Analiza granulometryczna

Znajomość rodzaju badanego gruntu pozwala na prognozowanie jego właściwości oraz ustalenie zakresu dalszych badań geomechanicznych.

Podstawowy podział gruntów budowlanych, czyli części skorupy ziemskiej mogącej współpracować z obiektem budowlanym i stanowiącym jego element lub też służącym jako tworzywo do wykonywania z niego budowli ziemnych, jest następujący: grunty naturalne i antropogeniczne. Naturalne dziela się na rodzime i nasypowe, wśród których mogą być grunty mineralne i organiczne. Niniejsze laboratorium obejmuje badania gruntów mineralnych nieskalistych. Szczegółowy podział gruntów można znaleźć w PN-86 B-02480.

Grunty nieskaliste mineralne to takie, które nie spełniają warunków gruntu skalistego (grunt rozdrobniony, bez silnych wiązań krystalicznych), a zawartość w nich części organicznych wynosi 2% lub jest mniejsza.

Biorąc pod uwagę uziarnienie gruntów rodzimych nieskalistych mineralnych wyróżnia się:

• grunty kamieniste o zawartości ziaren o średnicach większych od 40mm stanowiącej więcej niż 50% (d₅₀>40mm),

• grunty gruboziarniste o zawartości ziaren o średnicach mniejszych od 40mm stanowiącej więcej niż 50% oraz o zawartości ziaren o średnicach większych od 2mm stanowiącej więcej niż 90% (d₅₀≤40mm oraz d₉₀>2mm),

• grunty drobnoziarniste o zawartości ziaren o średnicach mniejszych od 2mm stanowiącej więcej niż 90% (d₉₀≤2mm).

Podana klasyfikacja gruntów rodzimych nieskalistych mineralnych wprowadza podział okruchów skalnych na frakcje.

Frakcja gruntu to zbiór ziaren lub cząstek gruntu o średnicach zastępczych, zawartych w określonym przedziale. Średnica zastępcza d_z dla ziaren jest to średnica oczka sita, przez które ziarno już nie przechodzi, zaś dla cząstek jest to średnica kulki o identycznej gęstości właściwej, co dana cząstka opadająca w wodzie z taką samą prędkością jak dana cząstka gruntu. Poszczególne frakcje gruntów oraz odpowiadający im zakres średnic zastępczych przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1 Frakcje gruntów nieskalistych

Nazwa frakcji	Symbol procentowej zawartości frakcji	Zakres średnic zastępczych d, mm
Kamienista	fk	d > 40
Żwirowa	fż	40 ≥d >2
Piaskowa	fp	2 ≥ d> 0,05
Pyłowa	fπ	0,05 ≥ d > 0,002
Iłowa	fi	0,002 ≥ d
Piaskowa zredukowana	fp’
Pyłowa zredukowana	fπ’
Iłowa zredukowana	fi’

Symbole frakcji to procentowa zawartość frakcji w masie szkieletu gruntowego.

Podstawowym oznaczeniem przy laboratoryjnych badaniach właściwości gruntu jest analiza granulometryczna. Wykonuje się ją w celu wyznaczenia procentowej zawartości występujących w gruncie frakcji. Pozwala to w końcowym efekcie na wykreślenie krzywej uziarnienia oraz ustalenie rodzaju i nazwy badanego gruntu.

Skład granulometryczny gruntu dla celów budowlanych najczęściej określa się metodą sitową – gdy ziarna w gruncie mają wymiary ponad 0.063 mm i metodą areometryczną – gdy cząstki gruntu mają wymiary mniejsze od 0.063 mm. Dla gruntów niespoistych analiza sitowa jest badaniem podstawowym, natomiast dla gruntów spoistych jest badaniem uzupełniającym.

W przypadku, gdy grunt składa się z ziaren o wymiarach d > 0.063 mm, jak i cząstek o wymiarach d < 0.063 mm stosuje się kombinację obydwu metod tzn. sitowej – zwanej inaczej mechaniczną oraz areometrycznej, czy pipetowej – zwanych inaczej sedymentacyjnymi.

Metoda analizy sitowej polega na przesianiu wysuszonej w temperaturze 105÷110⁰C próbki gruntu niespoistego przez odpowiedni komplet sit o różnych wymiarach oczek i obliczeniu w procentach masy ziaren pozostających na sitach w stosunku do całkowitej masy badanej próbki gruntu.

Mając wyznaczone wartości Z_i, czyli procentowe pozostałości ziarn gruntu na poszczególnych sitach, oblicza się następnie kolejno ich sumy, a następnie sporządza się wykres uziarnienia (krzywe uziarnienia).

