POLITECHNIKA WROCŁAWSKA

WYDZIAŁ BLiW

LABORATORIUM MECHANIKI GRUNTÓW

LABORATORIUM Z MECHANIKI GRÓNTÓW

BADANIE GRANIC KONSYSTENCJI

PROWADZĄCY: WYKONAŁ:

dr MACIEJ HAWRYSZ ZDZISŁAW POPRAWA

WOJCIECH WÓJCIK

rok III gr.9

1999/2000

Wstęp teoretyczny

1. Granice konsystencji.

Grunty spoiste w zależności od składu mineralnego oraz ilości zawartej w nim wody może mieć jedna z trzech konsystencji, a więc zwartą (stan zwarty lub półzwarty), plastyczną (stan twardoplastyczny, plastyczny lub miękkoplastyczny) lub płyną (stan płynny).

Wilgotność gruntu między poszczególnymi stanami jest wilgotnością graniczną, oddzielającą poszczególne stany od siebie. Przyjęto następujące nazwy granic konsystencji (wg Atterberga):

-między stanem zwartym a półzwartym - granica skurczalności,

-między stanem półzwartym a plastycznym - granica plastyczności,

-między stanem plastycznym a płynnym - granica płynności.

Oznaczanie wilgotności, odpowiadającej poszczególnym granicom, wykonuje się w celu ustalenia stanu gruntu, w jakim on się znajduje w złożu.

1.1Granica skurczalności.

Granica skurczalności w_s jest to wilgotność, po osiągnięciu której, pomimo dalszego wysychania, grunt nie zmienia swojej objętości, zmieniając jednocześnie barwę na jaśniejszą.

1.1.1 Wyznaczenie granicy skurczalności.

Z próbki typu A należy pobrać dwie próbki o objętości 20-30 cm³. Próbki gruntu należy umieścić w parowniczkach i suszyć powoli w temperaturze pokojowej do stanu powietrzno suchego, a następnie w suszarce w temperaturze 105-110^oC do stałej masy. Po schłodzeniu w eksykatorze należy oznaczyć masy próbek oraz objętość (w naczyniu pomiarowym z rtęcią lub w wodzie).

Granicę skurczalności należy obliczyć ze wzoru:

gdzie: ρ_w - gęstość właściwa wody w porach gruntu (1,0 g/cm³),

ρ_s - gęstość właściwa szkieletu gruntowego (obliczona w piknometrze ),

ρ_d - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego.

Za wynik ostateczny należy przyjąć średnią arytmetyczną wartości uzyskanych z badania obu próbek, jeżeli różnica wyników nie przekroczy 5% wartości średniej. Jeżeli tak nie jest dwa dodatkowe oznaczenia i jako wynik przyjąć średnią arytmetyczną trzech najmniej różniących się wartości.

1.2 Granica plastyczności.

Granica plastyczności (w_p) jest to wilgotność, jaką posiada grunt na granicy stanu półzwartego i twardoplastycznego, czyli na granicy konsystencji zwartej i plastycznej.

Po uzyskaniu przez grunt, podczas wałeczkowania, granicy plastyczności, wałeczek pęka po osiągnięciu średnicy około 3mm.

1.2.1 Oznaczenie granicy plastyczności.

Z próbki typu A należy wydzielić próbkę o masie około 50g. W przypadku gdy grunt jest zbyt suchy należy go nasycić wodą destylowaną, a gdy jest zbyt wilgotny należy go podsuszyć w temperaturze pokojowej.

Wałeczkowanie należy przeprowadzać tak jak w badaniach makroskopowych. Czynność wałeczkowania należy powtarzać tak długo, aż wałeczek ulegnie wyraźnemu uszkodzeniu. Przeprowadzamy tyle wałeczkowań, aż w dwu tygielkach zbierze się co najmniej po 5-7g gruntu. Po zakończeniu wałeczkowania, w czasie którego naczyńka muszą być szczelnie przykryte, próbki należy wysuszyć w temperaturze 105-110°C do stałej masy i po ochłodzeniu w eksykatorze wilgotność gruntu w obu naczyńkach obliczamy wg wzoru:

gdzie: m_mt - masa naczyńka z próbką gruntu przed suszeniem,

m_st - masa naczyńka z próbką gruntu po wysuszeniu,

m_t - masa naczyńka.

