Wydział Budownictwa Politechnika Wrocławska

Lądowego i Wodnego Studia Dzienne mgr

Sprawozdanie nr 3 z mechaniki gruntów

Badanie granic konsystencji

Rok akademicki 2000/2001 Walczybok Paweł

Semestr zimowy, V Piątek , tydz. P

Godz.13-15

I.PODSTAWY TEORETYCZNE

1.Granice konsystencji (grunty spoiste)

Grunt spoisty w zależności od składu mineralnego oraz ilości zawartej w nim wody może mieć jedną z trzech konsystencji: zwartą, plastyczną lub płynną. Począwszy od gruntu suchego ze wzrostem wilgotności grunt przechodzi kolejno przez następujące stany:

zwarty - konsystencja zwarta,

półzwarty - konsystencja zwarta,

plastyczny: twardoplastyczny, plastyczny, miękkoplastyczny - konsystencja plastyczna,

płynny - konsystencja płynna

Grunt przechodzi poprzez poszczególne stany dlatego iż po dodaniu wody do gruntu suchego każda cząstka pochłania wodę i otacza się jej błonkami, których grubość wzrasta w miarę dodawania wody, powodując pęcznienie gruntu. Ze wzrostem grubości błonek wody maleją siły wzajemnego przyciągania się cząstek gruntu. W wyniku tego zjawiska przemieszczenie i odkształcenie gruntu może odbywać się przy coraz to mniejszym obciążeniu zewnętrznym.

Wilgotność gruntu pomiędzy poszczególnymi stanami jest wilgotnością graniczną (oddzielającą stany od siebie). Zostały przyjęte następujące nazwy granic konsystencji:

między stanem zwartym półzwartym - granica skurczalności,

między stanem półzwartym a plastycznym - granica plastyczności,

między stanem plastycznym a płynnym - granica płynności.

2. Granica skurczalności ( w_S %)

Granicą skurczalności gruntu nazywamy wilgotność, jaką ma grunt na granicy konsystencji zwartej i półzwartej, po osiągnięciu której w miarę dalszego suszenia grunt nie zmienia swojej objętości, zmieniając jednocześnie barwę na jaśniejszą.

Sposób wyznaczenia (laboratoryjnie).

Z gruntu o nienaruszonej strukturze i zachowanej wilgotności naturalnej wycina się dwie kostki o objętości 20 - 30 cm3. Początkowo suszy się je w temperaturze pokojowej do stanu powietrzno - suchego, dalsze suszenie odbywa się w suszarce w coraz wyższej temperaturze. Masę oznacza się przez ważenie. Ostatni pomiar masy wykonuje się po wysuszeniu próbki do stałej masy w temperaturze 105 - 110 oC.

Znając masę szkieletu próbki oblicza się wilgotność dla wszystkich uprzednio wyznaczonych mas próbki określanych w czasie suszenia. Z uzyskanych wyników badań sporządza się wykres krzywej skurczalności, do której przeprowadza się styczne. Rzut punktu przecięcia się stycznych na oś odciętych wyznacza wilgotność odpowiadającą granicy skurczalności .

3. Granica plastyczności ( w_P %)

Granicą plastyczności gruntu nazywamy wilgotność, jaką ma grunt na granicy konsystencji półzwartej i plastycznej. Po uzyskaniu przez grunt podczas wałeczkowania wilgotności odpowiadającej granicy plastyczności, wałeczek pęka po osiągnięciu średnicy około 3 mm.

Przygotowanie próbek do oznaczenia

Z dostarczonego do badania gruntu makroskopowo jednorodnego, o zachowanej wilgotności naturalnej należy wydzielić próbkę o masie ok. 50 g. W przypadku, gdy grunt jest w stanie półzwartym lub zwartym należy go nasycić wodą destylowaną do stanu plastycznego. Grunty o konsystencji płynnej należy w temperaturze pokojowej podsuszyć do stanu plastycznego.

