Wstęp teoretyczny

Cechy gruntu możemy podzielić na podstawowe, takie jak gęstość objętościowa (ρ), gęstość właściwa szkieletu gruntowego (ρ_s), wilgotność naturalna (w_n), wyznaczane na podstawie badań laboratoryjnych, oraz pochodne - gęstość objętościową szkieletu gruntowego, porowatość, wskaźnik porowatości, wilgotność całkowitą - które można wyznaczyć metodą B mając dane cechy podstawowe.

Metody wyznaczania wskaźników identyfikacyjnych:

Norma PH - 81 / B - 03020 wyróżnia 3 metody wyznaczania cech fizycznych gruntów

A laboratoryjna

B na podstawie korelacji

C porównawcza

I Cechy Podstawowe

1. Gęstość objętościowa

Gęstość objętościowa gruntu, oznaczana przez ρ jest to stosunek masy gruntu (w stanie naturalnym) do jego objętości (razem z porami). Zależy ona od porowatości, wilgotności i gęstości właściwej i charakteryzuje strukturalno - teksturalne właściwości gruntów. Wyznacza się ją zazwyczaj na próbkach o nienaruszonej strukturze (NNS) - w wyjątkowych przypadkach, kiedy wiadomo, ze grunt będzie pracował w naruszonej strukturze (np. nasypy) wyznacza się ją na próbkach o naturalnej wilgotności (NW)

Laboratoryjnie gęstość objętościową wyznacza się na 4 sposoby:

- metodą pierścienia tnącego

- metodą rtęciową

- metodą wyporu hydrostatycznego (parafinowania)

- metodą oznaczania gęstości objętościowej w cylindrze

Metodę pierścienia tnącego, metodę rtęciową i metodę wyporu hydrostatycznego stosuje się przy badaniu gruntów spoistych (metody rtęciową i wyporu hydrostatycznego również dla gruntów skalistych), natomiast metodę oznaczania gęstości objętościowej w cylindrze stosuje się dla gruntów sypkich. We wszystkich metodach za wynik ostateczny przyjmuje się średnią arytmetyczną wartości uzyskanych z badań 2 próbek, o ile różnica między nimi nie przekraczała 0,02 c/cm², w przypadku większej różnicy wykonuje się 2 dodatkowe badania i oblicza średnią z 3 najbardziej do siebie zbliżonych wyników.

Do badania gęstości objętościowej metodą pierścienia tnącego potrzebny metalowy pierścień ze stali nierdzewnej, z dolną krawędzią zaostrzoną od zewnętrznej strony, suwmiarka i nóż. Najpierw należy obliczyć pojemność pierścienia - w tym celu trzeba zważyć pierścień, zmierzyć jego wysokość i wewnętrzną średnicę, po czym skorzystać ze wzoru na objętość walca. Następnie pierścieniem tym wyciąć z wyrównanego gruntu krążek, wyrównać go i zważyć razem z pierścieniem. Od uzyskanego wyniku odejmuje się masę pierścienia i dzieli się przez obliczoną wcześniej objętość. Jest to metoda najprostsza i najszybsza Bardzo podobna do niej jest metoda badania gęstości objętościowej w cylindrze. Różni się ona jedynie tym, że zamiast pierścienia używa się cylindra (najczęściej po odmierzeniu pojemności w cylindrze przesypuje się grunt do innego naczynia)

W badaniu gęstości objętościowej metodą rtęciową używa się objętościomierza, noża, pędzla o ok. 4g rtęci. Najpierw wycina się z próbki NNS próbkę o pojemności 10-20 cm3 i gładkiej powierzchni, którą waży się. Następnie do zbiornika objętościomierza wlewa się tyle rtęci, żeby po dokręceniu pokrywy i nastawienia noniusza na zero poziom rtęci osiągnął poziom kreski na rurce. Obracając korbką wypycha się wtedy trzpień wypychający rtęć, odkręca pokrywę i wkłada próbkę do zbiornika z rtęcią, następnie zakręca się pokrywę i obraca korbkę w drugą stronę i wciska się trzpień do środka zbiornika do momentu, w którym poziom rtęci osiągnie kreskę na rurce. Odczytuje się wtedy wynik na podziałce noniusza V₁ i odejmuje wynik początkowy odczyt, o ile nie był on równy zeru. Następnie dzieli się masę przez zmierzoną objętościomierzem V. Jest to metoda dość dokładna, należy jej jednak unikać ze względu na szkodliwość dla zdrowia, oraz bardzo uważać przy jej przeprowadzaniu.