Granicę plastyczności należy przyjąć jako równą średniej arytmetycznej z obu oznaczeń.

Jeżeli różnica wilgotności z obu oznaczeń przekroczy 10% względnych wartości średniej, należy przeprowadzić dwa dodatkowe oznaczenia, a jako wartość końcową przyjąć średnią arytmetyczną z trzech najmniej różniących się wartości.

1.3 Granica płynności

Granica płynności (w_L) jest to wilgotność, jaką ma grunt na granicy stanu miękkoplastycznego i płynnego, czyli na granicy konsystencji plastycznej i płynnej.

1.3.1 Oznaczenie granicy plastyczności aparatem Casagrande'a.

Z próbki typu A należy wydzielić próbkę o masie około 100g. Próbkę gruntu należy umieścić w parowniczce i zalać wodą destylowaną. Po upływie co najmniej 20 godzin nasycony wodą grunt należy wymieszać do uzyskania jednorodnej pasty.

Tak przygotowany grunt należy nakładać do miseczki aparatu wypełniając przednią jej część. Łączna masa miseczki i gruntu powinna wynosić około 210g. W gruncie należy wykonać bruzdę w kierunku prostopadłym do osi obrotu miseczki. Następnie należy obracać korbką aparatu z szybkością 2obr./s. Ilość uderzeń liczymy do chwili zlania się brzegów bruzdy na długości 10mm i wysokości 1mm. Następnie ze środka bruzdy należy pobrać do tygielka około 10g gruntu i oznaczyć jego wilgotność. Badanie to należy wykonywać co najmniej pięciokrotnie regulując dodawanie wody aby liczba uderzeń była w granicach 12-35. Po oznaczeniu wilgotności dla każdej próbki, należy sporządzić wykres liczby uderzeń od wilgotności. Punkt przecięcia wykreślonej linii z linią odpowiadającą 25 uderzeniom określa wilgotność równą granicy płynności.

1.3.2 Oznaczenie granicy płynności (
) według Wasiliewa.

Należy przygotować próbkę gruntu jak dla aparatu Casagrande'a. Tak przygotowany grunt nakładamy do naczynia cylindrycznego i wyrównujemy powierzchnię. Następnie ostrzem stożka dotykamy powierzchni próbki i pozwalamy zagłębiać mu się pod własnym ciężarem. Po około 5 sekundach ustalamy poziom zagłębienia i pobieramy grunt do oznaczenia wilgotności.

Jeżeli odczytane zagłębienie wynosi:

-10mm - powtarzamy badanie na tej samej próbce,

-między 8 a 10mm - do pasty należy dodać nieco wody i przeprowadzić dwukrotne zagłębianie przy różnych wilgotnościach,

-między 10 a 12mm - należy podsuszyć pastę i przeprowadzić dwukrotne zagłębianie przy różnych wilgotnościach,

-mniejsze od 8 lub większe niż 12mm - pomiar nie uwzględniamy.

Jeżeli w obu badaniach uzyskano zagłębienie 10mm to za wynik należy przyjąć średnią arytmetyczną wilgotności gruntu przy obu oznaczeniach. W przypadku różnych wyników zagłębienia lecz między 8 a 12mm to wyniki należy przedstawić na wykresie przy zależności zagłębienia od wilgotności, punkt przecięcia wykreślonej prostej z odciętą 10mm określa na osi rzędnych wilgotność równą granicy płynności.

1.4 Wskaźnik plastyczności.

Wskaźnik plastyczności jest to różnica wilgotności pomiędzy granicą płynności i plastyczności:

I_P= w_L- w_P [%]

Wskaźnik plastyczności wskazuje ile wody (w stosunku do masy szkieletu) wchłania grunt przy przejściu przez konsystencję plastyczną. Grunt o niskim wskaźniku plastyczności mogą łatwo się upłynniać już przy nieznacznym zawilgoceniu.

Na podstawie znajomości wskaźnika plastyczności i zawartości frakcji iłowej można określić spoistość gruntu.

