Parametry geotechniczne-liczbowe charakterystyki cech fizycznych gruntów.

Wyznaczanie podstawowych wskaźników identyfikacyjnych: r, r_s, w oraz obliczanie wskaźników pochodnych.

Do podstawowych właściwości (cech) fizycznych gruntu zalicza się wilgotność, gęstość objętościową i gęstość właściwą.

W praktyce geotechnicznej posługujemy się najczęściej ciężarem objętościowym i ciężarem właściwym, których wartości liczbowe w układzie GGS równe są wartościom liczbowym gęstości objętościowej i gęstości właściwej w układzie SI.

oraz

gdzie - ciężar objętościowy

r - gęstość objętościowa

g_s - ciężar właściwy

r_s - gęstość właściwa

Dlatego wartości liczbowe g_s i g w G/cm³ są równe wartościom liczbowym r_s i r w g/cm³. Należy pamiętać, że wartości liczbowe odnoszą się zarówno do jednostek masy g/cm³ , t/m³ , jak i jednostek siły G/cm³ i T/m³ ( np. jeżeli dla g gruntu r=2,1 g/cm³ = 2,1 t/m³ to g=2,1 G/cm³ = 2,1 T/m³).

Jeśli chcemy wartości liczbowe g i g_s wyrazić w jednostkach SI (kN/m³), to należy wartości te pomnożyć przez wartość przyśpieszenia ziemskiego g = 9,81 m/s².

Znajomość podstawowych właściwości fizycznych gruntu jest niezbędna do obliczania innych cech fizycznych zależnych od podstawowych. Właściwościami fizycznymi gruntu zależnymi od podstawowych właściwości, są gęstość (ciężar) objętościowa szkieletu gruntowego, porowatość, wskaźnik porowatości, wilgotność całkowita i stopień wilgotności. Znajomość podstawowych właściwości fizycznych gruntu jest niezbędna również do oznaczania stanu gruntów niespoistych oraz stopnia plastyczności gruntów spoistych.

Gęstość objętościowa i ciężar objętościowy

Znajomość gęstości objętościowej ( ciężaru objętościowego) konieczna jest do obliczania gęstości objętościowej szkieletu gruntowego (ciężaru objętościowego szkieletu gruntowego ), porowatości, wskaźnika porowatości itp.

Gęstość objętościowa (ciężar objętościowy ) konieczna jest do obliczania wielkości osiadań, oporu granicznego podłoża, parcia na mury oporowe i obudowy podziemne, stateczność skarp, zboczy wykopów i nasypów itp. Gęstość objętościowa danego gruntu zależy od jego porowatości, wilgotności oraz od gęstości właściwej szkieletu gruntowego.

Gęstością objętościową gruntu (ρ) nazywamy stosunek masy próbki gruntu w stanie wilgotnym do jej objętości.

r= lub r=

m_m - masa próbki gruntu w stanie naturalnym

V - objętość próbki w stanie naturalnym

m_s - masa szkieletu gruntowego

m_w - masa wody znajdująca się w porach gruntu

V_s - objętość szkieletu gruntowego

V_p - objętość porów znajdujących się w gruncie

Ciężar objętościowy (g ) oblicza się ze wzoru

g = r * g,

• - gęstość objętościowa

g - przyśpieszenie ziemskie

Metody wyznaczania gęstości objętościowej gruntów.

W pierścieniu metalowym.

Metodę tę stosuje się do wszystkich rodzajów gruntów spoistych o nienaruszonej strukturze i zachowanej wilgotności naturalnej i dostatecznie dużej objętości umożliwiającej przygotowanie próbki do oznaczenia. W wyjątkowych wypadkach można tą metodą wyznaczyć przybliżoną gęstość objętościową gruntu o naruszonej strukturze.

W cylindrze stalowym.

Metodę tę stosuje się głównie do gruntów niespoistych. Oznaczenia dokonuje się bezpośrednio w cylindrze stalowym (NNS), do którego pobrano grunt w miejscu projektowanej budowy.

Za pomocą rtęci

Metodę tę stosuje się do gruntów o znacznej spoistości.

Wilgotność naturalna

Decydujący wpływ na nośność gruntów spoistych, pylastych oraz piasków drobnych wywiera wilgotność danego gruntu. Im większa jest wilgotność danego gruntu, tym mniejsza jego zdolność do przeciwstawiania się odkształceniom wywołanym przez działające na niego obciążenia. Można przyjąć, że ze wzrostem wilgotności gruntów spoistych, pylastych oraz drobnych piasków maleje ich nośność. W żwirach, piaskach grubych oraz piaskach średnich wilgotność na naciski dopuszczalne nie wywiera większego wpływu.

Wilgotnością naturalną gruntu w_n nazywamy stosunek masy wody zawartej w porach gruntu do masy jego szkieletu.

Wilgotność naturalną w procentach określa się wzorem

w_n=

m_w - masa wody znajdującej się w porach badanej próbki gruntu

m_s - masa szkieletu gruntowego badanej próbki

Wilgotność naturalna dla różnych gruntów jest różna i zmienia się w granicach od kilku do kilkuset procent, co w znacznym stopniu zależy od uziarnienia i składu mineralnego danego gruntu.

Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego

Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego (r) nazywamy stosunek masy cząstek mineralnych znajdujących się w danej próbce do objętości całkowitej próbki.

r_d =

Ciężar objętościowy szkieletu gruntowego oblicza się ze wzoru

g_d = r_d *g; g_d =

g_d - ciężar objętościowy szkieletu gruntowego

r - gęstość objętościowa gruntu

• - ciężar objętościowy gruntu

w - wilgotność

Gęstość właściwa szkieletu gruntowego

Gęstością właściwą szkieletu gruntowego nazywa się stosunek masy szkieletu gruntowego do objętości tego szkieletu (bez porów). Gęstość właściwa szkieletu zależy od składu mineralnego ziaren i cząstek stanowiących dany szkielet gruntowy. Znajomość gęstości właściwej szkieletu gruntowego potrzebna jest do wyznaczania krzywej uziarnienia metodą areometryczną itp.

Gęstość właściwą gruntów oznacza się wzorem

r_s =

Ciężar właściwy gruntu obliczamy ze wzoru

g_s =

m_s - masa gruntu suchego (szkieletu gruntowego)

G_s - ciężar gruntu suchego (szkieletu gruntowego)

V_s - objętość szkieletu gruntowego

Porowatość

W skład każdego gruntu wchodzą ziarna lub cząstki stanowiące szkielet danego gruntu oraz pory wypełnione całkowicie cieczą lub gazem, lub częściowo cieczą i gazem.

Wielkość i ilość porów w gruncie zależy od struktury, wielkości i równomierności ziaren stanowiących szkielet gruntowy, stopnia zagęszczenia, wilgotności (szczególnie grunty spoiste) oraz od obciążenia działającego na dany grunt.

Porowatością gruntu nazywa się stosunek objętości porów zawartych w danym gruncie do objętości całkowitej próbki.

Porowatość gruntu oznacza się symbolem n (liczba niemianowana).

n = gdzie V = V_s + V_p

V_p - objętość porów w próbce

V - całkowita objętość próbki

Po przekształceniach wzór można zapisać w następującej postaci

n = 1 - lub n =

Wskaźnik porowatości

Wskaźnikiem porowatości gruntu nazywa się stosunek objętości porów zawartych w danym gruncie do objętości szkieletu gruntowego. Wskaźnik porowatości oznacza się symbolem e (liczba niemianowana).

e =

Zależność między porowatością (n) a wskaźnikiem porowatości (e) wyraża się wzorami:

e = lub n =

Stopień wilgotności

Stopień wilgotności s_r jest to stosunek objętości wody znajdującej się w porach badanej próbki gruntu do całkowitej objętości porów w tej próbce.

s_r =

V_w - objętość wody

V_p - objętość porów

Uzyskana wartość liczbowa oznacza, jaką część objętości porów znajdujących się w badanym gruncie zajmuje woda.

Stopień wilgotności może mieć maksymalną wartość równą 1,00 wówczas, gdy wszystkie pory znajdujące się w gruncie są wypełnione wodą.

Kapilarność

Kapilarność w gruntach powstaje na skutek istnienia porów w gruncie, które pomiędzy szkieletem gruntowym tworzą jakby rurki kapilarne. Wskutek przyczepności do ścianek tych rurek (adhezji) oraz napięcia powierzchniowego woda może unosić się na pewną wysokość ponad poziom swobodnego zwierciadła.

Rozróżnia się kapilarność czynną i bierną gruntu.

• Kapilarnością czynną gruntu nazywa się wysokość, na jaką woda, na skutek sił napięcia powierzchniowego, podniesie się w porach gruntu ponad poziom swobodnego zwierciadła przy podsiąkaniu od dołu.

• Kapilarnością bierną gruntu nazywa się wysokość, na jakiej woda będzie utrzymywać się w porach gruntu ponad poziomem swobodnego zwierciadła przy obniżeniu tego poziomu.

Wysokość kapilarnego podniesienia się wody w gruncie zależy przede wszystkim od wielkości ziaren stanowiących szkielet gruntowy. Gdy ziarna szkieletu gruntowego są mniejsze, wówczas pory tworzące kanaliki (rurki kapilarne) mają mniejszą średnicę, co sprzyja wyższemu podnoszeniu się wody ponad swobodne zwierciadło. Gdy ziarna szkieletu gruntowego są większe, wówczas pory tworzące kanaliki (rurki kapilarne) mają średnice większe, co powoduje mniejsze podnoszenie się wody ponad swobodne zwierciadło.

Zjawisko kapilarności czynnej i biernej ma ważne znaczenie w projektowaniu dróg i fundamentów, ponieważ sprzyja niebezpieczeństwu tworzenia się wysadzin na drogach w czasie zamarzania. Do badań mogą być poddawane wszystkie grunty o uziarnieniu drobnym, do piasków drobnych włącznie.

1

---