PODSTAWOWE CECHY FIZYCZNE GRUNTU
Wilgotność, gęstość właściwą i gęstość objętościową. Cechy te wyznacza się na podstawie badań laboratoryjnych.
Można od nich obliczyć cechy pochodne: gęstość objętościową szkieletu gruntowego, porowatość, wskaźnik porowatości i wilgotność całkowitą. Znajomość podstawowych cech fizycznych jest niezbędna do określania: stopnia wilgotności, stopnia zagęszczenia, stopnia plastyczności i wskaźnika zagęszczenia.
Ośrodek gruntowy jest zbiorowiskiem oddzielnych ziarn i cząstek, między którymi znajdują się pory wypełnione najczęściej wodą zawierającą pęcherzyki powietrza. Zależności:
gdzie:
V — objętość gruntu; Vs — objętość szkieletu gruntowego; Vw — objętość wody; Va — objętość powietrza; Vp=Vw+Va — objętość porów; mm — masa gruntu wilgotnego; ms — masa szkieletu cząstek gruntowych; mw — masa wody.
WILGOTNOŚĆ GRUNTU
Wilgotnością gruntu nazywa się stosunek masy wody mw zawartej w jego porach do masy szkieletu gruntowego ms.
W warunkach laboratoryjnych wilgotność gruntu oznacza się metodą suszenia w temperaturze 105 - 110°C. W tej temperaturze z gruntu ustępuje woda wolna, kapilarna i błonkowata. Czas suszenia do stałej masy wynosi od kilku do kilkunastu godzin, zależnie od spoistości gruntu.
Wilgotność gruntu oprócz metody suszenia można określać metodami przyspieszonymi, szczególnie przydatnymi w warunkach terenowych, a mianowicie za pomocą:
— aparatu karbidowego; — piknometru wodnego; — piknometru powietrznego' — aparatury elektronicznej; — aparatury radioizotopowej.
Wilgotność, jaką ma grunt w stanie naturalnym, nazywa się wilgotnością naturalną wn. Dla gruntów gruboziarnistych i kamienistych, w przypadku niemożności bezpośredniego określenia wilgotności metodą suszenia, ze względu na potrzebę suszenia dużych mas gruntu, można stosować metodę laboratoryjno - obliczeniową. Polega na obliczeniu ogólnej wilgotności gruntu na podstawie znanej wilgotności frakcji drobnej wd określanej z badań laboratoryjnych i wilgotności odrzuconej frakcji grubej w (w przyjmuje się za równą nasiąkliwości ziam) oraz procentowej zawartości frakcji drobnej Pd wg wzoru:
W przypadku odrzuconych ziam o porowatości n^O przyjmuje się do wzoru (4.12)^=0.
4.4.3. GĘSTOŚĆ WŁAŚCIWA
Gęstością właściwą gruntu p^ nazywa się stosunek masy suchego szkieletu gruntowego m^ do jej objętości V^. Oblicza się ją wg wzoru:
Gęstość właściwą gruntu oznacza się za pomocą piknometru (rys. 4.5) zgodnie z wymaganiami PN-88/B-04481 [29]. Do badań przygotowuje się jednorodną próbkę wysuszonego i sproszkowanego gruntu o masie 25 - 50 g, zależnie od rodzaju gruntu.
Po wykonaniu niezbędnych oznaczeń gęstość właściwą gruntu oblicza się wg wzoru:
gdzie:
m — masa piknometru i gruntu wysuszonego przy temperaturze 105 - 110°C, m^ — masa piknometru napełnionego do kreski wodą destylowaną przy temperaturze, w której oznaczono m , m — masa piknometru z gruntem i wodą wypełniającą piknometr do kreski, m, — masa piknometru wysuszonego przy tempereturze 105- 110°C, P w ~ gęstość właściwa wody.
Gęstość właściwa gruntu zależy od składu mineralnego gruntu lub skały i wynosi od 1,4 do 3,2 g/cm3. Dla gruntów mineralnych p^= 2,65-2,78 g/cm3.
4.4.4. GĘSTOŚĆ OBJĘTOŚCIOWA
Gęstość objętościowa gruntu p jest to stosunek masy próbki gruntu do objętości tej próbki łącznie z porami. Gęstość objętościową określa się ze wzoru:
gdzie:
m^ — masa próbki gruntu,
V — objętość próbki.
Gęstość objętościowa gruntów jest wartością zmienną, zależną od porowatości, wilgotności i gęstości właściwej. Orientacyjne wartości gęstości objętościowych
gruntów podano w tabl. 4.2, oraz wybranych gruntów spoistych i organicznych na rys. 4.6 i 4.7.
Gęstość objętościową gruntów oznacza się na próbkach o nienaruszonej strukturze (NNS). W laboratorium, zależnie od cech gruntu i wielkości dostarczonej próbki, gęstość objętościową można oznaczyć wg normy [29] jedną z następujących metod:
— ważenie w cieczach organicznych,
— ważenie w wodzie próbki oparafinowanej (objętość próbki 20 - 30 cm3),
— oznaczanie w pierścieniu i cylindrze,
— oznaczanie w rtęci.
