1. Informacje ogólne i badania makroskopowe

1.1. Informacje ogólne

nazwa gruntu - glina lodowcowa

wiek - zlodowacenie północnopolskie

miejsce pobrania próbki - Płock

struktura gruntu - nienaruszona (NNS)

wilgotność - naturalna (w_n)

1.2. Badania makroskopowe

nazwa gruntu - glina

barwa gruntu - brązowa

zawartość CaCO₃ > 5% (IV klasa)

wilgotność gruntu - mało wilgotny

rodzaj gruntu - średnio spoisty

stan gruntu - twardoplastyczny (1 × 0 × 0)

2. Pęcznienie

Pęcznieniem gruntu nazywamy zwiększenie jego objętości lub w przypadku niemożliwości rozszerzenia bocznego, wzrost wysokości gruntu, zachodzące pod wpływem wody. Proces pęcznienia jest charakterystyczny przede wszystkim dla gruntów spoistych i organicznych. Grunty sypkie nie pęcznieją zupełnie lub też pęcznieją bardzo słabo, co jest związane z obecnością domieszek minerałów ilastych lub substancji organicznej. Grunty mające zdolność do pęcznienia i kurczenia pod wpływem zmian wilgotności określane są jako grunty ekspansywne, a pęcznienie jako ekspansja.

Zdolność do pęcznienia gruntów spoistych wzrasta ze wzrostem zawartości w nich frakcji iłowej, bowiem jest ono wynikiem wiązania wody przez cząstki ilaste. W procesie pęcznienia wraz ze zwiększaniem objętości gruntów zmniejszają się siły przyciągania między cząstkami mineralnymi, co w końcowym stadium pęcznienia - w odpowiednich warunkach - może doprowadzić do rozmakania gruntu. Wielkość pęcznienia gruntów spoistych zależy też od ich składu mineralnego (składu mineralnego frakcji iłowej), kompleksu sorpcyjnego oraz chemizmu wody porowej, ciśnienia nadkładu, stopnia konsolidacji i historii geologicznej. Ponieważ proces pęcznienia ma charakter osmotyczny, jego wielkość zależy zarówno od charakteru chemicznego, głównie stopnia mineralizacji roztworów porowych gruntu (będącego między innymi odzwierciedleniem zawartości w gruncie soli łatwo rozpuszczalnych), jak i charakteru wody wywołującej pęcznienie, czyli roztworu otaczającego grunt. Pęcznienie zachodzi tylko wtedy, gdy roztwór zewnętrzny jest słabiej zmineralizowany i jest tym większe, im wyższa jest różnica stężeń między tymi roztworami.

Charakterystyki pęcznienia (ekspansji gruntów) można dokonywać różnymi metodami (w zależności od celu badania i dostępnej aparatury), zarówno laboratoryjnymi, jak i obliczeniowymi. Istnieje też duża różnorodność badań pęcznienia, polegająca na różnym ustaleniu stanu, w jakim znajduje się próbka przed przystąpieniem do badania (NS i NNS), różnej wilgotności początkowej próbki (powietrznosucha, naturalna, optymalna), różnym ciśnieniu wywieranym na próbkę podczas badania.

Najczęściej stosowanymi parametrami dla oznaczenia zdolności do pęcznienia gruntu są:

• wskaźnik pęcznienia - 1 (E_p%)

• wskaźnik pęcznienia - 2 (I_s)

• potencjał pęcznienia (S%)

• wskaźnik ekspansji (EI)

• pęcznienie swobodne (FS)

• wilgotność pęcznienia (końcowa) (w_f)

• ciśnienie pęcznienia (σ_sp, kPa)

• wykres pęcznienia

2.1. Ciśnienie pęcznienia

2.1.1. Definicje

1. Ciśnienie równe takiemu obciążeniu, przy którym nie obserwuje się wzrostu objętości (wysokości) próbki gruntu, będącej w kontakcie z wodą (zgodna z met. C)

2. Ciśnienie, które powoduje powrót próbki po spęcznieniu do jej pierwotnego stanu (zgodna z met. A i B)

2.1.2. Bezpośrednie metody badania zmian deformacyjnych gruntów

Norma amerykańska ASTM 4546-90 podaje trzy metody A, B, C, dotyczące badania pęcznienia: pęcznienia początkowego i wtórnego, pęcznienia swobodnego, podniesienia, osiadania i ciśnienia pęcznienia.

