Badanie wilgotności optymalnej gruntu, maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego oraz wskaźnika zagęszczenia

OPIS TEORETYCZNY

Wilgotnością optymalną gruntu w_opt nazywamy taką wilgotność, przy której grunt daje się najbardziej zagęścić. Parametrem decydującym o jakości zagęszczenia gruntu jest gęstość objętościowa szkieletu gruntowego ρ_d. Zatem wilgotność optymalna to taka wilgotność, przy której gęstość objętościowa szkieletu gruntowego ρ_d jest największa. Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego posłużyć może do wyznaczenia innego bardzo ważnego parametru – wskaźnika zagęszczenia I_S, charakteryzującego jakość zagęszczenia gruntu w nasypie. Wskaźnik zagęszczenia I_S to stosunek gęstości objętościowej szkieletu gruntowego w nasypie ρ_d do maksymalnej wartości gęstości objętościowej szkieletu gruntowego ρ_ds, uzyskanej w warunkach laboratoryjnych. Porównujemy tutaj zagęszczenie gruntu w nasypie do maksymalnego zagęszczenia tego samego gruntu, uzyskanego w warunkach laboratoryjnych. Wartość I_S zbliżona do jedności świadczy o dobrej jakości zagęszczenia nasypu.

Wilgotność optymalną w_opt i maksymalną gęstość objętościową szkieletu gruntowego ρ_ds oznacza się w aparacie Proctora, według metod opracowanych przez Proctora, polegających na ubijaniu kilku warstw gruntu w cylindrze określoną energią. Ważne jest, aby warunki zagęszczenia w aparacie Proctora odpowiadały warunkom zagęszczenia nasypu w skali naturalnej. W tym celu należy wybrać najbardziej odpowiednią metodę zagęszczania gruntu w laboratorium. Polska norma PN-88/B-04481 przewiduje cztery metody określania wilgotności optymalnej w_opt i maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego ρ_ds w aparacie Proctora. Warianty oznaczania tych parametrów przedstawia poniższa tabela.

Metoda	Cylinder	Rodzaj ubijaka	Liczba warstw	Liczba uderzeń	Wysokość opuszczania ubijaka [cm]	Jednostkowa energia zagęszczania [J/cm^3]	Wymiar oczek sita do przesiewu [mm]
I	mały	lekki	3	25	32,0	0,59	6
II	duży	lekki	3	55	32,0	0,59	10
III	mały	ciężki	5	25	48,0	2,65	6
IV	duży	ciężki	5	55	48,0	2,65	10

 

SPRZĘT DO BADANIA

Do badania wilgotności optymalnej i maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego służy aparat Proctora w wersji ręcznej lub mechanicznej (sposób zagęszczania gruntu).

 

Rys. 1. Aparat Proctora - wersja mechaniczna

Aparat Proctora wyposażony jest w dwa cylindry (mały i duży) oraz cztery ubijaki. Poniżej podaje się (za PN – 88/B – 04481) parametry cylindrów i ubijaków.

Rys. 2. Cylindry i ubijaki

 

Parametry cylindrów

Typ cylindra	wymiary
	Objętość V [dm^3]
Mały	1 ± 0,003
Duży	2,2 ± 0,006

 

Parametry ubijaków

Typ ubijaka	Masa [kg]	Wysokość opadania [mm]	Średnica [mm]	Typ cylindra do badania
Lekki	2,5 ±0,005	320 ± 1	50,8 ± 0,2	mały
			76,8 ± 0,2	duży
Cieżki	4,5 ± 0,005	480 ± 1	50,8 ± 0,2	mały
			76,8 ± 0,2	duży

 

Prócz tego do badania potrzebne będą:

• sita o wymiarze oczek 6 lub 10mm (w zależności od metody badani),

• parownice,

• mała menzurka,

• waga,

• misa, łopatka.

 

CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest określenie wilgotności optymalnej w_opt, maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego ρ_ds oraz wskaźnika zagęszczenia I_S.