W gruntach kamienistych i żwirach pobranie próbki cylindrem jest prawie niemożliwe, w tym przypadku gęstość objętościową można wyznaczyć metodą dołka, ważąc wydobyty grunt i mierżąc jego objętość jedną z następujących metod [20, 22]:
— piasku kalibrowanego,
— aparatu membranowego,
— folii i wody.
W celu uzyskania miarodajnych wyników objętość dołka powinna być odpowiednio duża. Przyjmuje się, że średnica dołka w kształcie czaszy powinna być 5 razy większa od średnicy maksymalnych ziarn w gruncie.
Oprócz wyżej przedstawionych metod, do pomiaru gęstości objętościowej stosuje się nie niszczące metody radioizotopowe. Badania można wykonywać w otworze badawczym i powierzchniowo (sondy otworowe i sondy powierzchniowe [4, 10, 22]).
4.5. CECHY FIZYCZNE POCHODNE OD CECH PODSTAWOWYCH
4.5.1. GĘSTOŚĆ OBJĘTOŚCIOWA SZKIELETU GRUNTOWEGO
Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego p^ jest to stosunek masy szkieletu gruntu w danej próbce do jej objętości pierwotnej (razem z porami). Wyznacza się ją ze wzoru:
gdzie:
m — masa próbki wysuszonej do stałej wagi w temperaturze 105 - 110°C,
V — objętość próbki gruntu przed wysuszeniem,
p - gęstość objętościowa gruntu,
w^ — wilgotność gruntu, %.
Znajomość p^ jest konieczna do obliczania porowatości i wskaźnika porowatości oraz wskaźnika zagęszczenia nasypów.
4.5.2. POROWATOŚĆ GRUNTU
Porowatość gruntu n jest to stosunek objętości porów V w danej próbce gruntu do jej całkowitej objętości V. Porowatość oblicza się ze wzoru:
Wobec trudności występujących podczas bezpośredniego pomiaru objętości porów V i objętości szkieletu Vy wykorzystuje się metodę pośrednią, wyprowadzając wzór na n na podstawie zależności (4.10a), (4.13) i (4.16) wynikających z rys. 3.5,
Porowatość gruntów zależy od struktury gruntu (rys. 4.8). Grunty o strukturze ziarnistej (piaski, żwiry) mają mniejszą porowatość niż grunty spoiste, których cząstki tworzą przeważnie strukturę komórkową lub Maczkową.
Przy założeniu, że grunt składa się z ziam kulistych o jednakowych średnicach, maksymalną porowatość (ttm^a=^'^<^^ uzyskuje się w przypadku kuł ułożonych w siatkę sześcianów (rys. 4.9a), a minimalną (ra^ =0,258), gdy środki kuł są ułożone w wierzchołkach romboedrów (rys. 4.9b). Z powyższego wynika, że porowatość gruntu równoziamistego nie zależy od wielkości średnic ziarn, lecz tylko od sposobu ich ułożenia.
Porowatość równoziamistych piasków i żwirów mieści się w zakresie podanym powyżej, piaski różnoziamiste mogą mieć porowatość mniejszą.
4.5.3. WSKAŹNIK POROWATOŚCI GRUNTU
Wskaźnikiem porowatości gruntu e nazywa się stosunek objętości porów Vp do objętości cząstek gruntu (szkieletu gruntowego) V^. Wskaźnik porowatości oblicza się ze wzoru:
Wskaźnik porowatości gruntów niespoistych waha się w granicach 0,3 -1,0, a w gruntach spoistych może być znacznie większy. Zależność pomiędzy n i e przedstawiono na rys. 4.10.
4.5.4. WILGOTNOŚĆ CAŁKOWITA GRUNTU
Grunt ma wilgotność całkowitą, gdy jego pory są całkowicie wypełnione wodą. Wilgotność całkowitą w^ oblicza się ze wzoru:
4.6. STOPIEŃ WILGOTNOŚCI I STANY ZAWILGOCENIA GRUNTÓW
Stopień wilgotności gruntu S^. określa stopień wypełnienia porów gruntu przez wodę. Oblicza się go ze wzoru:
Zależnie od stopnia wilgotności 5,. w normie [27] rozróżniono następujące stany zawilgocenia gruntów niespoistych:
suchy, jeżeli S,. = O, mało wilgotny, jeżeli O < S^. <. 0,4, wilgotny, jeżeli 0,4 <S^ 0,8, nawodniony, jeżeli 0,8 < S ź 1,0.
4.7. STOPIEŃ ZAGĘSZCZENIA I STANY GRUNTÓW NIESPOISTYCH
4.7.1. DEFINICJA STOPNIA ZAGĘSZCZENIA
Stopień zagęszczenia gruntów niespoistych Ip jest to stosunek zagęszczenia występującego w stanie naturalnym do największego możliwego zagęszczenia danego gruntu.
