość objętościowa ( ρ' ) i ciężar objętościowy ( γ' ) gruntu przy całkowitym wypełnieniu porów wodą, gęstość objętościowa ( ρ_sr ) i ciężar objętościowy ( γ_sr ) gruntu poniżej zwierciadła wody po uwzględnieniu wyporu. Znajomość podstawowych cech fizycznych jest również niezbędna do określenia: stopnia wilgotności, stopnia zagęszczenia, stopnia plastyczności i wskaźnika zagęszczenia.

2. OZNACZANIE GĘSTOŚCI OBJĘTOŚCIOWEJ GRUNTU

1. UWAGI WSTĘPNE

Gęstością objętościową gruntu nazywa się stosunek masy próbki gruntu (w stanie naturalnym) do jej objętości. Wyznacza się ją ze wzoru:

m_m

ρ = ___

V

Gdzie:

ρ - gęstość objętościowa

m._m. - masa próbki w stanie naturalnym

V - objętość badanej próbki

Gęstość objętościowa jest jednym z parametrów charakteryzujących strukturalno - teksturalne właściwości gruntów. Jej wartość zależy od składu mineralnego, porowatości i wilgotności gruntu. Jest więc wartością zmienną. Gęstość objętościowa jest bezpośrednim wskaźnikiem obliczeniowym służącym między innymi do:

• obliczenia parcia gruntu na ścianki oporowe,

• obliczenia stateczności zboczy naturalnych i sztucznych,

• wyznaczenia dopuszczalnych obciążeń gruntu,

• obliczenia wielkości osiadań,

• obliczenia naprężeń pierwotnych

Ponadto wskaźnik ten wykorzystuje się do obliczenia innych parametrów, takich jak:

• gęstości objętościowa szkieletu gruntowego,

• gęstości objętościowej gruntu pod wodą,

• porowatości, wskaźnika porowatości i stopnia zagęszczenia.

Gęstość objętościową gruntu wyznacza się z zasady na próbkach o strukturze nienaruszonej (NNS).

W zależności od rodzaju gruntu oraz stanu i wielkości próbki przeznaczonej do badań przy oznaczaniu gęstości objętościowej stosuje się jedną z czterech metod:

• metoda pierścienia tnącego,

• metodę rtęciową,

• metodę w wodzie (parafinowania),

• metodę oznaczenia gęstości objętościowej w cylindrze.

1. METODA PIERŚCIENIA TNĄCEGO

2.2.1 PRZEBIEG BADAŃ

1. Waży się pierścień.

2. Za pomocą suwmiarki mierzy się i wysokość i średnicę pierścienia, obliczając jego średnicę.

3. Wyrównuje się nożem powierzchnię bryły gruntu o nienaruszonej strukturze.

4. Ustawia się pierścień z nakładką zaostrzoną krawędzią na wyrównanej powierzchni i równomiernie naciskając nakładkę.

5. Wypełniony pierścień wyjmuje się z gruntu, oczyszcza się jego zewnętrzne ściany, grunt wyrównuje równo z krawędziami pierścienia.

6. Waży się pierścień z gruntem.

2.2.2 OBLICZENIE WYNIKÓW

Gęstość objętościową gruntu oblicza się według wzoru:

m_mt - m._t m _m

ρ = ______ = __

V_p V

Gdzie:

ρ - gęstość objętościowa gruntu

m_mt - masa pierścienia z gruntem

m._t - masa pierścienia

m._m. - masa próbki gruntu w stanie naturalnym

V_p - objętość pierścienia

V - objętość próbki

Za wynik ostateczny przyjmuje się średnią arytmetyczną wartości uzyskanych z badania dwóch równoległych próbek, gdy różnica nie przekracza 0,02 g/cm³. Gdy różnica jest większa należy wykonać jeszcze dwa badania.

2.2.3 UWAGI O METODZIE

Spośród przedstawianych metod oznaczania gęstości objętościowej metoda pierścienia tnącego jest najprostszą, najszybszą, a przy dokładnym wykonaniu oznaczenia pozwala również na uzyskanie bardzo dokładnych wyników.