Obliczenie granicy plastyczności

Wilgotność odpowiadającą granicy plastyczności oblicza się ze wzoru:

gdzie: mwt - masa próbki wilgotnej, łącznie z masą parowniczki w gramach

mst - masa próbki wysuszonej, łącznie z masą parowniczki w gramach

mt - masa parowniczki w gramach

Za wynik należy przyjąć średnią arytmetyczną z obu oznaczeń wilgotności, jeśli ich różnica nie przekracza 10 % względnej wartości średniej. W innym przypadku należy przeprowadzić dwa dodatkowe oznaczenia, a wynik obliczyć jako średnią arytmetyczną z trzech najmniej różniących się wartości.

4.Granica płynności ( w_L %)

4.1.Metoda Casagrande'a

Metodę tę należy stosować we wszystkich przypadkach badań gruntów dla potrzeb projektowania na podstawie Polskich Norm.

Przygotowanie próbek do oznaczenia

Z dostarczonego do badania gruntu makroskopowo jednorodnego, o zachowanej wilgotności naturalnej należy wydzielić próbkę o masie ok. 100 g, umieścić w parowniczce i zalać ją wodą destylowaną. Po upływie ok. 20 h nasycony wodą grunt należy wymieszać do uzyskania jednorodnej pasty.

Wykonanie oznaczenia

Przygotowaną pastę należy nakładać do miseczki poprzez rozsmarowywanie cienkich warstw gruntu tak aby nie dopuścić do zamknięcia pęcherzyków powietrza, a rozsmarowany grunt utworzył walcową powierzchnię wklęsłą (grubość warstwy gruntu nie powinna przekraczać 9 mm a jego masa ok. 50 gram). Po zwarzeniu miseczki z gruntem wykonuje się w gruncie bruzdę (przy użyciu rylca) prostopadłą do osi obrotu miseczki. Miseczkę umieszcza się w aparacie i sprawdza wysokość jej opadania (1 cm). Następnie obraca się korbką (co powoduje stopniowe podnoszenie miseczki i jej gwałtowny spadek z wysokości 10 mm) z prędkością ok. 2 obr/s i liczy się ilość obrotów oraz obserwuje bruzdę w gruncie. Korbką należy obracać do czasu złączenia się bruzdy na długości 10 mm i wysokości 1 mm. Następnie ze środka bruzdy pobiera się próbkę o masie ok. 10 gram i oznacza jej wilgotność.

Pozostały w miseczce grunt wkłada się do parowniczki, dolewa troszeczkę wody destylowanej i miesza z resztą gruntu. Po dokładnym wymieszaniu nakłada się ponownie pastę do miseczki i wykonuje czynności jak uprzednio.

Na skutek dolania wody grunt staje się bardziej płynny, co oznacza, że bruzda zejdzie się przy mniejszej ilości obrotów.

Aby określić granicę plastyczności należy powtórzyć badanie przynajmniej pięć razy. Do obliczania wyników należy przyjmować liczby uderzeń wynosi między 35 a 12.

Obliczanie wyników

Po oznaczeniu liczby uderzeń i wilgotności dla każdej badanej próbki gruntu, wyniki należy przedstawić na wykresie. Przez punkty odpowiadające poszczególnym badaniom należy przeprowadzić linię, trzy punkty powinny leżeć w przybliżeniu na prostej, z pozostałych dwóch jeden powinien leżeć powyżej linii, drugi poniżej w odległościach nie większych niż 0,6 % w skali wilgotności.

Punkt przecięcia się wyznaczonej prostej z linią pionową wskazującą 25 uderzeń określa wilgotność odpowiadającą granicy plastyczności.

4.2.Metoda Wasiliewa

Zasada metody

Metoda ta polega na pomiarze głębokości zanurzenia się stożka w paście gruntowej znajdującej się w naczyniu cylindrycznym. Za granicę płynności przyjmuje się wilgotność, przy której stożek zagłębia się w pastę gruntową na głębokości 10 mm.

Wykonanie oznaczenia

Przygotowaną pastę gruntu wkłada się do naczynia cylindrycznego tak aby nie powstały w niej pęcherzyki powietrza. Górną powierzchnię próbki należy wygładzić równo z brzegami naczynia.

