7005

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA

LABORATORIUM MECHANIKI GRUNTÓW

Ćwiczenie laboratoryjne nr 3:

Konsystencje gruntów spoistych.

Stopień i wskaźnik zagęszczenia oraz

stan gruntów niespoistych.

Prowadzący: dr inż. Maciej Hawrysz

Wykonali:

Wojciech Iwaśków

Grzegorz Sokołowski

Wydział Górniczy

Część teoretyczna

I - Konsystencje gruntów spoistych

Rozróżnia się 3 konsystencje gruntów spoistych: płynną, plastyczną i zwartą. Granicznymi wilgotnościami rozdzielającymi poszczególne konsystencje są granice konsystencji: granica płynności w_L, granica plastyczności w_P oraz granica skurczalności w_S.

Granice konsystencji zostały wprowadzone w 1911 r. przez Atterberga i wyznacza się je umownie.

konsystencja	zwarta		plastyczna			płynna
stan	zwarty	półzwarty	twardoplastyczny	plastyczny	miękkoplastyczny	płynny
w_S w_P w_L

granica płynności w_L - jest to najmniejsza procentowa zawartość wody w gruncie, przy której bruzda wykonana w miseczce aparatu Casagrande's, zaczyna się łączyć pod wpływem 25 uderzeń o podstawę aparatu ponownie w całość, na długości 1 cm i wysokości 1 mm.

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 odpowiednią 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 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 długość 1 cm i wysokość 1mm. 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 naszym przypadku 3), 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. Z wykresu odczytuje się wilgotność odpowiadającą 25 uderzeniom. Tak oznaczona wilgotność jest granicą płynności w_L.

Oprócz metody Casagrande'a do oznaczenia granicy płynności stosuje się metodę Wasiliewa. Według tej metody wilgotność gruntu równa się granicy płynności w_L, gdy odpowiedni stożek zagłębi się w paście gruntowej na głębokość 1cm.

Zależność między metoda Casagrande'a i metodą Wasiliewa:

granica plastyczności w_P - 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.

Granicę plastyczności w_P określa się metodą wałeczkowania. Badanie polega na uformowaniu z badanej próbki gruntu o średnicy 7-8 mm i rozwałkowaniu jej na dłoni w wałeczek o średnicy 3mm, po czym z wałeczka ponownie formuje się kulkę. Czynność tę powtarza się tak długo, aż przy kolejnym wałeczkowaniu wałeczek ulegnie uszkodzeniu. Wszystkie kawałki wałeczka wkłada się do naczynka wagowego i zamyka przykrywką.

Czynność wałeczkowania powtarza się tyle razy, aż w dwu naczynkach zbierze się po około 5-7 g gruntu. Następnie określa się wilgotność wałeczków równą granicy plastyczności w_P.

granica skurczalności w_S- jest to największa procentowa zawartość wody, przy której grunt przy dalszym suszeniu przestaje się kurczyć i zmienia swą barwę na powierzchni na jaśniejszą.

Stopień plastyczności I_L - określa stan badanego gruntu w zależności od jego wilgotności naturalnej oraz wilgotności odpowiadającej granicy płynności i plastyczności.

Oblicza się go wg wzoru:

gdzie:

w_n - wilgotność naturalna,

w_P - granica plastyczności,

w_L - granica płynności.

Rozróżnia się stany i konsystencje gruntów:

konsystencja	stan gruntu	stopień plastyczności	wilgotność gruntu w stosunku do granic konsystencji
zwarta	zwarty	I_L< 0	w_n< w_S
		półzwarty	I_L≤ 0	w_S< w_n< w_P
	plastyczna	twardoplastyczny	0 < I_L ≤ 0,25	w_p<w_n≤ w_L
		plastyczny	0,25 <I_L≤ 0,5
		miękkoplastyczny	0,5 <I_L ≤ 1
płynna	płynny	I_L > 1	w_n < w_L

Stopień plastyczności można określić również metodą wałeczkowania, wykorzystując wzór:

gdzie:

X - liczba wałeczkowań

1,25 - strata wilgotności, przy jednym wałeczkowaniu [%]

A - wskaźnik aktywności koloidalnej

f_i- zawartość frakcji iłowej w danym gruncie [%]

Wskaźnik plastyczności - wskazuje ile wody wchłania grunt przy przejściu ze stanu półzwartego do stanu płynnego.

Ze względu na wskaźnik plastyczności rozróżniamy grunty:

mało spoiste 1 < I_P≤ 10
średnio spoiste 10 < I_P≤ 20
spoiste zwięzłe 20 < I_P≤ 30
bardzo spoiste I_P> 30

II - Stopień i wskaźnik zagęszczenia oraz stan gruntów niespoistych.

Stopień zagęszczenia gruntów niespoistych I_Djest to stosunek zagęszczenia występującego w stanie naturalnym do największego możliwego zagęszczenia danego gruntu.

Oznaczenie stopnia zagęszczenia polega na określeniu wskaźnika porowatości e piasku w stanie naturalnym, e_max tego piasku przez usypanie możliwie luźno i e_min przez możliwe największe zagęszczenie.