1. METODA RTĘCIOWA

1. PRZEBIEG BADAŃ

1. Wycina się z gruntu o nienaruszonej strukturze próbkę o objętości 10 - 20 cm³ i wygładza jej powierzchnię.

2. Wyciętą próbkę waży się.

3. Wiewa się do zbiornika objętościomierza taką ilość rtęci, aby po dokręceniu pokrywy i nastawieniu noniusza na zero poziom rtęci osiągnął poziom kreski na rurce.

4. Trzpień wypychający rtęć wysuwa się obracając korbką, odkręca pokrywę i wkłada do zbiornika z rtęcią zważoną próbkę.

5. Zakręca się pokrywę i przez ponowny obrót korbki wciska się trzpień do środka zbiornika aż do momentu, w którym poziom rtęci osiągnie poziom kreski na rurce.

6. Po ustaleniu poziomu rtęci otrzymuje się wynik na podziałce noniusza.

1. OBLICZENIE WYNIKÓW

Gęstość objętościową gruntu oblicz się według wzoru:

m_m. m _m

ρ = ____ = __

V₁ - V₀ V

Gdzie:

ρ - gęstość objętościowa gruntu,

m._m. - masa próbki gruntu w stanie naturalnym

V - objętość próbki

V₀ - odczyt na noniuszu przed włożeniem próbki do zbiornika objętościomierza,

V₁ - odczyt na noniuszu po włożeniu próbki do zbiornika objętościomierza.

Za wynik ostateczny przyjmuje się średnią arytmetyczną wartości uzyskanych z badań dwóch równoległych próbek, gdy różnica wyników nie przekracza 0,02 g/cm³. Gdy różnica jest większa należy wykonać jeszcze dwa badania.

2. UWAGI O METODZIE

Wszystkie czynności związane ze stosowaniem rtęci muszą być wykonywane zgodnie z odpowiednimi przepisami bezpieczeństwa i higieny pracy. Z uwagi na szkodliwość dla zdrowia par rtęci należy się starać, aby rtęć była stale przykryta.

2.4 MWTODA OZNACZANIA GĘSTOŚCI OBJĘTOŚCIOWEJ W WODZIE LUB W CIECZY ORGANICZNEJ

2.4.1 PRZEBIEG BADAŃ

1. Wycina się z gruntu o nienaruszonej strukturze próbkę o objętości 20 - 30 cm³ i wygładza nożem jej powierzchnie.

2. Wyciętą próbkę waży się.

3. Do zważonej próbki przymocowuje się nitkę.

4. Rozpuszcza się parafinę w parowniczce, nie dopuszcza się do wrzenia.

5. Zanurza się próbkę w gorącej parafinie tak, aby została powleczona cienką, jednolitą warstwą parafiny.

6. Waży się próbkę powleczoną parafiną.

7. Podwiesza się na nitce próbkę do szalki wagi, próbkę zanurza się w zlewce z wodą i waży się próbkę, aby określić masę próbki zmniejszoną o wypór wody w celu wyznaczenia jej objętości

8. Po zważeniu wyjmuje się próbkę z wody i osusza się, a następnie waży ponownie aby sprawdzić czy próbka nie nabrała wody.

2.4.2 OBLICZENIE WYNIKÓW

Objętość badanej próbki pokrytej parafiną otrzymuje się dzieląc masę wody wypartej przez próbkę przez gęstość właściwą wody:

m_p - m_pw

V_mp = ___

ρ_w

Objętość parafiny pokrywającej próbkę otrzymuje się przez odjęcie od masy próbki zaparafinowanej masy próbki naturalnej i podzielenie wyników przez gęstość parafiny:

m_p - m_m

V_p = ____

ρ_p

Objętość badanej próbki naturalnej otrzymuje się przez odjęcie od objętości próbki pokrytej parafiną objętości parafiny pokrywającej próbki:

V = V_mp - V_p

Gęstość objętościową gruntu oblicza się więc według wzoru:

m_m

ρ = __

V

Gdzie:

ρ - gęstość objętościowa badanej próbki,

m._m. - masa próbki w stanie naturalnym

V - objętość próbki gruntu

m_p - masa próbki pokrytej parafiną

m._pw - masa próbki pokrytej parafiną i zanurzonej w wodzie

Za wynik ostateczny przyjmuje się średnią arytmetyczną wartości uzyskanych z badań dla dwóch równoległych próbek, gdy różnica wyników nie przekracza 0,02 cm³. Gdy różnica jest większa należy wykonać jeszcze dwa badania.

