WYZNACZANIE GRANIC KONSYSTENCJI GRUNTU

Na stan i właściwości gruntów duży wpływ ma wilgotność. Zwiększanie wilgotności gruntów spoistych powoduje, że przechodzą one od stanu zwartego poprzez stan plastyczny, do stanu płynnego i odwrotnie - wraz ze zmniejszaniem wilgotności ich objętość zmniejsza się do pewnej stałej wartości. Poszczególne stany są rozdzielone umownymi granicami, które określa się jako granicę skurczalności, granicę plastyczności i granicę płynności.

OZNACZENIE GRANICY SKURCZALNOŚCI

Granicą skurczalności gruntu ( w_s ) % , nazywamy wilgotność, jaką ma grunt na granicy konsystencji zwartej i półzwartej, po osiągnięciu której w miarę dalszego suszenia grunt nie zmienia swojej objętości ( nie kurczy się ), zmieniając jednocześnie barwę powierzchni na jaśniejszą.

Granicę skurczalności oznacza się za pomocą tych samych przyrządów, które służyły do oznaczenia wilgotności gruntów. Z gruntu o nienaruszonej strukturze należy wyciąć, bez naruszenia naturalnej struktury, dwie próbki o objętości 20 - 30 cm³ i wygładzić ostrzem noża drobne nierówności na ich powierzchniach. Następnie próbki umieszczamy w parowniczkach i poddajemy powolnemu wysychaniu w temperaturze pokojowej do stanu powietrzno - suchego. Dalsze suszenia przebiega w suszarce w coraz wyższej temperaturze. Podczas suszenia wyznaczamy masę próbki i objętość. Masę oznacza się przez ważenie, a objętość przez zanurzenie w rtęci. Ostatni pomiar masy wykonuje się po wysuszeniu próbki do stałej masy w temperaturze 105˚ - 110˚ C, wówczas masa próbki równa jest masie szkieletu gruntowego ( m_s ), ponieważ wilgotność równa się zeru. Znając masę szkieletu próbki oblicza się wilgotność dla wszystkich uprzednio wyznaczonych mas próbki określanych w czasie suszenia.

Granicę skurczalności obliczamy ze wzoru:

ρ_w ρ_w

w_s= ------------ - --------------

ρ_d ρ_s

gdzie:

ρ_w- gęstość wody w porach gruntu ( g / cm³ )

ρ_d - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego( g / cm³ )

m_s

ρ_d = ------------

V

ρ_s - gęstość właściwa szkieletu gruntowego( g / cm³ )

OZNACZANIE GRANICY PLASTYCZNOŚCI ( w_p )

Granica plastyczności jest to wilgotność, przy której wałeczkowany grunt zaczyna się kruszyć i pękać po osiągnięciu średnicy 3mm. Badanie granicy plastyczności sprowadza się do dwóch zasadniczych czynności:

• próby wałeczkowania gruntu,

• wyznaczania wilgotności spękanych wałeczków gruntu.

Z dostarczonego do badania gruntu, makroskopowo jednorodnego, o zachowanej wilgotności naturalnej, wydziela się próbkę o masie około 50g. Gdy grunt jest w stanie półzwartym lub zwartym, wówczas należy nasycić go wodą destylowaną do stanu plastycznego. W obu przypadkach grunt należy wyrobić na jednolitą masę. Z badanego gruntu usuwamy ziarna o średnicy większej niż 2mm. Następnie z przygotowanej próbki gruntu, formujemy kulkę o średnicy 7mm i wałeczkujemy ją na dłoni aż do momentu, gdy wałeczek osiągnie średnicę 3mm. Jeżeli grunt daje się nadal formować plastycznie to, formujemy z niego ponownie kulkę. Czynności te powtarzamy tak długo, aż przy kolejnym wałeczkowaniu wałeczek spęka rozwarstwi się lub rozsypie. Za moment spękania należy przyjąć chwilę, gdy wałeczek rozdzieli się na poszczególne kawałki po podniesieniu go za koniec. Wszystkie kawałki wałeczka umieszczamy w dwóch parowniczkach. Tak przygotowane próbki umieszczamy w suszarce i suszymy do stałej masy. Następnie określamy wilgotność obydwu próbek.

Jeżeli różnica wyników nie przekracza 10% względnych wartości średniej to za granicę plastyczności przyjmujemy średnią arytmetyczną. Jeśli różnica jest większa, to należy przeprowadzić dwa dodatkowe oznaczenia, a za wartość granicy plastyczności ( w_p ) przyjąć średnią arytmetyczną z trzech najmniej różniących się pomiarów.

OZNACZANIE GRANICY PŁYNNOŚCI ( w_l ) GRUNTU WEDŁUG CASAGRANDE'A

Granicą płynności gruntu nazywamy wilgotność, jaką ma grunt przechodzący z konsystencji plastycznej do płynnej. Chwili tej odpowiada wilgotność, przy której bruzda rozdzielająca próbkę gruntu w miseczce aparatu Casagrande'a złączy się po 25 uderzeniach, długości 10mm i wysokości 1mm. Granicę płynności oznacza się symbolem w_l i wyraża w procentach.