Metoda A

Stosowana jest, gdy próbka pod ciśnieniem wstępnym σ_se równym co najmniej 1 kPa (wywieranym przez kopułkę wraz z górnym filtrem) jest nasycana wodą i pęcznieje do momentu, aż pęcznienie początkowe zakończy się. Następnie wywiera się na nią ciśnienie dotąd, aż osiągnie ona wartość wskaźnika porowatości początkowej. Metoda pozwala wyznaczyć:

• pęcznienie początkowe i pęcznienie wtórne

• pęcznienie swobodne

• podniesienie, w przedziale ciśnień od wartości ciśnienia pionowego (σ) do wartości ciśnienia pęcznienia

• ciśnienie pęcznienia

Metoda B

Stosowana jest, gdy ciśnienie pionowe (σ) przekazywane na próbkę przewyższa wartość ciśnienia wstępnego (σ_se ) i jest wywierane na nią przed nasyceniem wodą w konsolidometrze (edometrze). Metoda ta pozwala wyznaczyć:

• podniesienie lub osiadanie pod danym ciśnieniem pionowym

• ciśnienie pęcznienia

Metoda C

Metoda stosowana, gdy próbka ma utrzymaną stałą wysokość przez wywieranie ciśnienia pionowego po nasyceniu jej wodą, które równoważy ciśnienie pęcznienia (σ_sp ). Metoda ta pozwala wyznaczyć:

• ciśnienie pęcznienia

• ciśnienie prekonsolidacyjne

• skorygowane ciśnienie pęcznienia

• podniesienie lub osiadanie w zakresie wywieranych ciśnień pionowych

• wskaźnik pęcznienia

Badanie ciśnienia pęcznienia w aparacie firmy Geonor (zgodne z met. C)

Geonor to automatyczny aparat do badania ciśnienia pęcznienia (Automatic Swelling Pressure Test Apparatus h-200A) produkcji norweskiej firmy Geonor. Pozwala on na bezpośredni pomiar ciśnienia pęcznienia próbek gruntu o strukturze nienaruszonej, naruszonej oraz sproszkowanych. Aparat może być też wykorzystywany do:

• pomiarów edometrycznych z możliwością stosowania stopniowego lub ciągłego przyrostu obciążenia oraz ciągłej rejestracji odkształcenia

• pomiarów ciśnienia porowego

• pomiarów przepuszczalności gruntów spoistych

• zagęszczania próbek gruntów

W wyniku przeprowadzonego badania otrzymano wartość maksymalną ciśnienia przeciwdziałającego pęcznieniu próbki. Zależy ona od wyjściowych parametrów fizycznych, z których najważniejsze są wilgotność i gęstość objętościowa.

Wilgotność początkową oznacza się zgodnie z normą PN-88/B-04481 według wzoru:

gdzie:

w₀ - wilgotność początkowa [%], w tym przypadku równa wilgotności naturalnej w_n

m_mt - masa naczynka z gruntem wilgotnym [g]

m_st - masa naczynka z gruntem suchym [g]

m_t - masa naczynka pustego [g]

Gęstość objętościową początkową oblicza się na podstawie wykonanych pomiarów, w czasie przygotowania próbki do badań ze wzoru:

gdzie:

ρ₀ - gęstość objętościowa początkowa [Mg / m³]

m_mt - masa pierścienia z gruntem w stanie naturalnym [g]

m_t - masa pierścienia pustego [g]

m_m - masa próbki gruntu w stanie naturalnym [g]

V - objętość próbki [cm³]

V_p - objętość pierścienia [cm³], przy czym V_p = V

d_p - wewnętrzna średnica pierścienia [cm]

h_p - wysokość pierścienia [cm]