Zagęszczenie gruntu w stanie naturalnym określa się jako różnicę objętości próbki gruntu w stanie najbardziej luźnym V i naturalnym V. Największym możliwym zagęszczeniem gruntu określa się różnicę objętości próbki gruntu w stanie najbardziej luźnym V^^ i najbardziej zagęszczonym V^. Zależności te przedstawiono na rys. 4.11.
Stopień zagęszczenia oblicza się po uwzględnieniu zależności z rys. 4.11 wg wzoru
gdzie:
e^ — wskaźnik porowatości maksymalnej obliczany dla gęstości objętościowej p^m przy najbardziej luźno usypanym gruncie suchym, e^ — wskaźnik porowatości minimalnej obliczany dla gęstości objętościowej
Pdmax P^y "możliwie największym zagęszczeniu gruntu suchego przez
wibrację (bez niszczenia ziam), e — wskaźnik porowatości naturalnej odpowiadający p^.
4.7.2. LABORATORYJNE METODY OZNACZANIA STOPNIA ZAGĘSZCZENIA
Oznaczanie granicznych gęstości objętościowych szkieletu gruntowego P^nim i p^pym niezbędnych do obliczenia granicznych wskaźników porowatości e^^ i e^ niespoistych gruntów drobnoziarnistych przeprowadza się zgodnie z normą [29] w metalowym cylindrze o znanych wymiarach, zaopatrzonym w tłok (rys. 4.12).
Gęstość p^m określa się przez nasypanie do cylindra, przy użyciu lejka, wysuszonego gruntu. Po zważeniu cylindra z gruntem ustawia się na powierzchni gruntu tłok i przeprowadza zagęszczanie przez l min, uderzając widełkami o ściana cylindra. Grunt uznaje się za zagęszczony do p^p^, jeżeli trzy kolejne pomiary zagłębienia tłoka po każdorazowym dodatkowym 30-sekundowym zagęszczaniu nie wykazują zmian.
Przedstawiona metoda oznaczania p^^ i P^niax ma zastosowanie do niespoistych gruntów drobnoziarnistych o zawartości największych ziarn d =2-5 mm poniżej 5%.
Badania p^^ i p^„ gruntów gruboziarnistych i kamienistych przeprowadza się w cylindrze wielkowymiarowym o średnicy D^5d^ (d^ - średnica największych ziam w gruncie), [20].
Oznaczenie p^m polega na luźnym usypaniu zważonego suchego gruntu do cylindra na wysokość h=D. Grunt do cylindra sypie się ze stałej wysokości (20 cm) nad powierzchnią wcześniej nasypanej warstwy. Oznaczanie p. wykonuje się metodą wibracji gruntu w cylindrze na stole wibracyjnym zapewniającym amplitudę 0,4 mm i częstotliwość 74 Hz (rys. 4.13). Po oznaczeniu p^^ i umieszczeniu cylindra z gruntem na stole wibracyjnym ustawia się na górnej powierzchni płytę, zadaje przez sprężynę nacisk o = 15 kPa i wibruje przez 2 min. Następnie przerywa się wibrację, dociska sprężynę do o = 15 kPa i ponownie wibruje przez 3 min. Po zakończeniu wibracji określa się wysokość i objętość próbki oraz p^ni^.
Na podstawie badań [12] można stwierdzić, że dla niespoistych gruntów drobnoziarnistych występuje proporcjonalna zależność pomiędzy n^^ i n^ (rys. 4.14). Autor dla gruntów gruboziarnistych i kamienistych ustalił zależność p^m,/ Prfnm od wskaźnika różnoziamistości U (rys. 4.15).
4.7.3. STANY GRUNTÓW NIESPOISTYCH
Zależnie od stopnia zagęszczenia w normie [27] rozróżniono cztery stany zagęszczenia gruntów niespoistych, a mianowicie:
luźny O < iq <. 0,33 ,
średnio zagęszczony 0,33 < I p ^ 0,67,
zagęszczony 0,67 < 7y $ 0,8,
bardzo zagęszczony I p > 0,8 . Maksymalna wartość I p = 1,0.
4.7.4. OZNACZANIE STOPNIA ZAGĘSZCZENIA METODĄ SONDOWANIA
Należy zaznaczyć, że pobieranie próbek gruntu niespoistego o strakturze NNS nastręcza wiele trudności lub wręcz jest niemożliwe (np. grunt luźny występujący poniżej poziomu wody gruntowej). W związku z powyższym, do określania stopnia zagęszczania stosuje się metody sondowania. Sondowanie ma na celu określenie stanu gruntów na różnych głębokościach (max 10-30 m). Wykonuje się pomiar oporu końcówek sond przy ich zagłębianiu w grunt. Ze względu na sposób wprowadzania sond w grunt rozróżnia się sondy wciskane, wkręcane i wbijane - tzw. udarowe [22, 28]. W Polsce najbardziej popularne są sondy wbijane i one zostaną tu omówione. Sondy wbijane, zależnie od stosowanych końcówek dzieli się na stożkowe, które mogą być lekkie (SL) i ciężkie (SC), krzyżakowe (ITB-ZW) i cylindryczne (SPT).
