1. OPIS TEORETYCZNY

Stan gruntu spoistego określa parametr zwany stopniem plastyczności I_L, obliczany według następującego wzoru:

w którym:
I_L - stopień plastyczności (liczba niemianowana),
w_n - wilgotność naturalna [% lub liczba niemianowana],
w_p - granica plastyczności [% lub liczba niemianowana],
w_L - granica płynności [% lub liczba niemianowana].

Granica plastyczności (w_p) jest to wilgotność jaką ma grunt na granicy stanu półzwartego i twardoplastycznego. Przy tej wilgotności wałeczek gruntu, podczas jego wałeczkowania na dłoni, pęka po osiągnięciu średnicy 3mm lub podniesiony za jeden koniec rozpada się na części.

Granicą płynności (w_L) nazywa się wilgotność gruntu na granicy stanu miękkoplastycznego i płynnego. Przyjmuje się, że granicy płynności odpowiada wilgotność gruntu, przy której bruzda wykonana w paście gruntowej umieszczonej w miseczce aparatu Casagrande'a, łączy się na długości 10 mm i wysokości 1 mm przy 25-tym uderzeniu miseczki o podstawę aparatu, w warunkach oznaczania określonych normą PN-88/B-04481.

Granicą skurczalności (w_s) nazywa się wilgotność gruntu na granicy stanu zwartego i półzwartego, przy której grunt pomimo dalszego suszenia nie zmniejsza swojej objętości i jednocześnie zaczyna zmieniać barwę na powierzchni na odcień jaśniejszy.

Obliczenie parametru I_L wykonuje się w celu dokładnego oznaczenia stanu gruntu.

Podział na stany i konsystencje gruntów spoistych przedstawia się następująco:

Konsystencja gruntu	Stan gruntu	Symbol	Wartości IL i wn
zwarta	zwarty	zw	IL  0 oraz wn  ws
		półzwarty	pzw	IL  0 oraz ws  wn  wL
	plastyczna	twardoplastyczny	tpl	0  IL  0,25 oraz wp  wn  wL
		plastyczny	pl	0,25  IL  0,5 oraz wp  wn  wL
		miękkoplastyczny	mpl	0,5  IL  1,0 oraz wp  wn  wL
płynna	płynny	pł	IL > 1,0 i wn > wL

Spoistość gruntu określa parametr zwany wskaźnikiem plastyczności I_p obliczany według wzoru:

Wskaźnik plastyczności określa plastyczne właściwości gruntu, wskazując ile wody wchłania grunt przy przejściu ze stanu półzwartego w stan płynny, a więc podając zakres wilgotności, w których grunt ma właściwości plastyczne.

Między wskaźnikiem plastyczności i ilością frakcji iłowej tych samych gruntów istnieje następująca zależność:

I_p = A f_i

Aktywność koloidalna (A) naszych gruntów może być przyjęta jako A≈1, z wyjątkiem glin pokrywowych i lessów, dla których zazwyczaj A=0,5÷0,7 oraz iłów montmorillonitowych, dla których A>1,5

Zależność między wartościami wskaźnika plastyczności a spoistością gruntu

Spoistość (rodzaj gruntu)	Wskaźnik plastyczności [%]	Zawartość frakcji iłowej o średnicy <0,002mm w [%]
spoisty :	1  Ip
niespoisty	Ip  1	0÷2
mało spoisty	1  Ip 10	2÷10
średnio spoisty	10  Ip  20	10÷20
zwięzło spoisty	20  Ip  30	20÷30
bardzo spoisty	30  Ip	30÷100

2. ANALIZA MAKROSKOPOWA GRUNTU

Rozpoczynając badanie gruntu możemy wstępnie zaklasyfikować grunt, tzn. ustalić: czy grunt jest mineralny, czy organiczny.

W grupie gruntów mineralnych możemy makroskopowo ustalić rodzaj gruntu i niektóre jego cechy fizyczne. Na tej podstawie określimy nazwę gruntu.

Mamy do czynienia z gruntem spoistym. Na podstawie zawartości frakcji iłowej w próbce określamy rodzaj gruntu, a na podstawie zawartości frakcji pyłowej i piaskowej - nazwę.