Najbardziej pracochłonną metodą jest metoda oznaczania gęstości objętościowej sposobu wyporu hydrostatycznego wody lub w cieczach organicznych. Do przeprowadzenia badania tą metodą potrzebne są waga techniczna przystosowana do ważenia hydrostatycznego, zlewka o pojemności ok. 0,15 dm³, nóż, cienka nitka lub drucik (ok. 0,5m) parowniczka porcelanowa i parafina. Najpierw należy wyciąć z gruntu NNS próbkę o objętości ok. 20 - 30cm³ i wygładzić jej powierzchnię, po czym zważyć ją i przymocować do niej nitkę i zanurzyć w gorącej parafinie tak, aby została pokryta równomierną warstwą parafiny i zważyć ją ponownie. Następnie podwiesza się ją do szalki wagi zanurzając ją w zlewce z wodą i waży się ją. Po wyjęciu z wody osusza się próbkę i waży ponownie żeby sprawdzić, czy dostała się do niej woda. Jeśli tak, różnicę mas dodaje się do masy wypartej wody. Dzieląc masę wody wypartej przez próbkę przez gęstość właściwą wody uzyskuje się objętość badanej próbki, czyli gruntu i parafiny. Aby uzyskać wartość objętości gruntu należy od objętości zaparafinowanej próbki odjąć objętość parafiny, czyli od masy próbki zaparafinowanej odjąć masę próbki naturalnej i podzielić przez gęstość właściwą parafiny. Ostatnim krokiem jest podzielenie masy próbki gruntu przez jej objętość.

2. Gęstość właściwa szkieletu gruntowego

Gęstość właściwa szkieletu gruntowego jest to stosunek masy szkieletu gruntowego do jego objętości. Jest ona parametrem określającym szkielet gruntu. Można ją oznaczać 2 metodami: piktometru (dla gruntów nie zawierających soli rozpuszczających się w wodzie) i Le Chateliera (dla gruntów organicznych, zawierających sole rozpuszczalne w wodzie lub dużo zawartość frakcji iłowej). Gęstość właściwa zależy od składu mineralnego gruntu lub skały i wynosi od 1,4 do 3,2 g/cm³ (2,65 - 2,78 g/cm³ dla gruntów mineralnych).

Do oznaczania gęstości właściwej gruntu metodą piktometru przygotować należy piktometr lub kolbę o pojemności 0,20-0,25l i kształcie zbliżonym do stożkowatego, moździerz z tłuczkiem gumowym, sita kalibrowane o wymiarach oczek 0,25 i 1 mm, parowniczkę, termometr i pipetę. Najpierw suszy się próbkę gruntu (dla gruntów niespoistych, piasków gliniastych, pyłów piaszczystych i pyłów 40-50g, dla glin, glin piaszczystych i pylastych 35-40g, dla glin zwięzłych, glin pylastych zwięzłych, iłów, iłów piaszczystych i pylastych 25-30g), i wsypuje do zważonego wcześniej piktometru lub kolby o masie m_t i waży ponownie (m_gt). Po zważeniu dolewa się do 2/3 objętości wody destylowanej i odpowietrza (w przypadku gruntu spoistego przez gotowanie, przy gruntach niespoistych wystarczy dobrze wymieszać), po czym dolewa się ponownie wody tak, aby menisk dolny wody pokrywał się z kreską na szyjce kolby, i kolejny raz waży (m_wgt). Należy też zważyć tą samą kolbę wypełnioną jedynie wodą (m_wt). Masę szkieletu gruntowego oblicza się ze wzoru m_s=m_gt-m_t, a objętość V_s=(m_wt+m_s-m_wgt)/ρ_w. Gęstość właściwa szkieletu równa jest ilorazowi jego masy i objętości. Badanie przeprowadza się 2 razy i uśrednia wynik (jeśli różnica między wynikami nie przekracza 0,02 g/cm³) lub 4 razy i oblicza średnią z 3 najbardziej zbliżonych wyników