Sondowanie polega na wbijaniu sondy z odpowiednią końcówką (rys. 4.16) uderzeniami młota o masie dla sondy SL = 10 kg, ITB-ZW = 22 kg oraz SC i SPT = 65 kg, przy wysokości opadania odpowiednio 50, 25 i 75 cm. W czasie sondowania notuje się liczbę uderzeń N^ potrzebną do zagłębienia na głębokość x = 10, 20 i 30 cm odpowiednio dla sondy SL i ITB-ZW (N^y), SC (Nyy) i SPT (Ny,). Sondowanie sondą SPT wykonuje się w otworze wiertniczym ze względu na konieczność pogłębiania otworu. Na podstawie określonej z badań liczby uderzeń młota danej sondy, dla odpowiedniego zagłębienia określa się stan gruntu z tabl. 4.3.
4.8. GRANICE KONSYSTENCJI, WSKAŹNIK I STOPIEŃ PLASTYCZNOŚCI, STANY GRUNTÓW SPOISTYCH
4.8.1. GRANICE KONSYSTENCJI
Rozróżnia się trzy konsystencje gruntów spoistych: płynną, plastyczną i zwartą.
Granicznymi wilgotnościami rozdzielającymi poszczególne konsystencje są granice konsystencji: granica płynności w^ i granica plastyczności w . Dodatkowo wyróżnia się jeszcze granicę skurczalności w^ (wilgotność na granicy stanu półzwartego i zwartego). Na granicy między konsystencją płynną i plastyczną znajduje się granica płynności w^, a na granicy między konsystencją plastyczną i zwartą granica plastyczności w . Granice konsystencji zostały wprowadzone w 1911 r. przez Atterberga. Wyznacza się je umownie.
Granica płynności w^ jest 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 l cm i wysokości l mm.
Granica plastyczności w jest to największa procentowa zawartość wody w gruncie, mierzona w stosunku do jej suchej masy, przy której grunt rozwałkowany z kulki o średnicy 7-8 mm w wałeczek o średnicy 3 mm zaczyna się kruszyć (pękać).
Granica skurczriuości Wy jest to największa procentowa zawartość wody, przy której grunt przy dalszym suszeniu przestaje się kurczyć i zmienia swą barwę na powierzchni na jaśniejszą.
4.8.2. OZNACZANIE GRANIC KONSYSTENCJI
Granicę płynności w^ oznacza się w aparacie Casagrande'a (rys. 4.17a). Aparat składa się z miseczki podnoszonej przez mimośród pokręcany korbką na wysokość 10 mm ponad podstawę aparatu, którą stanowi gumowa podkładka o odpowiedniej twardości i sprężystości.
Do badań przygotowuje się odpowiednio pastę gruntową, którą układa się w miseczce aparatu warstwami. Łączna masa gruntu i miseczki powinna wynosić 210 g. Następnie, w paście wykonuje się odpowiednim rylcem (rys. 4.17b) bruzdę rozdzielającą warstwę pasty na dwie części. Po umocowaniu miseczki w aparacie obraca się korbką z szybkością 2 razy na sekundę, powodując uderzenia miseczki o podkładkę gumową. Uderzenia liczy się do momentu, w którym bruzda złączy się na długości l cm i wysokości l mm. Z bruzdy pobiera się próbkę do badań wilgotności (w). Następnie, pozostałą pastę miesza się z niewielkim dodatkiem wody i ponownie powtarza się czynności. Do wyznaczenia granicy płynności wykonuje się minimum 5 oznaczeń, w granicach 10 - 40 uderzeń. Wyniki badań nanosi się na wykres w =f(.N), na którym oś liczby uderzeń N opisano w skali logarytmicznej. W skali tej wykres łączący poszczególne punkty jest linią prostą (rys. 4.18). Z wykresu odczytuje się wilgotność odpowiadającą 25 uderzeniom. Tak oznaczona wilgotność jest granicą płynności w^.
Oprócz metody Casagrande'a do oznaczania granicy płynności stosuje się metodę Wasiliewa. Według tej metody wilgotność gruntu równa się granicy płynności w^, gdy odpowiedni stożek zagłębi się w paście gruntowej na głębkość l cm [22, 29].
Pomiędzy granicą płynności w^ oznaczoną metodą Casagrande'a i w^ oznaczoną metodą Wasiliewa istnieje zależność [29]:
Granicę plastyczności w określa się metodą wałeczkowania. Badanie polega na uformowaniu z badanej próbki gruntu kulki o średnicy 7-8 mm i rozwałkowaniu jej na dłoni w wałeczek o średnicy 3 mm, po czym z wałeczka ponownie formuje się kulkę. Czynność tę powtarza się tak długo, aż przy kolejnym wałeczko-waniu wałeczek ulegnie uszkodzeniu (spęka, rozwarstwi się lub rozsypie). Wszystkie kawałki wałeczka wkłada się do naczyńka wagowego i zamyka przykrywką. Czynność wałeczkowania powtarza się tyle razy, aż w dwu naczyńkach zbierze się po ok. 5-7 g gruntu. Następnie określa się wilgotność wałeczków, równą granicy plastyczności w .