Krzywe te nanosi się na siatkę półlogarytmiczną, gdzie na osi odciętych podano w skali logarytmicznej średnice ziaren i cząstek, a na osi rzędnych w skali dziesiętnej ich procentowe zawartości. Przykład krzywej uziarnienia pokazano na rys.1. Sporządzanie wykresu rozpoczyna się od sita najgrubszego, zaznaczając początek wykresu w punkcie odpowiadającym największej średnicy ziarna w próbce. Następnie wykonany wykres umożliwia odczytanie procentowego udziału ziaren o frakcjach granicznych 0.002mm, 0.05mm i 2mm.

Rys.1 Przykład określenia średnic zastępczych ziaren w gruncie

Za pomocą analizy sitowej określa się skład granulometryczny gruntów sypkich (kamienistych, gruboziarnistych, drobnoziarnistych niespoistych z wyjątkiem piasku pylastego) i określa się ich nazwę (PN-86 B-02480).

Analiza areometryczna jest analizą sedymentacyjną, w której prędkość opadania (sedymentacji) cząstek gruntowych w środowisku wodnym, jest oznaczana przez pomiar zmian gęstości odnośnej zawiesiny za pomocą areometru. Oznaczane w ten sposób wartości również dotyczą tzw. średnic zastępczych, którymi są średnice kulistych cząstek opadających na dno areometru.

Analiza sitowa jest badaniem uzupełniającym, gdy podczas analizy areometrycznej gruntu pozostałość na sicie przekracza 5%.

Mając dane dotyczące udziału w próbce średnic zastępczych i posługując się trójkątem Fereta (rys. 2) określa się nazwę gruntu. Trójkąt Fereta jest trójkątem równobocznym, którego boki podzielone są na 10 równych części. Z punktów podziału boków trójkąta są poprowadzone linie równoległe do pozostałych boków. Każdy z boków reprezentuje zawartość od 0 do 100% jednej frakcji: iłowej, pyłowej i piaskowej. Pole trójkąta podzielone jest na części, z których każda w zależności od jej położenia w stosunków do boków trójkąta reprezentuje określoną nazwę gruntu. Odkładając uzyskaną zawartość frakcji na odpowiednim boku trójkąta, prowadzi się z tego punktu linię równoległą do linii zerowej dla danej frakcji w kierunku środka trójkąta. Linie wyprowadzone ze wszystkich trzech boków trójkąta, charakteryzujące trzy frakcje danego gruntu muszą się przeciąć w jednym punkcie wewnątrz trójkąta. Punkt ten znajdujący się w określonej części trójkąta, wyznacza rodzaj i nazwę badanego gruntu.

Określenie nazwy gruntu jest końcowym wynikiem analizy granulometrycznej.

Rys.2 Trójkąt Fereta

Istnieje również uproszczona metoda oznaczania rodzaju i stanu gruntu niespoistego – metoda makroskopowa. Jej wyniki mają charakter przybliżony w stosunku do ustaleń normowych PN-86 B-02480. Stosując tą metodę należy co najmniej 5% badanych próbek porównać z wynikami analogicznych badań wg ww. normy. Podział gruntów na podstawie oceny makroskopowej (lub za pomocą lupy z podziałką tzw. lupy Brinella) w zależności od zawartości poszczególnych frakcji przedstawiono w tabeli 2.

Tabela 2 Podział gruntów w zależności od zawartości frakcji w metodzie makroskopowej

Nazwa gruntu	Zawartość frakcji, %
	> 2mm
Żwir	> 50
Pospółka	50÷10
Piasek gruboziarnisty	< 10
Piasek średnioziarnisty	< 10
Piasek drobnoziarnisty	< 10
Piasek pylasty*
*Piasek pylasty po wyschnięciu tworzy lekko spojone grudki, które rozsypują się między palcami przy ich podnoszeniu.

Badanie makroskopowe jest traktowane jako minimum zakresu badań dla wszystkich próbek o naturalnej wilgotności (NW) i naturalnej strukturze (NNS) pobranych dla potrzeb projektu budowlanego.

Dodatkowo zalecane jest wykonywanie badań laboratoryjnych dla gruntów makroskopowo jednorodnych. W innym przypadku zakres badań należy uzgodnić z autorem programu badań lub właściwym rzeczoznawcą.

Szczegółowa instrukcja badania granulometrycznego zawarta jest w normach budowlanych PN-88/B-04481.

Inne ważne normy:

PN-74/B-02480 Grunty budowlane. Podział, nazwy, symbole i określenia.

PN-74/B-04452 Grunty budowlane. Badania polowe.

PN-81/B-03020 Grunty budowlane. Posadowienie bezpośrednie budowli. Obliczenia statyczne i projektowanie