Akademia Górniczo-Hutnicza
im. Stanisława Staszica w Krakowie

Określanie granicy plastyczności (w_P) i wskaźnika plastyczności (I_P) gruntu

Michał Burtan

Przemysław Bochenek
Bartłomiej Więcek

Wydział Wiertnictwa Nafty i Gazu

Kierunek Górnictwo i Geologia

Rok studiów II

Rok akademicki 2011/2012

Wstęp teoretyczny

Właściwości gruntów spoistych w wielu przypadkach zależą od intensywności współdziałania tych gruntów z woda. Istnieje wiele wskaźników. charakteryzujących właściwości gruntów w zależności od intensywności tego współdziałania. Jednym z tych wskaźników jest konsystencja gruntu. Pod tym pojęciem rozumie się stopień ruchliwości (stopień spójności) układu cząstek, zależny od ilości wody i stanu fizycznego tych cząstek. Stopień spójności powoduje różna odporność gruntu na działanie sił zewnętrznych. Najsilniejsze oddziaływanie sił przyciągania między cząstkami (zgodnie z prawem Van der Waalsa) występuje w przypadku braku w gruncie wody, a więc wtedy, gdy cząstki są położone najbliżej siebie. W miarę doprowadzenia do gruntu wody i wiązania jej przez cząstki mineralne w postaci otoczek. wodnych, zwiększających grubość ze wzrostem ilości wody, cząstki oddalają się siebie i przyciąganie między nimi zmniejsza się (zmniejszają się siły spójności).

Wyróżnia się konsystencję gruntów zwartą. plastyczną i płynna. W praktyce, zgodnie z PN-86/B-02480, wyróżnia się szereg dalszych wydzieleń, określając je jako stany gruntu. I tak mamy: stan zwarty. półzwarty, twardoplastyczny, plastyczny, miękkoplastyczny i płynny od gruntu zawierającego najmniejszą ilość wody w kierunku wzrastającej wilgotności gruntu. Przejście gruntu z jednego stanu w następny zachodzi w wyniku doprowadzenia wody lub też w kierunku odwrotnym - w wyniku tracenia wody (wysychania).

Wilgotności graniczne między poszczególnymi stanami są określane jako tzw.. granice konsystencji. Atterberg zdefiniował trzy granice. Między stanem zwartym i półzwartym -znajduje się granica skurczalności wy między stanem półzwartym i stanem plastycznym (twardoplastycznym) znajduje się granica plastyczności w_p, a między stanem plastycznym (miękkoplastycznym) i płynnym granica płynności w_L. Podział gruntów spoistych ze względu na ich plastyczność (stan) przedstawia tabela.

W celu określenia stanu, w jakim znajduje się dany grunt przy danej wilgotności, należy oznaczyć wartości następujących parametrów:

• wilgotności naturalnej.

• Wilgotności granicy skurczalności (w_s)

• wilgotności granicy plastyczności (w_p),

• wilgotności granicy płynności (w_L).,

Podział gruntów spoistych ze względu na plastyczność (wg. PN-86/8-02480)

Konsystencja	Stan gruntu	Symbol	Wilgotność gruntu w stosunku do granicy konsystencji
Zwarta	Zwarty Półzwarty	zw pzw
Plastyczna	Twardoplastyczny Plastyczny Miękkoplastyczny	tpl pl mpl
Płynna	Płynny	pł

Poszczególne granice zostały zdefiniowane przez A. Casagrande'a w następujący sposób:

Granica skurczalności: jest to wilgotność w procentach, przy której grunt pomimo dalszego suszenia nie zmniejsza swojej objętości i jednocześnie zaczyna zmieniać barwę na powierzchni na odcień jaśniejszy.