Granicę skurczalności w„ oblicza się wg wzoru:
gdzie:
P w ~ gęstość właściwa wody, P, — gęstość właściwa gruntu,
P d ~ 6^°^ objętościowa szkieletu gruntowego przy objętości próbki gruntu po wysuszeniu w temperaturze 105 - 110°C (objętość próbki o nie
naruszonej strukturze ok. 20 - 30 cm3).
Granice konsystencji w^ i w należy określać na próbkach gruntu o wilgotności naturalnej, bez uprzedniego ich podsuszania. Podsuszanie gruntu powoduje znaczny wzrost granicy płynności (dla iłów nawet o 20-40%) i zmniejszenie o ok. 1-5% (względnych) granicy plastyczności. Decydujący wpływ na wartość granic konsystencji ma skład mineralny i uziamienie gruntu. Zależność granic konsystencji w. i Wp od zawartości frakcji iłowej dla glin morenowych podano na rys. 4.19.
4.8.3. WSKAŹNIK PLASTYCZNOŚCI
Wskaźnik plastyczności jest to różnica pomiędzy granicą płynności i granicą plastyczności:
Wskaźnik plastyczności wskazuje, ile wody wchłania grunt przy przejściu ze stanu półzwartego w stan płynny (w procentach w stosunku do masy szkieletu). Wskaźniki plastyczności dla bardzo aktywnych minerałów iłowych (montmoryloni-tu) wynoszą powyżej 200% (215-656%), a mało aktywnych lessów (pyłów kwarcowych) ok. 5 -10%. Grunty o małym wskaźniku plastyczności ulegają łatwo upłynnieniu przy nieznacznym zawilgoceniu.
Skempton wprowadził pojęcie aktywności koloidalnej określanej wg wzoru:
gdzie:
A — aktywność koloidalna, I — wskaźnik plastyczności,
fj — zawartość frakcji iłowej w gruncie (o uziamieniu poniżej 2 mm). Zależnie od aktywności koloidalnej grunty dzieli się na 4 grupy:
- nieaktywne A < 0,75,
— przeciętnie aktywne 0,75 <.A < 1,25 ,
- aktywne 1,25 ^A<2,
— bardzo aktywne A s 2 .
Aktywność koloidalna gruntów występujących w Polsce przeciętnie wynosi .4=1, z wyjątkiem glin pokrywowych i lessów, dla których A =0,5+0,7 oraz iłów montmorylonitowych, dla których A>1,5.
Wskaźnik plastyczności przyjęto za podstawę klasyfikacji gruntów pod względem spoistości (tabl. 4.4).
Tablica 4.4 Podział gruntów wg spoistości
Rodzaj gruntu |
Wskaźnik plastyczności |
Niespoisty |
1^1% |
Spoisty |
!%</„ |
mało spoisty |
1%</„;sl0% |
średnio spoisty |
10% < /p s, 20% |
zwięźle spoisty |
20% < /p <. 30% |
bardzo spoisty |
30% < /„ |
4.8.4. STOPIEŃ PLASTYCZNOŚCI I KONSYSTENCJI ORAZ STANY GRUNTÓW SPOISTYCH
Stopień plastyczności 7^ oraz stopień konsystencji 7^ oblicza się wg wzorów:
gdzie:
w^ — wilgotność naturalna,
Wp — granica plastyczności,
w^ — granica płynności,
I p — wskaźnik plastyczności.
Zależnie od granic konsystencji, wilgotności naturalnej i stopnia plastyczności rozróżnia się stany i konsystencje gruntów wymienione w tabl. 4.5.
Stopień plastyczności i stany gruntów można określać także na podstawie badań polowych, np. za pomocą sondowania sondą cylindryczną (SPT) lub metodą wa-łeczkowania zaproponowaną przez Wiłuna w 1951 r. [25].
Sondą cylindryczną w otworze badawczym oznacza się Nyy i na tej podstawie z tabl. 4.3 określa się stan gruntu.
Metodą wałeczkowania oznacza się liczbę wałeczkowań X, jaka jest potrzebna do zmiany wilgotności gruntu od wilgotności naturalnej do granicy plastyczości (w„— w p) oraz zawartość frakcji iłowej f, na podstawie obserwacji zachowania się wałeczka pod koniec wałeczkowania [22, 25, 29].