2.4.3 UWAGI O METODZIE

Metoda oznaczania gęstości objętościowej w wodzie jest bardziej pracochłonna niż inne metody, więc stosuje się ją tylko wtedy, gdy z uwagi na rodzaj, stan gruntu i wielkość próbki inne metody nie dadzą się zastosować.

3. OZNACZANIE GĘSTOŚCI WŁAŚCIWEJ

1. UWAGI WSTĘPNE

Gęstością właściwą nazywamy stosunek masy szkieletu gruntowego do objętości tego szkieletu i obliczamy ją ze wzoru:

m_s

ρ_{s = ___}

V_s

Gdzie:

ρ_s - gęstość właściwa szkieletu gruntowego

m._s - masa szkieletu gruntowego

V_s - objętość szkieletu gruntowego

Gęstość właściwa szkieletu gruntowego jest parametrem określającym szkielet gruntu, jej wartość zależy od składu mineralogicznego i innych domieszek w nim zawartych.

Znajomość wartości gęstości właściwej jest niezbędna przy obliczaniu wielu parametrów: przy wyznaczaniu porowatości gruntu, składu granulometrycznego, ściśliwości itp., dlatego też ten parametr należy oznaczać z dużą dokładnością.

Gęstość właściwą można określać dwoma metodami: metoda piknometru i metoda przyrządu Le Chateliera.

3.2 METODA PIKNOMETRU

3.2.1 PRZEBIEG BADAŃ

1. średnią próbkę gruntu suszy się w suszarce w temperaturze 105 - 110 ^oC do stałej masy i ochładza w eksykatorze.

2. Waży się pustą, suchą kolbę (piknometr) z dokładnością 0,01g.

3. Do zważonej kolby wsypuje się wysuszony grunt i waży się całość z dokładnością do 0,01 g, masa wysuszonego gruntu powinna wynosić:

• 40 - 50g dla piasków gliniastych, pyłów i pyłów piaszczystych

• 35 - 40g dla glin, glin piaszczystych, glin pylastych

• 25 - 30g dla glin zwięzłych, iłów, iłów pylastych, iłów piaszczystych

4. Kolbę z gruntem napełnia się do około 2/3 objętości wodą destylowaną i gotuje na małym płomieniu przez pół godziny.

5. Kolbę z zawartością ochładza się do temperatury otoczenia, uzupełnia wodą destylowaną do kreski na szyjce kolby.

6. Doprowadza się temperaturę zawiesiny w kolbie do temperatury 20⁰C

7. Kolbę z zawiesiną waży się z dokładnością do 0,01g.

8. Wylewa się zawartość kolby, kolbę dokładnie się płucze i jeśli dana kolba nie była wcześniej wycechowana, wlewa się do niej wodę destylowaną - do kreski, doprowadza do temperatury 20⁰C i po starannym wytarciu waży.

3.2.2 OBLICZANIE WYNIKÓW

Masę szkieletu gruntowego m._s otrzymuje się przez odjęcie od masy kolby z gruntem suchym masy kolby suchej:

m_s = m._gt - m_t

Objętość szkieletu gruntowego otrzymuje się z obliczenia masy wody w objętości gruntu:

m_w = m._wt + m._s - m_wgt

m._wt + m._s - m_wgt

V_s =_________

ρ_w

gęstość właściwą szkieletu gruntowego oblicz się wg wzoru:

m_s

ρ_s=___

V_s

Gdzie:

ρ_s - gęstość właściwa szkieletu gruntowego,

m._s - masa szkieletu gruntowego,

m._wt - masa kolby z wodą,

m._wgt - masa kolby z wodą i gruntem.

Uzyskane wyniki nie powinny się różnić od wyników zawartych w taeli więcej niż 0,02 - 0,03 g/cm^-3:

3.2.3 UWAGI O METODZIE

Za pomocą przedstawionej metody (zgodnie z PN-88/B-04481) uzyskuje się dokładne wyniki pod warunkiem bardzo dokładnego ważenia oraz ścisłego doprowadzenia wody i zawiesin do przewidzianej temperatury.

W celu usprawnienia badań kolby należy wcześniej wycechować, tzn. oznaczyć masę kolby wysuszonej i napełnionej wodą destylowaną w temperaturze 20⁰C.