Granica plastyczności jest to wilgotność w procentach, jaką ma grunt, gdy.przy kolejnym wałeczkowaniu wałeczek pęka po osiągnięciu średnicy 3 mm

Granica wilgotności jest to wilgotność w procentach, jaką ma masa gruntowa umieszczona w aparacie Casagrande'a, w momencie, gdy wykonana w niej bruzda zlewa się przy dwudziestym piątym uderzeniu miseczki o podstawę, na długości 10 mm i wysokości 1 mm. Granicę płynności można oznaczyć również metodami stożka, np. wg Wasiliewa lub różnymi typami penetrometrów stożkowych. W tym przypadku za granicę płynności przyjmuje się wilgotność w procentach, przy której stożek o znormalizowanych wymiarach i masie zanurza się w paście gruntowej na odpowiednią, ściśle określoną głębokość.

Inne parametry obliczane na podstawie wyników badań granic konsystencji: Wskaźnik plastyczności (I_p) Jest to różnica między wartością granicy płynności i granicą plastyczności:

gdzie: l_P - wskaźnik plastyczności (%)

w_L - granica płynności (%)

w_p - granica plastyczności (%)

Wskaźnik plastyczności określa plastyczne właściwości gruntów, wskazując, ile wody wchłania grunt przy przejściu ze stanu półzwartego w stan płynny, a więc podając zakres wilgotności, w których grunt ma właściwości plastyczne. Im większa jest wartość wskaźnika plastyczności, tym bardziej plastyczny jest grunt. Grunty o bardzo małej wartości wskaźnika plastyczności bardzo łatwo upłynniają się, nawet przy nieznacznym zwiększeniu wilgotności.

Termin „plastyczność gruntu" oznacza jego zdolność do odkształcania (deformacji) pod wpływem sił zewnętrznych, bez naruszenia spójności próbki, oraz zdolność utrzymywania nadanej mu formy po ustąpieniu działania sił zewnętrznych. Grunty spoiste wykazują plastyczność tylko przy określonej zawartości wody związanej, tzw. wody osmotycznej, pozwalającej na przemieszczanie się cząstek względem siebie bez naruszenia ciągłości układu. Grunty .o konsystencji plastycznej mogą występować w jednym z trzech stanów: twardoplastycznym, plastycznym i miękkoplastycznym. Zwiększenie ilości wody powoduje przejście gruntu w stan płynny, zmniejszenie - w stan półzwarty lub zwarty.

Stan gruntu zależy z jednej strony od ilości i właściwości zawartej w nim wody (wilgotności), z drugiej - od składu i właściwości czystek stałych. Przy te samej wilgotności różne grunty mogą znajdować się w różnych stanach i odwrotnie - różna wilgotność może powodować występowanie identycznych stanów w różnych gruntach (o innych właściwościach cząstek stałych). Ten sam grunt ma natomiast zawsze jednakowa wartość granic konsystencji, a jego stan może się zmieniać w zależności od zmian wilgotności.

Do czynników kształtujących stan gruntu, a ściślej wartości granic konsystencji, określanych jako właściwości cząstek stałych, należą: skład granulometyczny skład mineralny, skład kationów wymiennych, domieszki substancji organicznej kształt cząstek. Im większa w gruncie zawartość frakcji iłowej, tym wyższe wartości granic konsystencji, tym wyższa plastyczność gruntów. Domieszki frakcji piaskowej obniżają te wartości. Spośród trzech grup minerałów ilastych najwyższe wartości granic konsystencji i największa plastyczność. powoduje obecność w gruncie minerałów grup smektytu, a najmniejsza minerałów grupy kaolinitu. Obecność substancji organicznej powoduje również podwyższenie tych wartości. Kationy wymienne wpływają na wzrost plastyczności wraz ze zmniejszeniem ich wartościowości. Tak więc największą plastycznością będą się charakteryzowały grunty zawierające w kompleksie wymiennym kationy jednowartościowe.

Przebieg oznaczania granicy plastyczności (w_p)

1. Próbkę gruntu o masie około 50 g i wilgotności naturalnej miesza się dokładnie.

2. Jeśli grunt znajduje się w stanie półzwartym lub zwartym, nasyca się go wodą do stanu plastycznego, a jeśli znajduje się w stanie płynnym, podsusza się go w temperaturze pokojowej.