Aparat Casagrande'a składa się z trzech zasadniczych części :

• podstawy gumowej

• metalowej miseczki osadzonej na osi umożliwiającej miseczce wykonanie ruchu w płaszczyźnie pionowej

• korby z krzywką służącą do nadania ruchu miseczce.

Do badania pobiera się około 100g gruntu makroskopowo jednorodnego o naturalnej wilgotności, umieszcza się w moździerzu i mieszając dodaje się stopniowo wody destylowanej aż do uzyskania „pasty gruntowej”. Następnie zdejmujemy miseczkę i za pomocą łopatki nakładamy pastę, rozsmarowując ją dokładnie cienkimi warstwami, aby rozsmarowany grunt w miseczce utworzył wklęsła powierzchnię walcową.

Po zważeniu miseczki wraz z gruntem wykonuje się na środku metalowym rylcem bruzdę. Miseczkę umieszcza się w aparacie następnie obraca się korbką z prędkością około 2 obr./ s, licząc obroty z jednoczesną obserwacją zachowania się bruzdy. Korbką należy obracać aż do chwili złączenia się bruzdy na długości 10mm i wysokości 1mm. Gdy to nastąpi część gruntu wyjmujemy wkładamy do parowniczki i określamy jego wilgotność, a do pozostałej reszty gruntu dodajemy kilka kropel destylowanej wody i dokładnie mieszamy. Następnie powtarzamy czynność.. Na skutek dolania wody grunt staje się bardziej płynny, wobec czego bruzda zejdzie się dla mniejszej liczby obrotów. Chcąc określić granicę płynności należy powtórzyć badanie przynajmniej pięciokrotnie. Po zakończeniu ostatniego badania wstawia się zważone uprzednio próbki do suszarki w celu oznaczenia wilgotności. Po oznaczeniu wilgotności wszystkich pobranych próbek gruntu, uzyskane wyniki ( liczba uderzeń, oraz odpowiednia wilgotność ) nanosi się w postaci punktów na wykres, którego oś pozioma stanowi liczbę uderzeń , a oś pionowa wilgotność. Uzyskujemy w ten sposób prostą której punkt przecięcia się z linią prostą odpowiadającą 25 uderzeniom . Rzutujemy go na oś wilgotności i uzyskujemy wartość odpowiadającą granicy płynności danego gruntu.

WSKAŹNIKI KLASYFIKACYJNE GRUNTÓW

Mając oznaczoną wilgotność naturalną gruntu oraz wartość poszczególnych granic, można wyznaczyć stan, w jakim znajduje się dany grunt.

Można to wykonać dwoma sposobami:

• przez ustalenie wartości stopnia plastyczności I_l,

• przez ustalenie wskaźnika plastyczności Ip oraz odpowiednich nierówności.

Stopień plastyczności oblicza się ze wzoru:

w_n - w_p

I_l = --------------

w_l - w_p

gdzie:

I_l - stopień plastyczności

w_n - wilgotność naturalna ( % )

w_p - granica plastyczności ( % )

w_l - granica płynności ( % )

Jeśli stopień plastyczności jest mniejszy od 0 grunt znajduje się w stanie zwartym lub półzwartym i w celu dokładnego oznaczenia tego stanu należy wyznaczyć wartość granicy skurczalności badanego gruntu. Jeśli stopień plastyczności jest większy od 0 stan gruntu określa się w zależności od jego wartości:

0< Il ≤ 0,25 -stan twardoplastyczny 0,25< Il ≤ 0,50- stan plastyczny 0,50< Il ≤ 1,00 -stan miękkoplastyczny 1,00< Il - stan płynny

Drugim sposobem ustalania stanu gruntu po określeniu jego wilgotności i poszczególnych granic jest obliczenie wskaźnika plastyczności Ip i porównanie otrzymanych wyników z następującymi wielkościami

w_n ≤ w_s - stan zwarty

w_s<w_n ≤ w_p - stan półzwarty

w_p<w_n ≤ w_p + 0,25 Ip - stan twardoplastyczny

w_p + 0,25 Ip<w_n ≤ w_p + 0,50 Ip - stan plastyczny

w_p + 0,25 Ip<w_n ≤ w_l - stan miękkoplastyczny

w_l ≤ w_n - stan płynny

gdzie Ip- - Wskaźnik plastyczności ( Ip = w_l - w_p ) wskaźnik ten określa ile wody wchłania grunt przy przejściu ze stanu półzwartego w stan płynny.