3.3 METODA KOLBY LE CHATELIERA

3.3.1 PRZEBIEG BADAŃ

1. Wysuszoną w powietrzu próbkę gruntu o masie około 200g rozciera się w moździerzu za pomocą tłuczka.

2. Roztartą próbkę przesiewa się przez sito o wymiarze oczka 0,075mm.

3. Z roztartej próbki bierze się do parowniczki około 130g.

4. Roztartą próbkę suszy się w parowniczce, w suszarce w temperaturze 105 - 110⁰Cdo stałej masy, a następnie się waży.

5. Przyrząd Le Chateliera, napełnia się czystym benzenem, denaturatem lub inną cieczą niepolarną, a następnie zanurza się go do 0,9 wysokości w szklanej zlewce z wodą o stałej temperaturze 18⁰C.

6. Po upływie godziny, nie wyjmując przyrządu z wody, usuwamy nadmiar cieczy ponad podziałką zerową.

7. Wysuszoną, roztartą na proszek próbkę gruntu wsypujemy małymi porcjami.

8. Wsypywanie proszku przerywamy w momencie gdy, poziom cieczy podniesie się do podziałki 20 cm³.

9. Pozostałą na łyżeczce roztartą próbkę wsypuje się do parowniczki i parowniczkę z pozostałością proszku waży się.

3.3.2 OBLICZENIE WYNIKÓW

Gęstość właściwą szkieletu gruntowego oblicz się ze wzoru:

m_s m_st1 - m_st2

ρ_s =__ = _____

• 20

gdzie:

ρ_s - gęstość właściwa szkieletu gruntowego

m_st1 - masa parowniczki z próbką gruntu przed wsypaniem części do kolby

m_st2 - masa parowniczki z pozostałością próbki

20 - objętość próbki wsypanej do kolby.

Oznaczenie należy przeprowadzać co najmniej dwukrotnie. Jeśli różnica między dwoma otrzymanymi wynikami nie przekracza 0,02 g/cm³, za wynik należy przyjąć średnią arytmetyczną tych oznaczeń. Jeśli natomiast różnica jest większa niż 0,02 g/cm³, oznaczenia należy powtórzyć na dwóch następnych próbkach badanego gruntu.

4. OZNACZENIE WILGOTNOŚCI

4.1 UWAGI WSTĘPNE

Przez pojęcie wilgotności rozumie się stosunek masy wody zawartej w danej próbce gruntu do masy tej próbki po wysuszeniu, wyrażony w procentach:

m_w

w = __ * 100

m_s

gdzie:

w - wilgotność

m._w - masa wody

m._s - masa gruntu suchego

Wilgotność jest czynnikiem kształtującym wiele fizyczno- mechanicznych właściwości gruntów, zwłaszcza gruntów spoistych, i zmienność jej będzie powodowała znaczną zmienność tych właściwości.

„Wilgotność naturalna” - to taka wilgotność która charakteryzuje zawartość wody w gruncie w warunkach naturalnych, a więc bezpośrednio w terenie. Do oznaczenia tej wilgotności powinny być używane próbki o wilgotności naturalnej (NW).

1. PRZEBIEG BADAŃ

1. Waży się puste, wysuszone i ochłodzone naczynka wagowe z dokładnością do 0,01g.

2. Próbkę gruntu przeznaczoną do badania wilgotności umieszcza się w zważonym naczyniu i waży się z taką samą dokładnością.

3. Zważoną próbkę wstawia się do suszarki i suszy w temperaturze 105 -110⁰C do stałej masy.

2. OBLICZENIE WYNIKÓW

Wilgotność gruntu oblicza się ze wzoru:

m_mt - m_mst

w = _____ * 100%

m._st -m_t

gdzie:

w - wilgotność

m._mt - masa naczynka z gruntem mokrym

m._st - masa naczynka z gruntem suchym

m._t - masa naczynka pustego

Jako wynik ostateczny przyjmuje się średnią arytmetyczną wartości z dwóch oznaczeń, jeśli różnica uzyskanych wartości nie przekroczy 5% wartości średniej. W przypadku większej różnicy badania należy przeprowadzić na dwóch dodatkowych częściach próbki.