Po przekształceniu zależności (4.26a) i uwzględnieniu zależności (4.25) otrzymuje się wzór na stopień plastyczności wg metody wałeczkowania:
gdzie:
X — liczba wałeczkowań,
1,25 — strata wilgotności przy jednym wałeczkowaniu, %, A — wskaźnik aktywności koloidalnej (do wzoru przyjmuje się A=l), ff — zawartość frakcji iłowej w danym gruncie (w uziamieniu poniżej 2 mm), %. Norma PN-88/B-004481 [29] zaleca na podstawie liczby wałeczkowań X określać tylko stan gruntów spoistych.
Stan gruntów spoistych w terenie (np. w wykopach) oraz w laboratorium na próbkach NNS można też określać za pomocą penetrometru tłoczkowego (PP) i ści-narki obrotowej (TV). Opis tych badań dokładnie przedstawiono w skrypcie [22].
4.9. ZAGĘSZCZALNOŚĆ GRUNTÓW NASYPOWYCH I WSKAŹNIK ZAGĘSZCZENIA
4.9.1. WPROWADZENIE
Nowoczesne metody budowy nasypów zapór i obwałowań oraz nasypów drogowych i kolejowych polegają na odpowiednim zagęszczaniu gruntu, z którego są zbudowane, w celu maksymalnego wykorzystania jego wytrzymałości, z zapewnieniem stateczności wykonanych budowli w najniekorzystniejszych warunkach ich pracy. W przypadku nasypów drogowych i kolejowych chodzi nie tylko o stateczność korpusu, lecz i o nośność pod nawierzchnią drogową lub kolejową.
Nowoczesne metody projektowania korpusów nasypów ziemnych opierają się na:
— ustaleniu wytrzymałościowych cech gruntów w różnych warunkach ich zagęszczenia,
— wymiarowaniu konstrukcji z uwzględnieniem wielkości i układów przyszłych
obciążeń oraz cech gruntów (zmieniających się zależnie od różnych czynników).
Nowoczesna technologia robót ziemnych wymaga doboru takiego zespołu maszyn do urabiania, transportu i zagęszczania gruntów, aby wykonawstwo robót było ekonomiczne i zapewniało uzyskanie przewidzianego w projekcie stanu gruntów, a więc i ich wymaganych cech.
Jak wiadomo, ośrodek gruntowy, a więc i grunt nasypowy składa się z oddzielnych ziam i cząstek, pomiędzy którymi istnieją pory wypełnione wodą i powietrzem. Proces zagęszczania powoduje szczelniej sze ułożenie tych składników (przy częściowym usunięciu powietrza) w jednostce objętości.
Skuteczność zagęszczenia gruntu podczas wbudowywania go w nasyp zależy od rodzaju i wilgotności gruntu, grubości zagęszczanych warstw, energii i sposobu zagęszczania (typu, ciężaru, liczby przejść maszyny zagęszczającej).
Zagęszczalnością gruntów wg Wiłuna [25] nazywa się ich zdolność do uzyskiwania określonej gęstości (p^) zależnie od ilości energii zagęszczania i sposobu jej przekazania oraz od rodzaju gruntu i jego wilgotności.
4.9.2. WSKAŹNIK ZAGĘSZCZENIA
Miernikiem charakteryzującym jakość zagęszczenia nasypu jest wskaźnik zagęszczenia 1^, który wyznacza się wg wzoru:
gdzie:
Pdnas — gęstość objętościowa szkieletu gruntu w nasypie,
p^ — maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntu uzyskana w warunkach określonych normą [29].
Przyjmuje się, że nasyp jest dobrze zagęszczony, jeżeli 7y ilsdoo- Wartość 7^ ustala się w nawiązaniu do projektowanych cech mechanicznych gruntu nasypowego. W większości przypadków ustala się dla nasypów 7^ ^ 0,95 [26, 34, 37].
Maksymalną gęstość objętościową szkieletu gruntu (p^) oznacza się wg metod opracowanych przez Proctora, które zostały przyjęte z niewielkimi zmianami w Polsce (norma PN-88/B-04481).
4.9.3. BADANIA PROCTORA
Na podstawie badań gruntów używanych do budowy zapór ziemnych w Kalifornii, Proctor (1933 r.) [3, 25], ustalił zależność pomiędzy p^ a wilgotnością przy stałej energii zagęszczania oraz opracował metodę określania wilgotności optymalnej w ,
przy której uzyskuje się największe zagęszczenie gruntu p^ dla określonej energii. Udowodnił też, że maksymalne zagęszczenie jest tym większe, im większa jest energia zagęszczania oraz że wartości w i p^ zależą od rodzaju gruntu (rys. 4.20).
Do oznaczania p^ i w^ stosuje się dwie metody laboratoryjne polegające na ubijaniu drobnoziarnistego gruntu w cylindrze: metodę normalną (Proctora) i zmodyfikowaną (zmodyfikowaną metodę Proctora wprowadziło Amerykańskie Stowarzyszenie Pracowników Drogowych — ASHO). Metody te różnią się ilością energii stosowanej do zagęszczania gruntu w przeliczeniu na jednostkę jego objętości. Energia zagęszczania wg normy PN-88/B-04481 w metodzie normalnej wynosi E^ = 0,59 J/cm3 (59 N- cm/cm3), a w metodzie zmodyfikowanej E^= 2,65 J/cm3 (265 N- cm/cm3). Norma [29] rozróżnia, zależnie od energii i wymiarów cylindra, cztery metody (tabl. 4.6).