Metoda kolby Le Chateliera. Potrzebne są Kolba Le Chateliera, moździerz z tłuczkiem, sito kalibrowe o wymiarach oczek 0,071-0,075mm, parowniczka, łyżeczka porcelanowa, pipeta, zlewka, termometr, ciecz niepolarna i bibuła filtracyjna. Najpierw należy wysuszoną próbkę o masie ok. 200g rozetrzeć w moździerzu a potem przetrzeć prze sito - jeśli cos zostało rozetrzeć w moździerzu ponownie, i postępować tak dopóty, dopóki całość gruntu nie przejdzie przez sito.Kolejnym krokiem jest wysuszenie próbki (ok. 130g) w temp 105-110 stopni do stałej masy i zważenie z dokładnością do 0,01g (m_st1) i pozostawienie jej w eksykatorze nad chlorkiem wapnia. W tym czasie napełnia się niepolarną cieczą kolbę Le Chateliera nieco ponad podziałkę zerową i zanurza się ją do 0,9 wysokości w zlewce z wodą o temperaturze 18 stopni. Po upływie godziny usuwa się za pomocą bibuły filtracyjnej nadmiar cieczy ponad podziałką zerową z kolby Le Chateliera i wsypuje łyżeczką wyjęty z eksykatora grunt (uważając, żeby nie przylegał do ścianek i nie tworzyły się pęcherzyki powietrza) do momentu, gdy poziom cieczy podniesie się do 20cm³. Pozostałą roztartą próbkę wsypuje się do parowniczki i wazy się ją z dokładnością do 0,01g (m_st2). Masa wsypanego gruntu równa jest różnicy masy parowniczki z próbką gruntu przed i po wsypaniu (m_s=m_st1-m_st2). Gęstość właściwą szkieletu gruntowego otrzymujemy, gdy podzielimy tę wielkość przez 20 (objętość gruntu)

3. Wilgotność naturalna

Wilgotność naturalna jest to stosunek masy wody zawartej w próbce gruntu do masy tej próbki wysuszonej w temperaturze 105-110 stopni wyrażony w procentach. Kształtuje ona wiele właściwości gruntów, w szczególności gruntów spoistych. Do wyznaczania wilgotności naturalnej używa się próbek NW lub NNS.

Aby wyznaczyć wilgotność naturalną gruntu, należy zważyć próbki gruntu (m_mt) w uprzednio zważonych naczyńkach (m_t) - badanie wykonuje się dla 2 próbek - oblicza się średnią arytmetyczną z obu wyników, jeśli nie różnią się one o więcej niż 5% - w przypadku większej różnicy przeprowadza się badanie na 2 dodatkowych próbkach i oblicza średnią z 3 najbardziej zbliżonych wartości. Następnie wkłada się próbki do suszarki i suszy się w temperaturze 105-110 stopni do uzyskanie stałej masy. Po 8h w przypadku gruntów niespoistych i 24h w przypadku gruntów spoistych wyjmuje się próbki i chłodziw eksykatorze, waży i ponownie na godzinę wkłada do suszarki. Jeśli po godzinie masy obu próbek są jednakowe, można uznać, że próbka została wysuszona do stałej masy (m_st). Masa wody w gruncie jest wówczas równa: m_w=m_mt-m_st, a masa szkieletu gruntowego m_s=m_st-m_t. Wilgotność naturalna jest ilorazem tych dwóch mas wyrażonym w procentach.