 

WYKONANIE BADANIA

• należy określić rodzaj badanego gruntu w wyniku przeprowadzonej analizy makroskopowej,

• próbkę gruntu przeznaczoną do badań wysuszyć na powietrzu. Masa próbki w stanie „powietrznosuchym” powinna wynosić ok. 3 kg na 1 dm³ użytego cylindra (w zależności od przyjętej metody),

• wybrać wariant metody badania według tabeli (w zależności od warunków zagęszczania gruntu na budowie),

• suchy grunt należy rozdrobnić tłuczkiem w celu pozbycia się agregatów i grudek, a następnie przesiać przez sito o odpowiednim wymiarze oczek (w zależności od metody),

• pozostałość na sicie zważyć i oznaczyć stosunek jej masy do masy całej próbki (X),

• do przesianej próbki dolać wodę w ilości 60 cm³ dla gruntów niespoistych oraz 100 ÷ 150 cm³ dla gruntów spoistych, licząc na każdy 1 dm³ objętości cylindra użytego do badania. Bardzo ważne jest dokładne wymieszanie gruntu z wodą,

• zważyć pusty cylinder z podstawą, bez górnej części (m_t),

• w zależności od wybranej metody badania ubijanie wykonuje się w trzech lub pięciu warstwach,

Rys. 3. Schemat aparatu Proctora

• ilość gruntu na każdą z warstw należy tak dobierać, by po ubiciu ostatniej warstwy grunt w cylindrze „wystawał” 5 ÷ 10 mm ponad krawędź dolnej części cylindra,

• należy zdjąć górną część cylindra i ściąć nadmiar gruntu do krawędzi dolnej części cylindra i oczyścić zewnętrzną część cylindra oraz podstawę z gruntu. Czynności te należy prowadzić starannie,

• zważyć cylinder z gruntem (m_mt),

• pobrać próbki gruntu z cylindra do dwóch parowniczek w celu zbadania wilgotności gruntu. Każda z próbek powinna być pobrana z kilku miejsc objętości cylindra,

• pozostały w cylindrze grunt wysypać do miski, w której grunt do badania jest mieszany. Dodać taką ilość wody, aby wilgotność gruntu do następnego badania wzrosła o 1 ÷ 2 %,

• po starannym wymieszaniu (ujednoliceniu wilgotności) powtórzyć cykl ubijania gruntu w cylindrze dla następnej wilgotności,

• powtarzać powyższe czynności dodając do gruntu coraz mniejsze ilości wody (powodujące wzrost wilgotności o około 0,5 ÷ 1 %) do chwili, aż masa ubitego gruntu w cylindrze zacznie się zmniejszać,

• wyniki notować na specjalnym formularzu badawczym.

 

Opracowanie wyników

• po wysuszeniu próbek gruntu należy obliczyć ich wilgotności. Obliczyć wilgotności średnie dla każdego napełniania cylindra (w),

• obliczyć gęstości objętościowe (ρ) i gęstości objętościowe szkieletu gruntowego (ρ_d) dla każdej średniej wartości wilgotności,

• sporządzić wykres zależności ρ_d = f(w),

Rys. 4. Krzywa zagęszczalności gruntu

• jako wilgotność optymalną (w’_opt) przyjmuje się wilgotność odpowiadającą maksymalnej wartości gęstości objętościowej szkieletu gruntowego (ρ’_ds),

• wprowadzić ewentualne poprawki wynikające z ilości odsianych uprzednio grubszych frakcji, według wzorów:

oraz

• Wskaźnik zagęszczenia gruntu oblicza się ze wzoru:

Wynik badania powinien zawierać informacje dotyczące przyjętej metody badania. Polska norma PN – 88/B – 04481 dopuszcza trzykrotne zagęszczanie tej samej próbki gruntu. Następne zagęszczenia powinny odbywać się na równolegle przygotowanych próbkach. Dla celów dydaktycznych dopuszczamy wykonanie całego badania na jednej próbce gruntu.