3. Do badania można używać grunt pozostały po oznaczeniu granicy płynności (p. § 5), podsuszając go również w temperaturze pokojowej.

4. Z wydzielonej próbki gruntu usuwa się ziarna średnicy większej niż 2 mm.

5. Z przygotowanej w powyższy sposób próbki gruntu formuje'się kulkę średnicy 7 mm i wałeczkuje ją na dłoni, aż wałeczek uzyska średnicę około 3 mm.

6. Jeśli wałeczek w tym czasie nie popękał, z wałeczka ponownie formuje się kulkę, a następnie wałeczkuje się ją. Czynności te powtarza się tak długo, aż przy kolejnym wałeczkowaniu wałeczek popęka lub rozsypie się. Za popękany uznaje się taki wałeczek, który po podniesieniu go za jeden koniec rozdzieli się na kawałki.

7. Wszystkie kawałeczki wałeczka wkłada się do naczynka wagowego i zamyka dokładnie doszlifowaną pokrywką.

8. Powtarza się badanie na następnej kulce gruntu.

9. Czynności wałeczkowania kolejnych kulek gruntu powtarza się tyle razy, aby w dwóch naczynkach wagowych zebrać co najmniej 5-7 g gruntu.

10. Naczynka z wałeczkami waży się m_mt i suszy w suszarce w temperaturze 105 -110°C do Stałej masy m_st

11. Wilgotność próbki (popękanych wałeczków) oznacza się zgodnie z rozdz.. III. Uzyskane wyniki wpisuje się na specjalny formularz (zał.. na końcu).

12. Oznaczona wilgotność jest wartością granicy plastyczności:

gdzie: w_p - wilgotność granicy plastyczności (%) ,

m_mt - masa naczynka z gruntem wilgotnym (g),

m_st - masa naczynka z gruntem suchym (g).

m_t - masa naczynka pustego (g).

1. Za wynik ostateczny przyjmuje się średnią arytmetyczną z obu oznaczeń wilgotności, jeśli ich różnica nie przekracza 10% wartości średniej. Jeśli różnica między otrzymanymi wynikami jest większa, przeprowadza się dwa dodatkowe oznaczenia i jako ostateczną wartość granicy plastyczności przyjmuje się średnią arytmetyczną z trzech najmniej różniących się wartości.

Wyniki pomiarów:

Masa pustego naczynka:

Naczynie nr 4 - 26,03g

Naczynie nr 2b - 25,70 g

Masa naczynka z gruntem wilgotnym:

Naczynie nr 4 - 30,56g
Naczynie nr 2b - 30,34g

Masa naczynka z gruntem suchym:

Naczynie nr4 - 29,56
Naczynie nr 2b - 29,31

Obliczenia:

gdzie: w_p - wilgotność granicy plastyczności (%),

m_mt - masa naczynka z gruntem wilgotnym (g),

m_st - masa naczynka z gruntem suchym (g).

m_t - masa naczynka pustego (g).

dla próbki nr 4:

dla próbki nr 2b:

w_psr -średnia wilgotność granicy plastyczności (%),

=28,4%

Wskaźnik plastyczności

gdzie: l_P - wskaźnik plastyczności (%)

w_L - granica płynności (%)

w_p - granica plastyczności (%)

(granicę płynności przyjęto z ćwiczenia „Stożek Wasiliewa” - 53,04%)

Wnioski:

Pod wpływem wałeczkowania oraz wysuszenia całkowitego próbek gruntu doszło do wyparowania z nich cząsteczek wody co spowodowało, że masa tych próbek uległa spadkowi.

Im większa jest wartość wskaźnika plastyczności, tym bardziej plastyczny jest grunt. Grunty o bardzo małej wartości wskaźnika plastyczności bardzo łatwo upłynniają się, nawet przy nieznacznym zwiększeniu wilgotności.