Inne metody określania wilgotności naturalnej, przydatne szczególnie w badaniach polowych to metody przyspieszone za pomocą:

- aparatu karbidowego

- piktometru wodnego

- piktometru powietrznego

- aparatury elektronicznej

- aparatury radioizotopowej

II Cechy pochodne

Pozostałe wskaźniki identyfikacyjne gruntu można określić metodą B, na podstawie określonych w laboratorium cech podstawowych.

 ρ_d - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego, jest to stosunek masy szkieletu gruntu do jej objętości pierwotnej

ρ_d = m_s/V = 100ρ/(100+w)

2. n - porowatość gruntu - jest to stosunek objętości porów (V_p) do całkowitej objętości próbki. Zależy ona od struktury gruntu - grunty o strukturze ziarnistej mają mniejszą porowatość, niż grunty spoiste.

n = V_p/V = 1 - ρ_d/ρ_s

3. e - wskaźnik porowatości gruntu - jest to stosunek objętości porów V_p do objętości szkieletu gruntowego.

e = V_p/V_s = n/1-n

4. w_r - wilgotność całkowita - wilgotność przy całkowitym wypełnieniu porów wodą

w_r = eρ_w/ρ_s *100%

5. S_r - stopień wilgotności - jest to stopień wypełnienia porów gruntu przez wodę.

S_r = V_w/V_p = w_n/w_r

Na podstawie stopnia wilgotności wyróżnia się stany zawilgocenia gruntów niespoistych:

- suchy (S_r=0)

- mało wilgotny (0<S_r≤0,4)

- wilgotny (0,4<S_r≤0,8)

- nawodniony (0,8<S_r≤1)

 γ - ciężar właściwy gruntu

γ = ρ  g

III Wskaźniki klasyfikacyjne

Wskaźniki klasyfikacyjne (testowe) to wielkości, na podstawie których można wnioskować w sposób przybliżony o właściwościach mechanicznych gruntu.

a) dla gruntów spoistych

1. I_L - stopień plastyczności. Oznacza się go za pomocą sondowania sondą cylindryczną, lub metodą wałeczkowania.

I_L=1,25*Xsr/A*f_i = (w_n-w_p)/(w_L-w_p)

2. Granice konsystencji

W gruntach spoistych rozróżnia się 3 konsystencje : płynną, plastyczną i zwartą. Na granicy między konsystencją plastyczną i płynną znajduje się granica płynności (w_L), na granicy między konsystencją plastyczną i zwartą znajduje się granica plastyczności (w_p), dodatkowo wyróżnia się jeszcze granicę skórczalności (w_s). Granice te zostały wprowadzone w 1911r. Przez Atterberga.

w_L - granica płynności - można ją określać 3 metodami: Casagrande'a, Wasiliewa i penetrometru stożkowego. Według metody Casagrande'a granica płynności to najmniejsza procentowa zawartość wody w gruncie, przy której bruzda wykonana w miseczce aparatu Casagrande'a zaczyna się łączyć pod wpływem 25 uderzeń o podstawę aparatu ponownie w całość, na długości 1cm i wysokości 1mm

Badanie metodą Casagrande'a polega na umieszczeniu pasty gruntowej (namokniętej i wymieszanej nożem próbki) warstwami w miseczce aparatu, tak, aby tworzyła wklęsłą powierzchnię. Grunt powinien zajmować 2/3 przedniej części miseczki i kończyć się równą górną linią. Następnie pastę w miseczce przecina się rylcem płaskim (dla gruntów mało spoistych rylcem łukowym), po czym umieszcza się miseczkę w uchwycie aparatu i obraca korbką z prędkością 2 obrotów na sekundę. W momencie, kiedy bruzda zleje się na długości 10mm i wysokości 1mm należy zanotować liczbę uderzeń i oznacza wilgotność próbki gruntu ze środka bruzdy. Czynności te powtarza się co najmniej pięciokrotnie. Tworzy się wtedy wykres, z którego odczytuje się wilgotność dla której liczba uderzeń wynosi 25.