1.5 Stopień plastyczności.

Stopniem plastyczności nazywamy stosunek różnicy wilgotności danego gruntu i granicy plastyczności do wskaźnika plastyczności, czyli różnicy granicy płynności i granicy plastyczności:

I_L=(w-w_P)/I_P=(w-w_P)/(w_L-w_P) [-]

W zależności od stopnia plastyczności i wilgotności badanego gruntu spoistego można określić stan gruntu.

1. Stopień zagęszczenia gruntów sypkich.

Stopniem zagęszczenia nazywa się stosunek zagęszczenia istniejącego w warunkach naturalnych do największego możliwego zagęszczenia danego gruntu. Stopień zagęszczenia oblicza się ze wzoru :

gdzie: e_max -wskaźnik porowatości gruntu luźno usypanego ,

e - wskaźnik porowatości gruntu w stanie naturalnym ,

e_min - wskaźnik porowatości gruntu maksymalnie zagęszczonego,

Stopień zagęszczenia zależy od składu granulometrycznego gruntu, porowatości, kształtu ziaren i wielu innych czynników. Wartość tę wyznacza się w celu określenia nośności gruntu. Stopień zagęszczenia gruntu luźno usypanego jest równy zero, a gruntu maksymalnie zagęszczonego jest równy jeden.

1.6.1 Oznaczenie wskaźnika porowatości gruntu w stanie naturalnym.

Wskaźnikiem porowatości gruntu, nazywa się stosunek objętości porów zawartych w danym gruncie do objętości szkieletu gruntowego.

gdzie: ρ_s- gęstość właściwa szkieletu gruntowego,

ρ_d- gęstość objętościowa szkieletu gruntowego,

Wynika z tego, że chcąc wyznaczyć wskaźnik porowatości, należy wyznaczyć gęstość objętościową i właściwą szkieletu gruntowego. Sposoby wyznaczania tych właściwości zostały przedstawione w poprzednim sprawozdaniu na podstawie PN-88/B-04481.

1.6.2 Oznaczanie wskaźnika porowatości gruntu luźno usypanego oraz gruntu maksymalnie zagęszczonego.

• Pobiera się próbkę gruntu o objętości co najmniej 600 cm³ i suszy do stałej masy w temp. 105-110^oC.

• Wysuszony piasek przesiewa się przez sito o wymiarach oczek 5mm.

• Wyznacza się wewnętrzną objętość cylindra V za pomocą suwmiarki.

• Waży się pusty cylinder.

• Przesiany piasek wsypuje się do cylindra przez lejek, który początkowo opiera się o dno cylindra i stopniowo podnosi, w miarę napełniania cylindra, trzymając lejek stale na powierzchni nasypywanego gruntu.

• Po napełnieniu całego cylindra gruntem powierzchnię gruntu wyrównuje się nożem, równo z krawędzią cylindra.

• Waży się cylinder z gruntem.

• Na powierzchni gruntu w cylindrze ustawia się tłok i przeprowadza zagęszczenie gruntu przez 1 min., uderzając widełkami wibracyjnymi o ścianki naczynia, początkowo lekko i wolno, a następnie silnie i szybko.

• Po 30 s zagęszczania mierzy się za pomocą suwmiarki zagłębienie tłoka i zagęszcza znowu, powtarzając tę czynność kilka razy.

• Uznaje się, że grunt został maksymalnie zagęszczony jeśli trzy kolejne pomiary zagłębienia tłoka, nie wykazują zmian.