Wykonując próbę wałeczkowania i rozmakania w wodzie, ustaliliśmy spoistość badanej próbki. Grunt dał się wałeczkować 7 razy, po których wałeczek pękał poprzecznie, a jego powierzchnia początkowo bez połysku przy końcu wałeczkowania charakteryzowała się połyskiem.

W wodzie grudka rozmakała po bardzo długim czasie. (prawdopodobnie >1h)

Rozcierając próbkę w wodzie nie wyczuwało się ziarn piasku.

Na podstawie liczby wałeczkowań możemy stwierdzić, że dany grunt jest w stanie plastycznym.

Grunt jest zwięzło spoisty i jest to: GLINA PYLASTA ZWIĘZŁA.

Na podstawie orientacyjnych wartości wilgotności, gęstości objętościowej i gęstości właściwej dla gilny pylastej zwięzłej podanych w tabelach jesteśmy w stanie wyznaczyć inne cechy fizyczne danego gruntu, np.: porowatość, wilgotność całkowitą, stopień wilgotności

3. SPOSÓB WYKONANIA BADANIA

Aby określić stan gruntu spoistego należy wcześniej wyznaczyć wilgotność naturalną, granicę plastyczności i granicę płynności badanego gruntu.

3.1. Oznaczenie wilgotności naturalnej

1. Wykonanie badania:
   - zważyć dwie parowniczki,
   - umieścić próbki gruntu w parowniczkach,
   - zważyć parowniczki wraz z gruntem,
   - umieścić parowniczki wraz z gruntem w suszarce w temperaturze 105÷110^o C,
   - na następny dzień wyjąć parowniczki z suszarki, ostudzić, zważyć.

2. Obliczenie wyników:

• Dane wynikające z badania:

masa parowniczek: m_t1= 24,90g

m_t2= 24,66g

masa parowniczek z gruntem wilgotnym: m_mt1= 35,18g

m_mt2= 32,12g

masa parowniczek z gruntem suchym: m_st1= 33,01g

m_st2= 30,58g

• Obliczenie:

masa wody w próbce: m_w= m_mt-m_{st →} m_w1= 35,18g -33,01g = 2,17g

m_w2= 32,12g -30,58g = 1,54g

masa szkieletu gruntowego: m_s= m_st-m_{t →} m_s1= 33,01g -24,90g = 8,11g

m_s2= 30,58g -24,66g = 5,92g

wilgotność naturalna:
_→

w_n1-w_n2 < 0,05 w_n2

w_n1-w_n2 = 0,74% < 0,05 w_n2 = 1,30%

Wynik uznajemy za dostatecznie dokładny, ponieważ różnica obydwu parowniczek nie przekracza 5% mniejszej z otrzymanych wartości.

Za wynik przyjmujemy średnią arytmetyczną otrzymanych wartości.

Wilgotność naturalna zgodnie z obliczeniami ma wartość w_n=26,39%

3.2. Oznaczenie granicy plastyczności

1. Wykonanie badania:

• zważyć dwie parowniczki,

• z jednorodnego gruntu formować kuleczkę o średnicy 7,0 mm i wykonać z niej wałeczek o średnicy 3 mm. Jeżeli wałeczek nie wykazuje spękań po osiągnięciu średnicy 3mm, ponownie formujemy kuleczkę i wykonujemy z niej wałeczek. Wałeczkowanie to powtarza się tyle razy, aż przy kolejnym wałeczkowaniu wałeczek popęka po osiągnięciu średnicy ok. 3 mm, albo podwieszony za jeden koniec przełamie się lub też rozpadnie na kilka oddzielnych kawałków,

• spękany wałeczek umieścić w parowniczce pod przykryciem (przykrycie stosujemy do momentu zważenia),

• badanie powtarzamy aż w obydwu parowniczkach znajdzie się co najmniej po około 5÷7 g gruntu,

• oznaczyć wilgotność wałeczków znajdujących się w parowniczkach.

1. Obliczenie wyników
   

• Dane wynikające z badania:

masa parowniczek: m_t1= 26,80g

m_t2= 27,30g

masa parowniczek z gruntem wilgotnym: m_mt1= 32,49g

m_mt2= 31,31g

masa parowniczek z gruntem suchym: m_st1= 31,52g

m_st2= 30,63g

• Obliczenie:

masa wody w próbce: m_w= m_mt-m_{st →} m_w1= 32,49g -31,52g = 0,97g

m_w2= 31,31g -30,63g = 0,68g

masa szkieletu gruntowego: m_s= m_st-m_{t →} m_s1= 31,52g -26,80g = 4,72g

m_s2= 30,63g -27,30g = 3,33g

wilgotność:
_→

Wynik uznajemy za dostatecznie dokładny. Różnica obydwu parowniczek nie przekracza 5% mniejszej z otrzymanych wartości.

