Politechnika Wrocławska Laboratorium Mechaniki Gruntów

Wrocław, 20 XI 1999

Własności Fizyczne Gruntu

Wykonał: Andrzej Kuszell

sprawdził: dr M. Hawrysz

1. Opis teoretyczny i metody badań

Do podstawowych cech fizycznych gruntów zalicza się wilgotność, gęstość objętościowa i gęstość właściwa.

1.1 Wilgotność naturalna

Wilgotnością naturalną (w_n) nazywamy stosunek masy wody zawartej w porach gruntu do masy jego szkieletu.

Oznaczenie wilgotności naturalnej:

• Z gruntu o naturalnej wilgotności NW lub NNS należy pobrać dwie próbki o masach co najmniej:

• 500 g - dla gruntów gruboziarnistych po oddzieleniu ziarn większych niż 25 mm,

• 50 g - dla piasków i pyłów,

• 30 g - dla pozostałych gruntów drobnoziarnistych,

• umieścić je w uprzednio zważonych naczyniach (parownicach lub tygielkach) i zważyć,

• następnie suszyć w suszarce (105 ÷ 110°C) aż do uzyskania stałej masy, czyli ~12 godzin dla gruntów spoistych i ~4 godzin dla gruntów sypkich - po wysuszeniu należy próbki ochłodzić w eksykatorze i zważyć

• wilgotność oblicza się ze wzoru: w_n = (m_mt - m_st)⋅(m_st - m_t)^-1⋅100%, gdzie:

m_mt - masa próbki wilgotnej łącznie z masą parownicy, [g]

m_st - masa próbki wysuszonej łącznie z masą parownicy, [g]

m_t - masa parownicy, [g].

Za wynik ostateczny należy przyjąć średnią arytmetyczną wartości z obu oznaczeń, jeśli różnica wyników nie przekracza 5% wartości średniej. W przypadku większej różnicy, należy wykonać oznaczenie na nowych dwóch próbkach i jako wynik przyjąć średnią arytmetyczną trzech najmniej różniących się wartości z czterech wykonanych oznaczeń.

1.2 Gęstość objętościowa

Gęstością objętościową gruntu (ρ) nazywamy stosunek masy próbki gruntu w stanie wilgotnym do jej objętości.

Wielkość tą wyznacza się wieloma sposobami w zależności od rodzaju i ilości posiadanego gruntu:

• w wodzie za pomocą parafiny,

• w pierścieniu metalowym,

• w cylindrze stalowym

• za pomocą rtęci

Metodę pierścienia metalowego użytą w tym ćwiczeniu stosuje się do gruntów spoistych o nienaruszonej strukturze i wilgotności naturalnej i dostatecznie dużej objętości umożliwiającej przygotowanie próbki do oznaczenia. Próbę wykonuje się w następujący sposób:

• za pomocą suwmiarki zmierzyć średnicę D i wysokość h pierścienia i obliczyć jego objętość ze wzoru: V = 0,25π⋅D²⋅h

• następnie zważyć pierścień i pobrać próbkę gruntu (NNS) wciskając pierścień

• ostrym nożem ściąć nadmiar gruntu równo z krawędzią pierścienia i zważyć go wraz z gruntem

• obliczyć gęstość objętościową ze wzoru: ρ = (m_st - m_t) / V_p, gdzie:

mst - masa pierścienia wraz z gruntem, [g]

m_t - masa pierścienia, [g]

V_p - wewnętrzna objętość geometryczna pierścienia [cm³]

Gęstość objętościową wyznacza się na dwóch próbkach tego samego gruntu w celu sprawdzenia dokładności wykonania badania. Za wynik badania przyjmuje się średnią arytmetyczną z obu wyników wówczas, gdy różnica wyników nie przekracza 0,02 g/cm³. W przypadku większej różnicy, należy wykonać oznaczenie na dwóch dodatkowych próbkach i jako wynik przyjąć średnią arytmetyczną trzech najmniej różniących się wartości z czterech wykonanych oznaczeń.

1.3 Gęstość właściwa

W tym ćwiczeniu odczytujemy wartość gęstości właściwej z normy PN-81/B-03020. Aby to zrobić trzeba znać nazwę gruntu, którą określimy metodami analizy makroskopowej.

Próba wałeczkowania: z grudki badanego gruntu o naturalnej wilgotności, po usunięciu większych ziaren żwirowych, formuje się kulkę o średnicy 6 ÷ 7 mm, z której wykonuje się wałeczek o średnicy 3 mm. Jeżeli wałeczek po osiągnięciu średnicy 3 mm nie ulegnie wyraźnemu spękaniu, to należy ulepić z niego następną kulkę i powtórzyć wałeczkowanie. Wałeczkowanie należy powtarzać tak długo, aż wałeczek po osiągnięciu średnicy równej 3 mm ulegnie wyraźnemu spękaniu lub pokruszy się na kawałeczki.

Jeśli kulka gruntu podczas próby nie daje się wałeczkować, lecz rozpłaszcza się i rozsypuje, to świadczy o tym, że grunt jest zbyt suchy lub należy do gruntów mało spoistych. Jeżeli po zwiększeniu wilgotności grunt nadal nie daje się wałeczkować lub wałeczek będzie się rozwarstwiał podłużnie, to badany grunt na pewno należy do mało spoistych (piasek gliniasty, pył piaszczysty i pył - <10% cząstek iłowych).