w_p - granica plastyczności - największa procentowa zawartość wody w gruncie, mierzona w stosunku do jej suchej masy, przy której grunt rozwałkowany z kulki o średnicy 7-8mm w wałeczek o średnicy 3mm zaczyna się kruszyć

w_s - granica skurczalności - największa procentowa zawartość wody, przy której grunt przy dalszym suszeniu przestaje się kurczyć i zmnienia swą barwę powierzchni na jaśniejszą. Można ją obliczyć(wg normy PN-88/B-04481) ze wzoru:

w_s = (ρ_w/ρ_d - ρ_w/ρ_s)*100%

Można też uznać, że granica skurczalności jest równa granicy płynności pomniejszonej o 1,25 zawartości frakcji iłowej.

3. Stany fizyczne

4. Wskaźnik plastyczności - wskazuje, ile wody wchłania grunt przy przejściu ze stanu półzwartego w płynny, na jego podstawie ustala się aktywność koloidalna A (dla większości gruntów w Polsce A=1, czyli przeciętnie aktywne)

Ip = w_L - w_p = Af_i

b) Dla gruntów niespoistych

1. Stopień zagęszczenia I_D - jest to stosunek zagęszczenia w stanie naturalnym do największego możliwego zagęszczenia danego gruntu. Oblicza się go ze wzoru:

I_D = (V_msx-V)/ (V_msx-V_min) = (e_msx-e)/ (e_msx-e_min)

lub określa metodą sondowania (gdyż niemożliwe jest pobranie próbek NNS gruntu niespoistego). Polega ona na pomiarze oporu końcówek sond przy ich zagłębianiu w grunt. Rozróżnia się sondy wbijane, wkręcane i wciskane. Najpopularniejsze w Polsce są sondy wbijane. Stopień zagęszczenia określa się z ilości uderzeń młota dla uzyskania odpowiedniego zagłębienia.

W zależności od stopnia zagęszczenia rozróżnia się 4 stany zagęszczenia gruntów niespoistych:

- luźny I_D ≤ 0,33

- średnio zagęszczony 0,33 < I_D ≤ 0 ,67

- zagęszczony 0,67 < I_D ≤ 0,8

- bardzo zagęszczony 0,8 < I_D ≤ 1

c) dla gruntów nasypowych

I_s - wskaźnik zagęszczenia - jest miernikiem charakteryzującym jakość nasypu, określa się go ze wzoru

I_s= ρ_dnas/ρ_ds

Czyli gęstość objętościowa szkieletu gruntu w nasypie podzielona przez maksymalną gęstość objętościową szkieletu gruntu uzyskaną w warunkach określonych normą. Maksymalną gęstość objętościową szkieletu gruntu oznacza się w aparacie proctora. Polega ona na ubijaniu 5 próbek gruntu ubijakiem w odpowiednim cylindrze, w 3 lub 5 warstwach przy różnych wilgotnościach. W oparciu pomiary gęstości objętościowej szkieletu gruntowego wykonuje się wykres, z którego określa się wilgotność optymalną w_opt odpowiadającej maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu.

Przebieg badania

1. Gęstość objętościowa

Zbadałam gęstość objętościową metodą pierścienia tnącego. Wysokość pierścienia wynosiła 32 mm, a jego średnica wewnętrzna 44mm, stąd obliczyłam jego objętość : 44,21 cm³. Gęstość objętościową uzyskałam dzieląc różnicę masy próbki z pierścieniem i masy pierścienia przez jego objętość. Badanie przeprowadziłam na 2 próbkach: w pierwszej gęstość objętościowa wyniosła 2,21g/cm³, w drugiej 2,18 g/cm³. Jako średnią gęstość objętościową przyjęłam do dalszych obliczeń ρ=2,21 g/cm³.