Gęstość objętościową szkieletu gruntowego można obliczyć znając gęstość objętościową początkową i wilgotność początkową wg wzoru:

gdzie:

ρ_d - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego [Mg / m³]

ρ₀ - gęstość objętościowa początkowa [Mg / m³]

w₀ - wilgotność początkowa [%]

Obliczenie gęstości objętościowej końcowej umożliwiają pomiary masy próbki po zakończeniu badania:

gdzie:

ρ_f - gęstość objętościowa końcowa [Mg / m³]

m_f - masa próbki końcowa [g]

V - objętość próbki [cm³]

Wilgotność końcową można obliczyć znając gęstość objętościowa końcową i gęstość objętościową szkieletu gruntowego badanej próbki, odpowiednio przekształcając wzór na gęstość objętościową szkieletu gruntowego.

gdzie:

wf - wilgotność końcowa [%]

ρ_f - gęstość objętościowa końcowa [Mg / m³]

ρ_d - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego [Mg / m³]

Wyniki badań laboratoryjnych

pierścień:

d_p= 5,04cm

h_p= 1,95cm

m_mt= 117,52g

m_t= 38,76g

m_{mt 2}= 118,47g

m_f = m_{mt 2} - m_t=79,71g

m_mt - masa pierścienia z gruntem w stanie naturalnym [g]

m_{mt 2} - masa pierścienia z gruntem po zakończeniu badania [g]

próbka nr 241(wilgotność początkowa = naturalna):

m_mt = 19,72 g

m_st = 18,31 g

m_t = 11,88 g

próbka nr 242 (wilgotność końcowa):

m_mt = 25,23 g

m_st = 23,18 g

m_t = 14,43 g

TABELA + WYKRES

Ryc. 1 Wykres pęcznienia w czasie na podstawie przeprowadzonego badania za pomocą aparatu Geonor

Miejsce pobrania próbek	Nazwa genetyczna	Rodzaj próbki	Wilgotność naturalna wn [%]	Gęstość objętościowa początkowa ρ0 [Mg/m^3]	Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego ρd [Mg/m^3]	Ciśnienie wstępne σse [kPa]	Ciśnienie pęcznienia σsp [kPa]	Wilgotność końcowa wf [%]	Gęstość objętościowa końcowa gleby ρf [Mg/m^3]
Płock	Glina lodowcowa	wn, NNS	22	2,02	1,66	7,375	19,25	23,43	2,05

Ryc. 2 Tabelaryczne podsumowanie badanych parametrów próbki gruntu (glina lodowcowa, Płock)

Z przeprowadzonych badań ciśnienia pęcznienia próbki gruntu (gliny lodowcowej) przy użyciu aparatu firmy Geonor wynika, że wartość ciśnienia pęcznienia σ_sp wynosi 19,25 kPa. Korzystając z nomogramu (rys.1) przedstawiającego zależność pęcznienia (Is) i granicy płynności (w_l) wynika, że wartość ciśnienia pęcznienia σ_sp powinna mieścić się w zakresie 150-300 kPa. Uważam, że tak duża rozbieżność wyników pomiędzy aparatem Geonor i nomogramem spowodowana jest tym, iż nomogram nie bierze pod uwagę wstępnej wilgotności naturalnej gruntu.

2.1.4. Pośrednie metody badania i oceny zmian deformacyjnych gruntów

Nomogram do oceny ciśnienia pęcznienia

Opiera się na zależności między wskaźnikiem pęcznienia (I_S) a granicą płynności (w_L). Wskaźnik pęcznienia opisuje zdolność do pęcznienia gruntu i oblicza się go wg wzoru:

gdzie:

I_S - wskaźnik pęcznienia

w_n - wilgotność naturalna [%]

w_L - granica płynności [%]

w_L = 65 %

w_n = 22%

w_L = 65%

I_S = 0,34

Rys. 1. Zależność między wskaźnikiem pęcznienia (I_S) a granicą płynności (w_L) (wg Vijayvergiya i Ghazzaly'ego, 1973; Chen, 1988)

* ciśnienie pęcznienia przeliczono wg SI

---