• Po ustaleniu poziomu tłoka oblicza się objętość gruntu zagęszczonego przez odjęcie od objętości cylindra V objętości, o jaką zagęścił się grunt podczas wibrowania (ΔV):

gdzie: d - wewnętrzna średnica cylindra,

h - wysokość cylindra,

Δh - zmniejszenie wysokości próbki po zagęszczeniu,

1.6.3 Obliczanie wyników.

gdzie: ρ_{d min}-gęstość nasypowa szkieletu gruntowego przy najluźniejszym ułożeniu ziaren i cząsteczek obliczana ze wzoru:

gdzie: m_st - masa cylindra z gruntem (g)

m_t - masa cylindra (g)

V - objętość cylindra (cm³)

gdzie: ρ_{d max} -gęstość nasypowa szkieletu przy maksymalnym zagęszczeniu ziaren

i cząstek, oblicza się ze wzoru:

gdzie: ΔV - zmniejszenie się objętości gruntu po wibrowaniu ( cm³ )

W zależności od wartości stopnia zagęszczenia ( I_D ) dzieli się grunty sypkie na ( wg PN-86/B-02480 ):

Luźne I_D ≤ 0,33

Średnio zagęszczone 0,33 < I_D ≤ 0,67

Zagęszczone 0.67 < I_D ≤ 0,80

Bardzo zagęszczone 0,80 < I_D ≤ 1,00

1.7 Określanie stanu gruntów za pomocą sondowania.

Do określania stanu gruntów w warunkach polowych stosuje się sondowanie gruntu. Znane są dwa typy stosowanych sond: statyczne (wciskane) i dynamiczne (wbijane). Najczęściej są stosowane typy sond dynamicznych o końcówce stożkowej, krzyżakowej lub cylindrycznej.

Sondowanie polega na wciskaniu, wbijaniu lub wkręcaniu sondy w grunt, z jednoczesnym pomiarem sił oporu przenikania sondy w grunt w zależności od głębokości wciskania sondy wciskanej lub notowaniu liczby uderzeń na każde 10 cm zagłębienia w grunt końcówki wbijanej sondy lekkiej (SL), 20 cm sondy ciężkiej ( SC) i 30cm sondy o końcówce cylindrycznej (SPT). Opór jaki stawia grunt , zależy od stanu gruntu, czyli od stopnia zagęszczenia lub stopnia plastyczności w zależności od badanego gruntu. Parametrem geotechnicznym sondowania jest siła oporu jaki stawia grunt w przypadku sondy wciskanej lub liczba uderzeń młota sondy wbijanej, użyta do zagłębienia końcówki sondy. Warunki techniczne sond oraz sposób przeprowadzania sondowań podaje: PN- 88/B-04481.

Z uzyskanych wyników sondowania sporządza się wykres lub porównuje z tablicami normowymi, na podstawie których możemy określić stan gruntu.

W interpretacji sondowań sondami wbijanymi nie należy uwzględniać następujących wyników:

• Sondowania w zakresie głębokości do 1,0 - 1,5 m ppt.

• Sondowań w zakresie głębokości ±1,0 m w stosunku do poziomu zwierciadła wody gruntowej w gruntach niespoistych.

• Znacznie zwiększonej liczby uderzeń N na krótkich odcinkach głębokości, w gruntach mogących zawierać kamienie np. w utworach lodowcowych.

Opracowanie wyników

Wyniki przeprowadzonych oznaczeń, a więc wilgotności gruntu, granicy plastyczności, granicy płynności, a także obliczenia stopnia i wskaźnika plastyczności dołączone są na osobnym formularzu.

Wnioski

Na podstawie przeprowadzonych oznaczeń wynika iż badany grunt był gruntem średnio spoistym w stanie plastycznym.

Stosunkowo niski wskaźnik plastyczności wskazuje, że grunt ten przy niewielkim zawilgoceniu może się upłynnić, co nie jest korzystne dla gruntu budowlanego.

Uwagi o metodzie:

W przypadku oznaczenia granicy płynności metodą Casagrande'a możliwe jest popełnianie błędów, gdyż jest to najstarsza metoda badania granic konsystencji, zawiera elementy subiektywności (np. przy ocenie zlewania się bruzd). Trudno było również w naszym przypadku oznaczyć granicę plastyczności, gdyż grunt był zbyt wilgotny, a nie mieliśmy możliwości (czasowych) podsuszania gruntu.

Mimo to z otrzymanych wyników widać iż oznaczenia wykonane zostały poprawnie, gdyż spełnione zostały warunki błędów oraz warunek:

w_P<w_n<w_L

Literatura:

J. Waluk „Laboratorium z mechaniki gruntów”,

E. Myślińska „Laboratorium badania gruntów”.

---