2. Wilgotność naturalna

Do dwóch zważonych tygielków (26,32 g i 26,35g) nałożyłam próbki gruntu i zważyłam ponownie (53,98g i 54,79g). Po wysuszeniu tygielki z gruntem zważono ponownie (26,32g i 26,35g). Odejmując od masy tygielka z wilgotnym gruntem masę tygielka z suchym gruntem, uzyskałam masę wody w gruncie. Masę szkieletu gruntowego uzyskałam odejmując od masy suchego gruntu w tygielku masę tygielka. Dzieląc masę wody przez masę gruntu otrzymała wilgotność naturalną. Dla próbki gruntu w pierwszym tygielku wyniosła ona 25%, dla drugiej próbki 20%. Do dalszych obliczeń przyjęłam w_n=22,5%.

3. Gęstość właściwa

Gęstość właściwą szkieletu gruntowego oznaczyłam na podstawie zawartości poszczególnych frakcji w gruncie, posługując się normą PN - 81/B - 03020. Najpierw makroskopowo określiłam nazwę gruntu: przez wałeczkowanie i rozcieranie w wodzie. Podczas wałeczkowania nastąpiło podwójne rozwarstwienie z poprzecznymi spękaniami, uznałam więc, że grunt zawiera 5- 10% frakcji iłowej. Podczas rozcierania w wodzie wyczułam pojedyncze ziarenka piasku, co kwalifikowało grunt do grupy gruntów pośrednich - o zawartości f_p>30% i zawartości f_>30%, grunt ten był więc pyłem piaszczystym. Z tabeli w normie odczytałam gęstość właściwą dla tego gruntu równą ρ_s = 2,66g/cm³.

4. Cechy pochodne

Korzystając z oznaczonych wcześniej cech podstawowych i wzorów obliczyłam pochodne cechy fizyczne gruntu takie jak gęstość objętościowa szkieletu gruntowego (ρ_d=1,8 g/cm³), ciężar objętościowy szkieletu gruntowego (γ_d=18 kN/m³), porowatość (n=0,32), wskaźnik porowatości (e=0,47), wilgotność całkowitą (w_sr= 17,7%) i stopień zawilgocenia (S_r=1,32)

Wnioski

W badaniu błędy zdarzały się już od samego początku. Podczas określania gęstości objętościowej metodą pierścienia różnica w wynikach była większa, niż 0,02 g/cm³, co wymagało powtórzenia badania, nie zrobiono jednak tego, i przyjęto wartość średnią. To samo stało się w przypadku badania wilgotności naturalnej - różnica w pomiarach wyniosła aż 5%, przy dopuszczalnej 0,05w_śr=1,25%. Z powodu braku wprawy mogłam też przyjąć niewłaściwą nazwę gruntu. Obarczone tym błędem pomiary stanowiły podstawę do obliczania cech pochodnych, gdzie błąd osiągnął kolosalne rozmiary (S_r=1,32!). Podejrzewam, że za błędne wyniki cech pochodnych odpowiadają błędy w laboratoryjnym oznaczaniu cech podstawowych, w szczególności gęstości objętościowej, gdzie dokładność pomiaru wymagała dokładnego wypełnienia pierścienia gruntem i wygładzenia powierzchni. O ile początkowy wyniki wydają się dopuszczalne, to wilgotność całkowita równa 17,7%, a co za tym idzie stopień zawilgocenia równy 1,32 są nie do przyjęcia.

Literatura:

1. E. Myślińska „Laboratoryjne badania gruntów”

2. S. Pisarczyk „mechanika gruntów”

Wydział Geoinżynierii, Politechnika Wrocławska

Górnictwa i Geologii Instytut Geotechniki

Studia dzienne i hydrotechniki

Laboratorium z mechaniki gruntów

„Cechy fizyczne gruntu”

2004/2005 Uciechowska, Anna

Semestr IV letni rok studiów II

Grupa: poniedziałek 10-13

Stan

Konsystencja

w_s

w_p

w_l

0

0,25

0,5

1

zw

pzw

tpl

mpl

pl

pł

zw

pl

pł

w

stan

---