1. Cechy fizyczne podstawowe i metody ich określania

1. Wilgotność naturalna W

Przez pojęcie wilgotności rozumie się stosunek masy wody zawartej w danej próbce gruntu do masy tej próbki wysuszonej w temperaturze 105-110 stopni C, wyrażony w procentach.

Metoda temperatury 105-110 st. C

Metoda oznaczania wilgotności naturalnej gruntu polega na wysuszeniu próbki gruntu w temperaturze 105-110 st. C i podstawieniu uzyskanych w wyniku ważenia mas do wzoru:

$$w = \frac{m_{w}}{m_{s}} = \frac{m_{\text{mt}} - m_{\text{st}}}{m_{\text{st}}} \times 100\%$$

Gdzie: m_w – masa wody, m_s – masa gruntu suchego, m_mt – masa gruntu o wilgotności naturalnej, m_st – masa gruntu wysuszonego w temperaturze 105-110 st. C.

1. Gęstość właściwa szkieletu gruntowego ρ_s

stosunek masy szkieletu gruntowego do jego objętości.

Metoda piknometru (kolby)

Badanie rozpoczyna się od wysuszenia próbki gruntu w suszarce w temperaturze 105-110 st. C . Następnie należy zważyć suchy, pusty piknometr z dokładnością 0,01 g - m_t , umieścić w niej wysuszony grunt i ponownie zważyć− m_gt . Kolbę z gruntem należy napełnić do około 2/3 objętości wodą destylowaną i gotować na małym płomieniu przez pół godziny w celu usunięcia powietrza z gruntu i wody, w trakcie gotowania zawartość kolby wymieszać kilkukrotnie. Po ostudzeniu próbki do 20 stopni C należy uzupełnić wodę destylowaną do kreski, po czym ponownie zważyć kolbę m_wgt . Następnie wylewa się zawartość kolby, dokładnie się ją płucze po czym wlewa wodę destylowaną do kreski, doprowadza do temperatury 20 st. C i znowu waży  m_wt

m_s = m_gt − m_t , $\rho_{s} = \frac{m_{s} \times \rho_{w}}{m_{\text{wt}} + m_{s} - m_{\text{wgt}}}$

Metoda ta jest najczęściej stosowana przy określaniu gęstości właściwej i pozwala uzyskać miarodajne wyniki pod warunkiem bardzo dokładnego ważenia i odpowietrzenia próbki.

1. Gęstość objętościowa ρ

Stosunek masy próbki gruntu (w stanie naturalnym) do jej objętości. Jest to jeden zz charakteryzujących strukturalno-teksturalne właściwości gruntów. Jej wartość zależy od składu mineralnego, porowatości i wilgotności gruntów.

Metoda pierścienia tnącego

Badanie rozpoczyna się od zważenia pierścienia m_t (bez nasadki), zmierzenia jego wysokości i średnicy oraz obliczenia jego objętości V_p przy wykorzystaniu wzoru. Po wyrównaniu powierzchni bryły gruntu ustawia się na nich pierścień zaostrzoną krawędzią i równomiernie naciskając nakładkę zagłębia się go w gruncie tak, aby nie powstały szczeliny między ścianką pierścienia a wycinaną próbką. Wypełniony pierścień wyjmuje się z gruntu, oczyszcza jego zewnętrzne ściany i wyrównuje grunt równo z krawędziami pierścienia, po czym waży się pierścień wraz z gruntem m_mt.

$$\rho = \frac{m_{\text{mt}} - m_{t}}{V_{p}} = \frac{m_{m}}{V_{p}}$$

Metoda pierścienia tnącego jest jedną z najszybszych, najprostszych i przy dokładnym wykonaniu badania dającą bardzo dokładne wyniki metodą określania gęstości objętościowej. Źródłem niedokładności może być przede wszystkim naruszenie struktury próbki wzdłuż ścianek pierścienia w trakcie wciskania go w grunt oraz przy nieumiejętnym wyrównywaniu próbki nożem.

1. Pochodne

• Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego Ρ_d

stosunek masy szkieletu gruntowego gruntu do jego objętości. Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego zależy od porowatości i składu mineralnego gruntu. Im mniejsza jest porowatość i większa zawartość minerałów, których gęstość właściwa jest wysoka, tym wyższa jest gęstość objętościowa szkieletu gruntowego. Wartość tą wykorzystuje się do obliczania porowatości i wskaźnika porowatości gruntu.

$$\backslash n{\rho_{d} = \frac{100\rho}{100 + w}}$$

• Wskaźnik porowatości e

 stosunek objętości porów do objętości szkieletu gruntowego. Wyznaczamy jako wartość bezwymiarową lub procentową mnożąc wynik przez 100%.

$$e = \frac{\rho_{s} - \rho_{d}}{\rho_{d}}$$

• porowatość n

wyraża stosunek objętości porów w próbce gruntu do jej całkowitej objętości. Wyznaczamy jako wartość bezwymiarową lub procentową mnożąc wynik przez 100%.