Stopień zagęszczenia gruntów sypkich:

Oznaczenie stopnia zagęszczenia polega na określeniu wskaźnika porowatości e piasku w stanie naturalnym, e_max tego piasku przez usypanie możliwie luźno i e_min przez możliwie największe zagęszczenie. Oznaczenie e_max i e_min przeprowadza się w laboratorium w dostosowanym do tego celu cylindrze metalowym o znanym przekroju ; cylinder zaopatrzony jest w dopasowany do niego tłoczek- przykrywkę. Przez pomiar zagłebienia tłoczka spoczywającego na piasku można wyznaczyć wysokość warstwy gruntu w cylindrze, a ze znanej masy piasku i gęstości właściwej obliczyć każdorazowo e. Najluźniejsze ułożenie piasku w cylindrze e_max otrzymuje się przez ostrożne wsypywanie piasku przez lejek, początkowo postawiony na dnie, a następnie odpowiednio podnoszony równo z powierzchnią sypanego piasku.

Najściślejsze ułożenie piasku e_min otrzymuje się przez wibrowanie wsypanego piasku w cylindrze za pomocą widełek. Piasek uważa się za dostatecznie zagęszczony, gdy trzy kolejne pomiary nie wykażą już zmiany jego objętości.

Stopień zagęszczenia gruntu wyznacza się ze wzoru:

e_max - e

I_d = --------------------

e_max - e _min

wartości e oblicza się ze wzoru:

ρ - ρ_d

e = ---------------

ρ_d

Wskaźnik zagęszczenia : jest on miernikiem charakteryzującym jakość zagęszczenia nasypu. Wyznaczamy go na podstawie wzoru:

ρ_dnas

I_s=---------------

ρ_ds

gdzie:

ρdnas - gęstość objętościowa szkieletu gruntu w nasypie

ρ_ds - max gęstość objętościowa szkieletu gruntu uzyskana w warunkach określonych przez normę.

ρ_ds. - badanie polega na zagęszczeniu ok. 5 próbek gruntu ubijakiem w cylindrze w 3 lub 5 warstwach przy różnych wilgotnościach . Po wykonanych pomiarach ρ_d przy odpowiadających ich wilgotnościach sporządza się wykres ρ_d do w . Z wykresu określa się wilgotność optymalną odpowiadającą max objętości szkieletu ρ_ds.

WYZNACZANIE STANÓW GRUNTÓW W BADANIACH POLOWYCH (SONDOWANIE )

Do określenia stopnia zagęszczenia stosuje się metody sondowania. Sondowanie ma na celu określenie stanu gruntów na głębokościach max 10-30. Wykonuje się pomiar oporu końcówek sond przy ich zagłębieniu w grunt. Rozróżnia się sondy; wciskane wkręcane wbijane. Stopień plastyczności i stany gruntów można określać na podstawie badań polowych np.;

Za pomocą sondowania sondą cylindryczną SPT lub metodą wałeczkowania.

Sondowanie sondą cylindryczną polega na wbijaniu sondy uderzeniami młota o masie 65 kg na wysokości 75cm. W czasie sondowania notuje się liczbę uderzeń Nx potrzebna do zagłębienia na głębokość 30cm . I tak w przypadku gruntów sypkich mając daną liczbę uderzeń wyznaczamy I_d

Stan piasku	Stopień zagęszczenia	Liczba uderzeń sondy
Bardzo luźny	0,00< Id ≤ 0,15	1 ÷4
Luźny	0,15< Id ≤ 0,33	5 ÷10
Średnio zagęszczony	0,33< Id ≤ 0,67	11 ÷30
Zagęszczony	0,67< Id ≤ 0,85	13 ÷50
Bardzo zagęszczony	0,85< Id ≤ 1,00	> 50

W przypadku gruntów spoistych wyznaczamy stopień plastyczności. I tak:

Stan piasku	Stopień zagęszczenia	Liczba uderzeń sondy
Miękkoplastyczny	Il > 0,50	< 4
Plastyczny	0,25< Il ≤ 0,50	4 ÷8
Twardoplastyczny	0,00< Il ≤ 0,25	8 ÷15
Półzwarty	Il ≤ 0,00	15 ÷30
Zwarty	w< ws	> 30

Metoda wałeczkowania oznacza liczbę wałeczkowań X jaka jest potrzebna do zmiany wilgotności gruntu od wn wilgotności naturalnej do granicy plastyczności wn-wp, oraz zawartości iłowej.

Wzór na stopień plastyczności wg metody wałeczkowania:

1,25X

I_L=

A f_i

Gdzie X - liczba wałeczkowań

A - aktywność koloidalna w tym przypadku A = 1

f_i - zawartość frakcji iłowej

WYNIKI:

m_mt - m_st

w_n = 17,95% w_n = ------------- * 100%

w_P = 21,04% m_st - m_t

w_L = 30% - Wartość obliczona z wykresu

w_n- w_P

I_l = --------------- = - 0,34

w_L - w_P

Ponieważ I_l < 0 należy obliczyć wartość granicy skurczalności. Określamy ją ze wzoru:

1 1

w_s = ρ_w ( ---- - ------ ) * 100 %

ρ_d ρ_s

Dla gliny piaszczystej

ρ_d - 1,72 t/ m³

ρ_s - 2,67 t / m³

w_s = 21%

Ponieważ zachodzi nierówność w_n < w_s to grunt jest zwarty

Ip = w_l - w_p = 8,96%

Ponieważ 1% < Ip < 10% to grunt jest mało spoisty

---