Wartość granicy plastyczności stanowi średnia arytmetyczna obu oznaczeń wilgotności.

Granica plastyczności ma wartość w_p=20,48%

3.3. Oznaczenie granicy płynności gruntu wg Casagrande'a

1. Wykonanie badania:

• zważyć 5÷6 parowniczek,

• pobrać próbkę gruntu o objętości około 0,3 litra gruntu,

• rozetrzeć na jednolitą pastę usuwając z niej jednocześnie ziarna gruntu o średnicy większej od 2,0mm,

• przygotowaną pastą wypełnić miseczkę aparatu Casagrande'a w takiej ilości aby łączna masa miseczki oraz gruntu wynosiła 210g. Pasta powinna wypełniać tylko przednią część miseczki tworząc powierzchnię wklęsłą o maksymalnej grubości 9mm,

• wykonać w paście bruzdę za pomocą rylca skierowanego prostopadle do dna miseczki. (Bruzdę wykonuje się prostopadle do osi obrotu miseczki),

• założyć miseczkę do aparatu, wyzerować licznik, włączyć aparat,

• liczbę uderzeń określamy w momencie połączenia się dolnych brzegów bruzdy na długości 10mm i wysokości 1mm ( zapisać liczbę uderzeń),

• z miejsca połączenia bruzdy pobrać próbkę gruntu i umieścić na parowniczce w celu określenia wilgotności,

• badanie powtarzamy przynajmniej pięciokrotnie dodając każdorazowo do pasty gruntowej wodę destylowaną.

Po każdorazowym dodaniu wody określić wilgotność gruntu oraz liczbę uderzeń, przy której zeszła się w wymaganym stopniu bruzda wykonana w gruncie. Liczba uderzeń powinna mieścić się w granicach 12÷35.

Otrzymane wartości wilgotności nanieść na wykres przedstawiający zależność ilości uderzeń miseczki o aparat od wilgotności gruntu. Odczytać z wykresu wartość granicy płynności.

Rys. 1. Aparat Casagrande'a, rylce do zrobienia bruzdy, wykonana bruzda w miseczce aparatu Casagrande'a

1. Obliczenie wyników
   

• Dane wynikające z badania:

masa parowniczek: m_t1= 25,70g

m_t2= 22,68g

m_t3= 25,42g

masa parowniczek z gruntem wilgotnym: m_mt1= 37,07g

m_mt2= 28,21g

m_mt3= 35,01g

masa parowniczek z gruntem suchym: m_st1= 33,59g

m_st2= 26,51g

m_st3= 31,68g

liczba uderzeń: L₁=30

L₂=27

L₃=20

• Obliczenie:

masa wody w próbce: m_w= m_mt-m_{st →} m_w1= 37,07g -33,59g = 3,48g

m_w2= 28,21g -26,51g = 1,7g

m_w3= 35,01g -31,68g = 3,33g

masa szkieletu gruntowego: m_s= m_st-m_{t →} m_s1= 33,59g -25,70g = 7,89g

m_s2= 26,51g -22,68g = 3,83g

m_s3= 31,68g -25,42g = 6,26g

wilgotność
_→

	próba 1	próba 2	próba 3	Wynik
Liczba uderzeń	20	27	30	25
Wilgotność	53,19	44,39	44,11	47,88

Równanie linii trendu dla trzech otrzymanych wartości wilgotności w zależności od liczby uderzeń przedstawia się następująco:

y = -0,9699x + 72,123

dla: x=25

y=w_L

możemy więc zapisać, że:

Rys. 2. Wykres zależności liczby uderzeń w aparacie Casagrande`a od wilgotności gruntu

Granica płynności oznaczona metodą Casagrande`a ma wartość w_L=47,88%

3.4. Oznaczenie granicy płynności gruntu metodą Wasiliewa

Oznaczenie granicy płynności
metodą Wasiliewa polega na ustaleniu takiej wilgotności pasty gruntowej, aby stożek o kącie wierzchołkowym 30° i masie 10g zanurzył się w paście pod własnym ciężarem na 10mm.