Przyjmuje się, że stosowana w laboratorium energia zagęszczania E^ odpowiada warunkom zagęszczania lekkim sprzętem budowlanym (lekkimi walcami drogowymi, walcami na pneumatykach o masie do 10 t, lekkimi ubijakami (itp.), natomiast energia zagęszczania E^ odpowiada pracy ciężkiego sprzętu (walców drogowych o masie 20 - 30 t, ciężkich walców wibracyjnych o masie powyżej 4 t, ciężkich ubijaków o masie powyżej 2 t itp.).
Badanie w i p^ polega na zagęszczaniu ok. pięciu próbek gruntu ubijakiem w odpowiednim cylindrze (rys. 4.21 i tabl. 4.6), w trzech lub pięciu warstwach (zależnie od metody), kolejno przy różnych wilgotnościach. W oparciu o wykonane pomiary gęstości objętościowej przy odpowiadającej im wilgotności zagęszczonych próbek gruntu sporządza się wykres zależności gęstości objętościowej szkieletu p^ od wilgotności w (rys. 4.22 — wykres l). Z wykresu określa się wilgotność optymalną w odpowiadającą maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu p^. Należy zauważyć, że maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu p^ nie odpowiada maksymalna gęstość objętościowa py^ (rys. 4.22 — wykres 2).
Zależność p^ od w i p^^ od w wg metody normalnej dla gruntów drobnoziarnistych podano na rys. 4.23. Na rysunku tym podano też zakresy wilgotności optymalnej różnych gruntów dla metody normalnej. Wilgotności optymalne gruntów dla metody zmodyfikowanej są o ok. 1-5% mniejsze niż dla metody normalnej. Dla gruntów spoistych istnieje zależność vr^ od granicy płynności w^ (rys. 4.24), natomiast brak jest zależności od granicy plastyczności. Wilgotność optymalna jest mniejsza od granicy plastyczności o ok. l - 9%. Największa różnica występuje dla pyłów i glin pylastych. W przypadku metody zmodyfikowanej p^ gruntów jest ok. 0,1-0,2 g/cm3 większa niż w przypadku metody normalnej.
4.9.4. BADANIA ZAGĘSZCZALNOŚCI GRUNTÓW GRUBOZIARNISTYCH I KAMIENISTYCH
Badania zagęszczalności tj. w i p^ gruntów gruboziarnistych i kamienistych o uziamieniu d^ > 10 mm należy wykonywać w aparatach wielkowymiarowych. Średnica cylindra aparatu D powinna wynosić co najmniej 5 średnic maksymalnych ziam w gruncie d^^(D^ 5d^^), a wysokość H=D [19]. Oznaczenie w i p^ można wykonywać metodą ubijania (Proctora) i metodą wibracji. Metodę ubijania (Proctora) można stosować dla wszystkich gruntów, jednak ze względu na dużą pracochłonność zaleca się stosować dla gruntów zaglinionych (f^>2%). Metodę wibracji zaleca się stosować do gruntów niespoistych (/, s 2%). W przypadku konieczności oznaczenia w i p^ gruntów zawierających bardzo grube ziarna oraz braku odpowiednio dużych aparatów wielkowymiarowych parametry te można określać metodą laboratoryjno-obliczeniową.
4.9.4.1. BADANIE w^ i p^ METODĄ UBIJANIA
Badanie w i p,^ gruntów o uziamieniu dy^ s 200 mm można wykonywać w aparacie wielkowymiarowym opracowanym pod kierunkiem Wiłuna [19]. Aparat (rys. 4.25) składa się z cylindra o średnicy 1,0 m i wysokości 1,3 m, ubijaka i obrotowej prowadnicy rurowej, w której opada ubijak. W aparacie można ubijać grunt wg metody normalnej i zmodyfikowanej; przy metodzie normalnej stosuje się ubijanie w trzech warstwach, przy metodzie zmodyfikowanej - w pięciu warstwach. Dla metody normalnej w tym aparacie zastosowano ubijaki o masie 109 kg (lub dla zmodyfikowanej — 320 kg) przy wysokości opadania 121 cm (lub 124 cm) i liczbie uderzeń 119 (lub 107) na każdą warstwę. Do wyznaczenia krzywej zagęszczalności i określenia w i p, należy, podobnie jak przy badaniu gruntów drobnoziarnistych, wykonać ok. 5 zagęszczeń próbek gruntu o różnej wilgotności (kolejno rosnącej o l - 2%).