3. UWAGI O METODZIE

Oznaczenie wilgotności przeprowadza się nie tylko w celu określenia zawartości wody w gruncie w stanie naturalnym, lecz również jako oznaczenie pomocnicze przy wyznaczaniu innych właściwości gruntu, takich jak : granica konsystencji czy wilgotności optymalnej.

5. CECHY FIZYCZNE POCHODNE OD CECH PODSTAWOWYCH

5.1 GĘSTOŚĆ OBJĘTOŚCIOWA SZKIELETU GRUNTOWEGO

Gęstością objętościową szkieletu gruntowego jest to stosunek masy szkieletu gruntu w danej próbce do jej objętości pierwotnej:

m_s

ρ_d = __

V

Gdzie:

ρ_d - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego

m._s - masa próbki wysuszonej do stałej masy

V - objętość gruntu przed wysuszeniem

5.2. CIĘŻAR WŁAŚCIWY SZKIELETU GRUNTOWEGO

γ_d = g × ρ_d

gdzie :

g - przyspieszenie ziemskie,

ρ_d - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego.

5.3. POROWATOŚĆ GRUNTU

Porowatość gruntu jest to stosunek objętości porów w danej próbce gruntu do jej całkowitej objętości. Porowatość oblicza się ze wzoru:

V_p

n = __

V

Gdzie:

n - porowatość gruntu

V - objętość całkowita

V_p - objętość porów

5.4. WSKAŻNIK POROWATOŚCI GRUNTU

Wskaźnikiem porowatości gruntu nazywamy stosunek objętości porów do objętości szkieletu gruntowego. Wskaźnik porowatości obliczamy ze wzoru:

V_p

e =__

V_s

Gdzie:

e - wskaźnik porowatości gruntu

V_p - objętość porów

V_s - objętość szkieletu

5.5. WILGOTNOŚĆ CAŁKOWITA GRUNTU

Grunt ma wilgotność całkowitą, gdy jego pory są całkowicie wypełnione wodą. Wilgotność całkowitą oblicz się ze wzoru:

n*ρ_w

w_r = ___ * 100%

(1 - n)ρ_s

gdzie:

w_r - wilgotność całkowita

n - porowatość gruntu

ρ_w - gęstość właściwa wody

ρ_s - gęstość właściwa szkieletu gruntowego

5.6. STOPIEŃ WILGOTNOŚCI I STANY ZAWILGOCENIA GRUNTU

Stopień wilgotności określa stopień wypełnienia porów gruntu przez wodę. Oblicza się go ze wzoru:

V_w w_n

S_r = ___ = ___

V_p w_r

Zależnie od stopnia wilgotności rozróżnia się następujące stany zawilgocenia gruntów niespoistych:

• suchy, jeśli S_r = 0

• mało wilgotny, jeśli 0< S_r<=0,4

• wilgotny, jeśli 0,4<S_r<=0,8

• nawodniony, jeśli 0,8< S_r<=1,0

5.7. GĘŚTOŚĆ OBJĘTOŚCIOWA PRZY CAŁKOWITYM NAPEŁNIENIU PORÓW WODĄ

ρ_sr = (1 - n)*ρ_s + nρ_w = ρ_d = nρ_w

5.7 GĘSTOŚĆ OBJĘTOŚCIOWA GRUNTU PONIŻEJ ZWIERCIADŁA WODY PO UWZGLĘDNIENIU SIŁY WYPORU

ρ′ = ( ρ_s - ρ_w )(1 - n )

5.8. Ciężar objętościowy gruntu przy całkowitym wypełnieniu porów wodą.

γ′ = g *ρ′

5.9. Gęstość objętościowa gruntu poniżej zwierciadła wody po uwzględnieniu wyporu.

ρ′ = ( ρ_s - ρ_w )(1 - n )

6. WZORY

γ_d = g *ρ_d

γ′ = g *ρ′

γ_{sr = g *}ρ_sr

g - przyciąganie ziemskie

7.WYNIKI POMIARÓW

7. WYNIKI OBLICZEŃ

• w =

• ρ =

• ρ_s =

• ρ_d =

• ρ_sr =

• ρ′ =

• n =

• e =

• m =

• w_r =

• S_r =

• γ′ =

• γ_d =

• γ_sr =

1

1

---