• Dane wynikające z badania:

masa parowniczki: m_t= 26,78g

masa parowniczki z gruntem wilgotnym: m_mt= 35,31g

masa parowniczki z gruntem suchym: m_st= 32,56g

• Obliczenie wyników:

masa wody w próbce: m_w= m_mt-m_{st →} m_w= 35,31g -32,56g = 2,75g

masa szkieletu gruntowego: m_s= m_st-m_{t →} m_s= 32,56g -26,78g = 5,78g

wilgotność naturalna:
_→

Granica płynności oznaczona metodą Wasiliewa ma wartość w_L=47,58%

3.5. Określenie stanu gruntu

Otrzymane z badań wielkości wilgotności naturalnej, granicy plastyczności, granicy płynności należy podstawić do wzoru określającego stopień plastyczności i wskaźnik plastyczności . Określić spoistość i stan gruntu.

Dane otrzymane z obliczeń: w_n=26,39% w_L=47,88% w_p=20,48%

• Stan gruntu spoistego określa parametr zwany stopniem plastyczności I_L, obliczany według następującego wzoru:

Rys. 3. Zależność stopnia plastyczności od wilgotności gruntu i jego granic konsystencji

Otrzymany wynik wskazuje na twardoplastyczny stan gruntu, ponieważ 0<I_L<0,25

• Spoistość gruntu określa parametr zwany wskaźnikiem plastyczności I_p obliczany według wzoru:

Otrzymany wynik wskazuje na zwięzło spoisty stan badanej próbki, ponieważ 20<I_p<30

4. WYZNACZENIE STOPNIA ZAGĘSZCZENIA GRUNTU

4.1. Opis teoretyczny

Stopień zagęszczenia wyznacza się tylko dla gruntów niespoistych. Jego wielkość zależy przede wszystkim od składu granulometrycznego gruntu, porowatości, kształtu ziarn. Wartość tę wyznacza się w celu określenia nośności gruntu.

Stopniem zagęszczenia nazywa się stosunek zagęszczenia istniejącego w warunkach naturalnych do największego możliwego zagęszczenia danego gruntu:

Wartości wskaźników porowatości wyznaczamy z następujących wzorów:

Teoretycznie stopień zagęszczenia gruntu najluźniej usypanego jest równy 0, gruntu maksymalnie zagęszczonego jest równy 1.

• W zależności od wartości stopnia zagęszczenia wyróżniamy następujące stany gruntów niespoistych:

- luźny, w skrócie ln, przy I_D <= 0,33

- średnio zagęszczony, szg, przy 0.33 < I_D<= 0,67;

- zagęszczony, zg, przy 0,67 < I_D <= 0,80;

- bardzo zagęszczony, bzg, przy I_D> 0,80.

• Miarą właściwego zagęszczenia nasypu jest wskaźnik zagęszczenia:

ρ _ds - gęstość objętościowa szkieletu gruntu zagęszczonego w nasypie [t/m³, g/cm³],

ρ _dmax - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego przy najściślejszym ułożeniu ziaren [t/m³, g/cm³],

4.2. Sposób wykonania badania

Celem ćwiczenia jest określenie stanu gruntu niespoistego dla zadanej wartości wskaźnika porowatości naturalnej.

4.2.1. Przygotowanie próbki do badania

Oznaczenie stopnia zagęszczenia sprowadza się w warunkach laboratoryjnych do określenia odpowiednich wskaźników porowatości.

Dla celów dydaktycznych określenie wskaźnika porowatości e_n w stanie naturalnym ograniczymy do obliczenia jego wartości na podstawie danych: ρ = 1,72 t/m³ , w_n = 16 % , ρ_s = 2,65 t/m³ .

4.2.2. Wykonanie badania

• do oznaczenia dwóch pozostałych parametrów e_max i e_min wykorzystamy próbkę wysuszonego w temperaturze 105 - 110 ^o C gruntu o objętości co najmniej 600 cm³,

• jeżeli w próbce gruntu przeznaczonej do badań znajdują się ziarna o wielkości 5 mm i większej to należy je usunąć,

• do zwymiarowanego metalowego cylindra ( należy określić jego objętość ) wsypujemy przygotowany grunt przez lejek, który początkowo opieramy o dno cylindra a potem podnosimy stopniowo w miarę napełniania naczynia. Czynność tę należy wykonywać bardzo ostrożnie, unikając wstrząsów i przestawiania cylindra.