Pękanie poprzeczne wałeczka i brak połysku na jego powierzchni świadczy o tym, że grunt należy do średnio spoistych (glina piaszczysta, glina i glina pylasta - 10 ÷ 20% cząstek iłowych).

Jeżeli na początku wałeczkowania powierzchnia wałeczka jest bez połysku, a pod koniec uzyskuje połysk oraz wałeczek pęka poprzecznie, grunt taki należy do spoistych zwięzłych (glina piaszczysta zwięzła, glina zwięzła i glina pylasta zwięzła ­ 20 ÷ 30% cząstek iłowych).

Jeżeli natomiast połysk występuje od początku do końca i wałeczek pęka poprzecznie, to grunt taki należy do bardzo spoistych (ił piaszczysty, ił i ił pylasty - >30% cząstek iłowych).

Sprawdzenie dokładności wykonania osiąga się przez przeprowadzenie badań na dwóch kulkach z tego samego gruntu. W razie dużych rozbieżności wynik sprawdzamy przeprowadzając dodatkowe wałeczkowanie na trzeciej kulce.

Próba rozcierania w wodzie: Grunt należy rozcierać między dwoma palcami w zanurzonymi w wodzie. Ziarna piasku przy rozcieraniu są wyczuwalne, więc zawartość frakcji piaskowej w danej próbce gruntu można określić dość trafnie. Jeżeli w trakcie rozcierania wyczuwa się dużo ziaren piasku, to grunt zalicza się do grupy I (gruntu piaszczyste); jeżeli wyczuwalne są tylko pojedyncze ziarna - grupa II (pośrednie); jeśli zaś piasek jest niewyczuwalny - grupa III (pylaste).

Określenia rodzaju gruntu należy dokonać według normy PN-74/B-04452.

2. Dokumentacja badań

2.1 Wilgotność naturalna

parownica nr 739	parownica nr 140
mmt = 42,39 g	mmt = 43,11 g
mst = 41,07 g	mst = 41,62 g
mt = 26,55 g	mt = 25,61 g
w1 = 100⋅(mmt - mst) / (mst - mt) = 9,091 %	w2 = 100⋅(mmt - mst) / (mst - mt) = 9,307 %

w_śr = 9,199 %,  = 0,05⋅w_śr = 0,460 %, |w₁ - w₂| = 0,216 %, |w₁ - w₂| < 

zatem w_n = 9,199 %

2.2 Gęstość i ciężar objętościowy

próbka nr 1	próbka nr 2
D = 4,01 cm	D = 4,00 cm
h = 3,08 cm	h = 3,07 cm
Vp = 0,25⋅π⋅D^2 = 38,898 cm^3	Vp = 38,579 cm^3
mst = 104,48 g	mst = 104,32 g
mt = 16,89 g	mt = 16,92 g
ρ1 = (mst - mt) / Vp = 2,252 g/cm^3	ρ2 = 2,265 g/cm^3

ρ_śr = 2,259 g/cm³,

γ = 9,81⋅ρ_śr = 22,157 kN/m³

|ρ₁ - ρ₂| = 0,014 g/cm³ < 0,02 g/cm³.

zatem ρ = 2,259 g/cm³ i γ = 22,157 kN/m³

2.3 Gęstość i ciężar właściwy

Próba wałeczkowania:

w obu kulkach od początku do końca wałeczkowania nie wystąpił połysk, a wałeczki pękały poprzecznie, stąd wniosek, że grunt należy do średnio spoistych (10 ÷ 20 % cząstek iłowych)

Próba rozcierania w wodzie:

dużo ziaren piasku grupa I - grunt piaszczysty.

Z tabeli w normie PN-74/B-04452 odczytuję, że badany grunt to glina piaszczysta.

Z tabeli w normie PN-81/B-03020 odczytuję wartość ρ_s = 2,67 g/cm³

γ_s = 9,81⋅ρ_s γ_s = 26,19 kN/m³

3. Cechy pochodne - obliczenia

Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego: ρ_d = r / (1 + w) ρ_d = 2,068 g/cm³

Ciężar objętościowy szkieletu gruntowego: γ_d = γ / (1 + w) γ_d = = 20,291 kN/m³

Porowatość: n = (ρ_s - ρ_d) / ρ_s n = 0,225

Wskaźnik porowatości: e = n / (1 - n) e =0,291

Wilgotność całkowita: w_Sr = 100%⋅e⋅γ_w / γ_s w_Sr = 10,899 %

Stopień wilgotności: Sr = w_n⋅γ_s / (e⋅γ_w) Sr = 0,844

grunt jest mokry.

4. Podsumowanie

Wyniki badań można uznać za trafne, ponieważ wyliczone: wilgotność naturalna i gęstość objętościowa są bardzo bliskie wartościom podanym w normie. Ponad to obserwacja makroskopowa wykazała, że grunt jest mokry, ponieważ przy ściskaniu odsącza wodę - ten sam wynik dały obliczenia.

Glina piaszczysta należy do tzw. serii poznańskiej i nie jest dobrym gruntem z punktu widzenia posadowienia bezpośredniego fundamentów, niestety w okolicach Wrocławia występuje bardzo często.

---