4.9.4.2. BADANIE w i p^ METODĄ WIBRACJI
Badania w i p^ gruntów gruboziarnistych i kamienistych metodą wibracji, jak wykazały badania autora [20], można wykonywać przez wibrowanie gruntu w cylindrze na stole wibracyjnym (rys. 4.13). W celu wyznaczenia krzywej zagęszczalności i określenia w i p„^ należy wykonać ok. 5 zagęszczeń próbek gruntu o różnej wilgotności. Metodyka badań jest taka sama jak przy badaniu P<inax (P- 4.7.2), a tylko czas wibracji jest dwa razy dłuższy.
4.9.4.3. METODA LABORATORYJNO-OBLICZENIOWA OKREŚLANIA w^ ORAZ p^
Jeżeli w badanym gruncie występują ziarna o średnicy większej od dopuszczalnej dla danego aparatu, parametry w i p^ gruntu o naturalnym uziarnieniu można określić na podstawie badań w„ i p ^ gruntu po odsianiu grubszych ziam.
Objętość zagęszczonego gruntu o pełnym uziamieniu wynosi:
gdzie:
V — objętość odstanych grubych ziam z gruntu o naturalnym uziamieniu, Vd ~ objętość gruntu (po odsianu grubych ziam) wziętego do badań. Zależność (4.29) można przedstawić w postaci:
gdzie:
m^ — masa szkieletu gruntu o pełnym uziamieniu, m — masa szkieletu odsianych grubych ziam, m^ — masa szkieletu gruntu po odrzuceniu grubych ziam (wziętego do badań), p^ — maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntu o pełnym uziamieniu, P da ~ gęstość objętościowa szkieletu odrzuconych grubych ziam, pa — maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntu po odrzuceniu
grubych ziam, A — współczynnik zmniejszającyy zagęszczenie frakcji drobnej ze względu
na utworzenie szkieletu z frakcji grubej (A ^ l), zależny od zawartości
ziam grubych.
Po podzieleniu zależności (4.29a) przez m^ i odpowiednich przekształceniach otrzymuje się:
Po podstawieniu do wzoru (4.29b) za p,. = p J l - n \ oraz za A = l/a otrzymuje się:
gdzie:
P — zawartość ziam grubych (odrzuconych),
n — porowatość ziam grubych,
Ps ~ gęstość właściwa ziam grubych,
c — współczynnik zależny od zawartości ziam grubych (a ^ 1,0).
Przy przyjęciu n •= O otrzymuje się natomiast:
W literaturze oraz normie PN-88/B-04481 podano wzór (4.29d) przy a -1, a więc:
Wzór ten zakłada jednakowe maksymalne zagęszczenie frakcji drobnoziarnistej niezależnie od zawartości frakcji grubej. W oparciu o to założenie otrzymuje się przy P>0,3 rozbieżność obliczonych wartości p^ od uzyskanych z badań (rys. 4.26).
Z badań wykonanych m.in. przez autora wynika, że a =1,0 dla P $0,30 oraz cc > 1,0 dla P > 0,30. Wartości orientacyjne współczynnika cc zależnie od zawartości odrzuconych grubych ziam P =0,3 -0,9 wg autora wynoszą 1-2,6. Dokładne wartości «>1,0 powinny być każdorazowo wyznaczane doświadczalnie.
Obliczeniową wilgotność optymalną w gruntu naturalnego można wyznaczyć ze wzoru:
4.10. ZALEŻNOŚĆ MIĘDZY WSKAŹNIKIEM ZAGĘSZCZENIA I STOPNIEM ZAGĘSZCZENIA GRUNTÓW NIESPOISTYCH
Wartość p^ określona metodą normalną wg Proctora nie jest równa wartości Prfmax określonej metodą wibracyjną omówioną w p. 4.7.2 (na ogół P^P^m^-Dla określenia zależności Ą=F(/„) przyjmuje się wstępne zależności:
gdzie:
a — współczynnik korelacyjny;
P - Prfmin ' P</max
Następnie, przekształcając wzór (4.21), wyznacza się:
i uwzględniając wzór (4.3 la) otrzymuje się:
Uwzględniając we wzorze (4.28) wielkość p^ z wyrażenia (4.31d) oraz zakładając p^ = p^, wyznacza się:
Dzieląc licznik i mianownik zależności (4.31e) przez a P^niax (4-31a) i wprowadzając zależność (4.3 Ib), otrzymuje się:
Na podstawie badań niespoistych gruntów drobnoziarnistych autor [21] ustalił w oparciu o rachunek statystyczny średnią wartość <x = 0,973 (przy odchyleniu standardowym o = 0,039) i podobnie p =0,832 (przy o = 0,023).
Uwzględniając te wartości we wzorze (4.32) otrzymuje się:
/, = 0,855+0,1657^,. (4.33)
Na podstawie wzorów (4.32) i (4.33) można określić wskaźnik zagęszczenia w zależności od zbadanego stopnia zagęszczenia (i odwrotnie). Wzory te są szczególnie przydatne przy wyznaczaniu wskaźnika zagęszczenia nasypów, gdyż wartość iq można zbadać w nasypie w prostszy sposób, wykonując sondowanie (p. 4.7.4).