Trzymając stożek za uchwyt, dotyka się lekko ostrzem do powierzchni próbki, a następnie puszcza się go, umożliwiają swobodne zagłębienie stożka w gruncie. Po około 5 s od chwili zwolnienia uchwytu stożka, należy ustalić jego zagłębienie

Obliczanie wyników

Jeżeli w obu badaniach uzyskano zagłębienie stożka na głębokość 10 mm, to jako granicę płynności gruntu wg Wasiliewa należy przyjąć średnią arytmetyczną wilgotności gruntu przy obu oznaczeniach. Różnica wartości wilgotności gruntu nie powinna przekraczać 5 % wartości średniej. W przypadku, gdy przy kolejnych badaniach uzyskano różne zagłębienia stożka 8 - 12 mm, to wartość w_L należy określić za pomocą interpolacji graficznej.

5.Wskaźniki klasyfikacyjne gruntów spoistych

5.1.Stopień plastyczności ( I_L )

Wskaźnik ten określa stan badanego gruntu w zależności od jego wilgotności naturalnej oraz wilgotności odpowiadającej granicy płynności i plastyczności.

I_L =
=

gdzie:

IP - wskaźnik plastyczności

x - liczba wałeczkowań

fi - zawartość frakcji iłowej

Konsystencja	Stan gruntu	Symbol	Stopień plastyczności	WN granice konsystencji
Zwarta	Zwarty Półzwarty	zw pzw	IL < 0 IL ≤ 0	wn < ws ws < wn ≤ wp
Plastyczna	Twardoplastyczny Plastyczny Miękkoplastyczny	tpl pl mpl	0 < IL ≤ 0,25 0,25 < IL ≤ 0,5 0,5 < IL ≤1	wp < wn < wL
Płynna	Płynny	pł	IL > 1	wn > wL

5.2.Wskaźnik plastyczności (Ip )

Wskaźnik ten określa różnicę wilgotności, jaką mają grunty przy przejściu przez stan plastyczny, to jest od granicy płynności do granicy plastyczności.

Ip = wL - wp = A*fi

Na podstawie wartości liczbowej wskaźnika plastyczności grunty drobnoziarniste zalicza się do:

sypkich, gdy Ip ≤ 1

spoistych, gdy Ip > 1

Grunty spoiste zalicza się do:

mało spoistych, gdy 1 < Ip ≤10,

średnio spoistych, gdy 10 < Ip ≤ 20,

spoistych zwięzłych, gdy 20 < Ip ≤ 30,

bardzo spoistych, gdy Ip >30.

6.Wskaźniki klasyfikacyjne gruntów niespoistych

6.1.Stopień zagęszczenia (ID)

ID =

gdzie: e, emax, emin - wartości wskaźnika porowatości przy maksymalnej i minimalnej gęstości
objętościowej gruntu.

Podział gruntów drobnoziarnistych niespoistych ze względu na zagęszczenie:

stan luźny - ln 0 < ID <=0,33,

średnio zagęszczony - szg 0,33 < ID <0,67,

zagęszczony - zg 0,67 < ID < 0,8,

bardzo zagęszczony - bzg ID > 0,8.

6.2.Stopień wilgotności gruntu Sr.

Sr =

gdzie: Vw - objętość wody, cm3,

n - porowatość,

V - objętość próbki, cm3.

7.Określanie stanów gruntu w badaniach polowych.

Do określenia stanu gruntów w warunkach polowych ( bez pobierania próbek) stosuje się sondowanie gruntu. Najczęściej są stosowane typy sond dynamicznych o końcówce stożkowej, krzyżakowej lub cylindrycznej. Sondowanie polega na wciskaniu, wbijaniu lub wkręcaniu 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, 20 cm sondy ciężkiej i 30 cm sondy o końcówce cylindrycznej.

8.Wnioski

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

Błąd w oznaczeniu wilgotności i granicy plastyczności jest większy aniżeli dopuszczalny ,a więc należałoby powtórzyć oznaczenie na nowych dwóch próbkach. Za wynik ostateczny należałoby przyjąć średnią arytmetyczną z trzech najmniej różniących się wartości.

WNIOSKI

Na podstawie przeprowadzonych badań można wnioskować, iż badanym gruntem jest piasek gliniasty w stanie półzwartym. Na podstawie analizy makroskopowej, wynika że badany grunt jest mało spoisty, natomiast po obliczeniu wskaźnika plastyczności I_p otrzymano grunt średnio spoisty.

Błąd ten tkwi prawdopodobnie w niedokładności określenia ilości uderzeń podczas oznaczania granicy płynności.

---