• po napełnieniu całego cylindra gruntem, jego powierzchnię górną wyrównuje się nożem równo z krawędzią cylindra, uzyskujemy w ten sposób określoną objętość V₁ ( równą objętości cylindra ) gruntu, charakteryzującą stan najluźniejszego ułożenia ziaren,

• na powierzchni gruntu w cylindrze ustawia się tłok i przeprowadza zagęszczenie gruntu przez 1 minutę, uderzając energicznie widełkami wibracyjnymi o ścianki cylindra,

• mierzymy suwmiarką zagłębienie tłoka w kilku miejscach i ponownie zagęszczamy grunt przez 30 sekund,

• uznaje się, że grunt został maksymalnie zagęszczony, jeśli trzy kolejne pomiary zagłębienia tłoka (po każdorazowym 30-sekundowym zagęszczaniu) nie wykazują zmian,

• obliczamy nową objętość gruntu zagęszczonego V₂ przez odjęcie od objętości V₁ wartości V gdzie :

h - zmniejszenie wysokości próbki podczas zagęszczania ,

• określamy masę gruntu m_s zawartą w cylindrze po przesypaniu gruntu do wytarowanego, plastykowego pojemnika.

Rys. 1. Zmiany objętości porów w piasku w miarę jego zagęszczania

I - objętość piasku najbardziej luźnego
II - objętość w naturze (pośrednia)
III - objętość piasku najbardziej zagęszczonego

Rys. 2. Cylinder i widełki

4.2.3. Obliczanie wyników

• na podstawie zanotowanych wartości mas i objętości obliczamy odpowiednie wielkości wskaźników porowatości i stopień zagęszczenia,

• opisane badanie wykonać dwukrotnie.

5. WNIOSKI

Otrzymana z obliczeń wartość stopnia plastyczności jest z dużym prawdopodobieństwem błędna. Można to wywnioskować chociażby z liczby wałeczkowań badanej próbki. Badana próbka dała się wałeczkować 7 razy, co wskazuje na stan plastyczny próbki. W takim wypadku wartość stopnia plastyczności powinna się zawierać w granicach 0,25<I_L<0,5.

Błąd może być spowodowany zmienioną wilgotnością naturalną na skutek wałeczkowań przeprowadzonych przez wcześniejsze grupy, przez które wilgotność uległa znacznemu obniżeniu.

Aby stopień wilgotności zawierał się w podanych wyżej granicach, wilgotność naturalna powinna mieć wartość w_n≥27,33%, przy czym orientacyjna wartość wilgotności dla gliny pylastej zwięzłej podana w tabelach to 28%. Błąd przy określeniu wilgotności naturalnej przekracza więc 3,44%

Oznaczenie granicy płynności metodą Casagrande`a i Wasiliewa doprowadziło do otrzymania podobnych wartości. Można stąd wywnioskować, że próby zostały wykonane poprawnie.

Otrzymana wartość wskaźnika plastyczności (I_p) jest zgodna z wstępną analizą gruntu zawartą w punkcie 2. Przyjęto więc, że wyznaczenie granicy plastyczności i płynności obarczone jest niewielkim błędem.

STAN ZAWILGOCENIA GRUNTU

W celu określenia stanu zawilgocenia gruntu i sprawdzenia, w jakim stopniu pory w gruncie są wypełnione wodą, należy wyznaczyć jego wilgotność całkowitą (w_sr) i stopień wilgotności (S_r).

• Grunt ma wilgotność całkowitą, gdy jego pory są całkowicie wypełnione wodą.

• Stopień wilgotności (S_r) określa stopień wypełnienia porów gruntu wodą.

• Stany zawilgocenia gruntów sypkich:

Stopień wilgotności	Stan gruntu
Sr=0	suchy
0<Sr≤0,4	mało wilgotny
0,4<Sr≤0,8	wilgotny
0,8<Sr<1	mokry
Sr=1	nawodniony

Na podstawie badań porównawczych Piastowskiego można przyjąć, że:

gdzie: w_L - granica płynności wg Casagrandego w %

---