Oznaczenie e_max i e_min przeprowadza się w laboratorium, w dostosowanym do tego celu cylindrze metalowym, o znanym przekroju; cylinder jest zaopatrzony w dopasowany do niego tłoczek - przykrywkę. Przez pomiar zagłębienia tłoczka spoczywającego na piasku można wyznaczyć wysokość warstwy gruntu w cylindrze, a ze znanej masy piasku i gęstości właściwej obliczyć każdorazowo e.

Najluźniejsze ułożenie piasku w cylindrze e_max otrzymuje się przez ostrożne wsypywanie piasku przez lejek, początkowo postawiony na dnie cylindra, a następnie odpowiednio podnoszony równo z powierzchnią sypanego piasku.

gdzie:

m_s - masa szkieletu gruntowego [g],

V - objętość cylindra [cm³],

m_st - masa cylindra z gruntem [g],

m_t - masa cylindra [g],

Wskaźnik porowatości maksymalnej:

gdzie:

ρ_s- gęstość właściwa szkieletu gruntowego [g/cm³]

Najściślejsze ułożenie piasku e_minotrzymuje się przez wibrowanie wsypanego piasku w cylindrze za pomocą widełek. Piasek uważa się za ostatecznie zagęszczony, gdy trzy kolejne pomiary nie wykażą zmiany jego objętości.

Objętość zagęszczonego gruntu (V_g) w cylindrze:

gdzie:

V - objętość cylindra [cm³],

V₁ - objętość pustej przestrzeni w cylindrze [cm³],

V₂ - objętość tłoka [cm³].

Gęstość objętościową szkieletu gruntowego po zagęszczeniu:

0x01 graphic

gdzie:

m_st - masa cylindra z gruntem [g],

m_t - masa cylindra [g],

m_s - masa szkieletu gruntowego [g],

ΔV - zmniejszenie objętości próbki w cylindrze wskutek wibrowania [cm3].

Wskaźnik porowatości minimalnej:

Stopień zagęszczenia gruntu oblicza się ze wzoru:

gdzie:

e_max - wskaźnik porowatości przy najluźniejszym ułożeniu ziaren,

e_min - wskaźnik porowatości przy najgęściejszym ułożeniu ziaren,

e - wskaźnik porowatości naturalnej.

Zależnie od stopnia zagęszczenia rozróżnia się następujące stany gruntów niespoistych:

luźny 0 < 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

Wskaźnik zagęszczenia gruntów nasypowych.

Miernikiem charakteryzującym jakość zagęszczenia nasypu jest wskaźnik zagęszczenia I_S.

gdzie:

ρ_dnas - gęstość objętościowa szkieletu gruntu w nasypie,

ρ_ds- maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntu uzyskana w warunkach określonych normą,

Badania Proctora.

Proctor ustalił zależność pomiędzy ρ_d a wilgotnością przy stałej energii zagęszczania oraz opracował metodę określania wilgotności optymalnej w_opt, przy której uzyskuje się największe zagęszczenie gruntu ρ_ds dla określonej energii.

Udowodnił też, że maksymalne zagęszczenie jest tym większe, im większa jest energia zagęszczania oraz że wartości w_opt i ρ_ds zależą od rodzaju gruntu.

Do oznaczania ρ_ds i w_opt stosuje się dwie metody laboratoryjne polegające na ubijaniu drobnoziarnistego gruntu w cylindrze: normalną (Proctora) i zmodyfikowaną. Metody te różnią się ilością energii stosowanej do zagęszczenia gruntu w przeliczeniu na jednostkę objętości gruntu.

Badanie w_opt i ρ_ds polega na zagęszczaniu około pięciu próbek gruntu ubijakiem w odpowiednim cylindrze w trzech warstwach, kolejno przy różnych wilgotnościach. Na podstawie wykonanych pomiarów gęstości objętościowej przy odpowiadającej im wilgotności zagęszczonych próbek gruntu sporządza się wykres zależności gęstości objętościowej szkieletu ρ_d od wilgotności w. Z wykresu określa się wilgotność optymalną w_optodpowiadającą maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu ρ_ds.

Część obliczeniowa

Podczas analizy makroskopowej otrzymaliśmy następujące wyniki:

ilość wałeczkowań X = 1,
wałeczek na początku nie wykazuje połysku, natomiast pod koniec wałeczkowania zauważyliśmy połysk,
wałeczek rozwarstwia się podłużnie,
podczas próby rozcierania w wodzie wyczuwalne były pojedyncze ziarna piasku.

Na podstawie powyższych danych badany grunt określiliśmy jako: glina zwięzła.

Wyznaczenie wilgotności naturalnej.

Wilgotność naturalna - stosunek masy wody zawartej w porach gruntu do masy jego szkieletu.

Wilgotność naturalna została wyznaczona metoda suszenia w temperaturze 105 - 110 °C. Waga próbki została określona w stanie wilgotnym oraz w stanie po suszeniu.