$$n = 1 - \frac{\rho_{d}}{\rho_{s}} = \frac{e}{1 + e}$$

1. Granice konsystencji Attergebra

Konsystencja jest jednym ze wskaźników charakteryzujących właściwości gruntów w zależności od intensywności wspołłdziałania gruntu z wodą. Jest to stopień ruchliwości (spójności) układu cząstek, zależny od ilości wody i stanu fizycznego tych cząstek. W przypadku braku wody w gruncie stopień spójności jest największy, a im więcej wody tym mniej spójny jest grunt. Wyróżnia się 3 główne konsystencje gruntów: zwartą, plastyczną i płynną, a także konsystencje pośrednie: półzwartą, twardoplastyczną i miękkoplastyczną. Grunty przechodzą z jednego stanu w inny w wyniku doprowadzenia wody lub jej odprowadzenia.

Granice konsystencji to wilgotności graniczne pomiędzy poszczególnymi stanami.

• granica skurczalności - w_s – granica między stanem zwartym a półzwartym

• granica plastyczności – w_p – granica między stanem półzwartym a plastycznym

• granica płynności - w_L- granica między stanem plastycznym a płynnym

Aby określić w jakim stanie znajduje się grunt, należy wyznaczyć wartości następujących parametrów: wilgotności naturalnej, wilgotności granicy skurczalności, plastyczności i płynności.

• Granica skurczalności – w_s – 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 – w_p – określa się ją za pomocą metody wałeczkowania. Z przygotowanej próbki gruntu należy uformować kulkę o średnicy 7 mm i wałeczkować ją na dłoni, aż wałeczek uzyska średnicę ok. 3 mm, po czym z wałeczkowanego gruntu należy ponownie uformować kulkę i czynność tą należy powtarzać tak długo, aż przy kolejnym wałeczkowaniu wałeczek spęka, rozwarstwi się lub rozsypie. Za moment spękania należy przyjąć chwilę, gdy wałeczek rozdzieli się na oddzielne kawałki po podniesieniu go za jeden koniec. Wszystkie kawałki wałeczka należy włożyć do naczyńka wagowego i zamknąć doszlifowaną pokrywką.

Czynności wałeczkowania należy powtarzać tyle razy, aby w dwu naczyńkach zebrało się po co najmniej 5÷7 g gruntu.

Wilgotność gruntu należy oznaczyć według ćwiczenia 3.

Wilgotność odpowiadającą granicy plastyczności oblicza się z wzoru

$$w_{p} = \frac{m_{\text{mt}} - m_{\text{st}}}{m_{\text{st}} - m_{t}} \times 100\%$$

gdzie:

w_p – granica plastyczności,

m_mt – masa próbki wilgotnej w parowniczce,

m_st – masa próbki wysuszonej w parowniczce,

m_t – masa parowniczki.

• Granica płynności – w_L – wyznaczana jest za pomocą metody penetromenru stożkowego. Do badania bierze się próbkę gruntu o masie około 100g, rozdrabnia się ją, umieszcza w parowniczce i zalewa niewielką ilością wody destylowanej, pozostawiając grunt do rozmoknięcia przez okres co najmniej 20 godzin. Namoknięty grunt wykłada się na płytę i miesza dokładnie nożem w celu uzyskania jednolitej pasty. Usuwa się z próbki ziarna o średnicy większej niż 2 mm. Uzyskaną pastą wypełnia się pierścien, wyrównując górną powierzchnię gruntu i stawia się go na podstawie penetromentu. Ostrze stożka ustawia się bezpośrednio na powierzchni pasty gruntowej i odczytuje na skali pozycję stożka, ustalając ją jako punkt zerowy. Zwalnia się uchwyt stożka w celu jego swobodnego zanurzenia w grunt. Głębokość zanurzenia odczytuje się po 5-10 sekundach. Należy także pobrać próbkę pasty do naczynka wagowego w celu oznaczenia wilgotności. Badanie to wykonuje się co najmniej 4 razy dla różnych wartości wilgotności pasty, modyfikuje się ją poprzez dodanie wody lub osuszenie próbki. Znając wyniki tworzy się wykres zależności głęgokości zanurzenia stożka h od wilgotności próbki i odczytuje wartość h dla w=18%. Następnie oblicza się wartość granicy płynności korzystając ze wzoru:

w_L = 0, 00430 (w₁₈)² + 0, 8873 w₁₈ + 3, 62

1. Wskaźniki i konsystencje gruntów

1. Wskaźnik plastyczności I_P – liczbowa wartość różnicy granic płynności i plastyczności gruntu drobnoziarnistego

I_P = W_L − W_P

1. Stopień plastyczności I_L – wartość stosunku różnicy wilgotności naturalnej i granicy plastyczności do wskaźnika plastyczności

$$I_{L} = \frac{(W - W_{p})}{I_{P}}$$

1. Wskaźnik konsystencji I_C – wartość stosunku różnicy granicy płynności i wilgotności naturalnej do wskaźnika plastyczności

$$I_{C} = \frac{W_{L} - W}{I_{P}}$$