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; V_s — objętość szkieletu gruntowego; V_w — objętość wody; V_a — objętość powietrza; V_p⁼V_w+V_a — objętość porów; m_m — masa gruntu wilgotnego; m^s — masa szkieletu cząstek gruntowych; m_w — masa wody.

WILGOTNOŚĆ GRUNTU

Wilgotnością gruntu nazywa się stosunek masy wody m_w zawartej w jego po­rach do masy szkieletu gruntowego m_s.

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 w_n. 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 w_d określanej z badań laboratoryjnych i wilgotności odrzuconej frakcji grubej w (w przyjmuje się za równą nasiąkliwości ziam) oraz procento­wej zawartości frakcji drobnej P_d 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).