Kategoria geotechniczna (geotechnical category) jest to kategoria zagrożenia bezpieczeństwa wynikająca ze stopnia skomplikowania projektowanej konstrukcji, jej fundamentów i oddziaływań oraz warunków geotechnicznych mające wpływ na zaprogramowanie rodzaju i zakresu badań geotechnicznych, obliczeń projektowych i kontroli konstrukcji:

• 1 kategoria - obejmuje najprostsze i małe konstrukcje z pomijalnym ryzykiem dla życia i mienia,

• 2 kategoria - typowe konstrukcje i fundamenty bez skomplikowanych sytuacji obciążeniowych i trudnych warunków geotechnicznych,

• 3 kategoria - bardzo duże lub niezwykłe konstrukcje, których budowa jest związana z wielkim ryzykiem, zlokalizowana na terenach o wyjątkowo trudnych warunkach geotechnicznych (w tym o wysokiej sesjmice).

Warunki geotechniczne - warunki występujące w podłożu gruntowym mające wpływ na zachowanie się konstrukcji.

Podłoże gruntowe - grunt rodzimy bądź antropogeniczny lub skała istniejące na miejscu budowy przed wykonaniem prac budowlanych w strefie, której właściwości mają wpływ na projektowanie, wykonanie i eksploatację budowli.

Badania geotechniczne polowe, laboratoryjne i inne są wykonywane w celu ustalenia warunków geotechnicznych na terenie projektowanej konstrukcji w jej otoczeniu oraz określenia właściwości gruntów lub skał występujących na podłożu gruntowym lub stanowiący materiał gruntowy.

Nazwa gruntu - wyraz albo ich połączenie oznaczające rodzaj gruntu zgodnie z obowiązującą klasyfikacją

Pobranie próbek:

Kategorie pobrania próbek: A, B, C.

Do kategorii A zalicza się metody, które umożliwiają otrzymanie próbek, w których nie występują lub zdarzają się niewielkie naruszenia struktury gruntu powstałe podczas pobierania lub transporu. Wilgotność i wskaźnik porowatości próbki gruntu są takie same jak "in situ". Nie występują żadne zmiany w składzie mineralnym i chemicznym gruntu (NNS).

Kategoria B - zawiera wszystkie składniki, w tych samych proporcjach jak grunt "insitu" z zachowaniem naturalnej wilgotności. Można określić ogólne położenie różnych warstw gruntów lub składników, a struktura gruntu jest naruszona (NW).

Kategoria C - próbka gruntu ma całkowicie zmienioną strukturę. Ogólny układ różnych warstw gruntów i ich składników jest tak zmieniony, że nie jest możliwe dokładne określenie położenia warstw "in situ", wilgotność też może być zmieniona (NU).

Wyniki badań (sprawozdanie z wierceń):

- Datę wiercenia

- Współrzędne i numer wiercenia

- Rzędna powierzchni terenu przy każdym otworze lub poziom odniesienia

- Profil litologiczny

- Wyniki obserwacji hydrogeologicznych w otworze

- Metodę wiercenia wępnego

- Głębokość zarurowania

- Zastosowaną płuczkę wiertniczą i jej poziom w otworze

- Typ zastosowanego próbnika

- Rzędną lub głębokość górnej części i podstawy próbki

- Wszystkie przeszkody i trudności które występiły podczas pobierania próbek

Oznakowanie próbek: numer identyfikacyjny, datę pobrania próbek, numer otworu wiertniczego, metodę pobrania próbek i tp zastosowanego próbnika, rzędną lub glębokość górnej części i podstawy próbki. Oznakowanie gdzie góra a gdzie dół próbki. Na podstawie badania makroskopowego określenie rodzaju gruntu.

Klasyfikacja gruntów we Eurokod 7:

Badane grunty należy przyporządkować do określonych grup gruntów na podstawie ich składu, niezależnie od wilgotności i zagęszczenia, z uwzględnieniem następujących charakterystyk:

• składu granulometrycznego

• plastyczności

• zawartości części organicznych

• genezy

Klasyfikacja gruntów bardzo gruboziarnistych:

Podział gruntów ze względu na frakcje:

Klasyfikacja gruntów organicznych:

Grunty dla których możliwe jest oznaczenie granicy plastyczności są określane jako wykazujące właściwości spoiste (grunty spoiste) i dzielimy je na grunty:

• o małej spoistości

• o dużej spoistości

Oznaczenie wykonuje się na podstawie badań wytrzymałości w stanie suchym(2), dylatacji pyłu i iłu (3), plastyczności (4) oraz zawartości piasku, pyłu i iłu (5).

Oznaczenie składu granulometrycznego grunty:

Do oznaczania cech należy stosować następujące badania:

Oznaczanie zawartości drobnych cząstek (1), dylatacji pyłu i iłu (3), plastyczności (4) oraz zwartości piasku, pyłu i iłu (5).

1. Oznaczanie zawartości drobnych cząstek:

W oznaczeniu składu gruntu drobne frakcje należy wypłukać (występujące w małej ilości, a grubsze opisać na podstawie wymiarów i kształtów cząstek (tablica 4 poniżej - Terminy określające kształt cząstek), rodzaju materiału i innych specyficznych składników. Czas trwania i dokładność procesu przemywania oraz badanie otrzymanego osadu wskazują na rodzaj i zawartość procentową frakcji drobnych.

2. Wytrzymałość w stanie suchym:

Dostarcza informacji o plastyczności gruntu, o jego zachowaniu i oznaczeniu jako pył lub ił. Badanie przeprowadza się na próbce suchej. Jej opór w czasie rozdrabniania lub sproszkowania pomiędzy palcami jest miarą wytrzymałości gruntu w stanie suchym. Wyróżniamy:

• Małą wytrzymałość - wysuszony grunt rozpada się pod lekkim lub średnim naciskiem palców (pyły),

• średnią wytrzymałość - wysuszony grunt rozpada się pod wyraźnym naciskiem palców na bryłki, które nadal wykazują spoistość (mieszanka pyłu i iłu),

• Dużą wytrzymałość - grunt wysuszonego nie można rozdrobnić pod naciskiem palców, a może być jedynie rozłamany (iły).

3. Oznaczanie dylatacji pyłu i iłu:

Wilgotną próbką o wymiarach 10-20 mm należy wstrząsać, przerzucając ją pomiędzy dłońmi. Próbka stanie się błyszcząca na skutek pojawienia się wody na jej powierzchni. Przy naciskaniu próbki palcami woda znika. Zawartość pyłu lub iłu jest określana względem czasu potrzebnego na pojawienie się wody na powierzchni przy wstrząsaniu i na jej znikanie po nacisku.

4. Oznaczenie plastyczności:

Plastyczność (zwięzłość) określa się na podstawie próby wałeczkowania: W celu oznaczenia wilgotną próbkę gruntu należy wałeczkwać na gładkiej powierzchni aby otrzymać wałeczek o średnicy 3 mm, następnie zlepić go z powrotem i powtarzać wałeczkowanie do chwili, kiedy na skutek traty wody nie da się już wałeczkowaci gruntu, a tylko go zlepiać. Osiąga się w ten sposób granicę plastyczności.

Grunt ma: małą plastyczność gry próbka wykazuje spoistość, lecz nie można wykonać wałeczka o śr. 3 mm (za dużo pyłów); dużą plastyczność gdy można wałeczkować do uzyskania cienkich wałeczków (za dużo iłów).

5. Zawartość piasku, pyłu i iłu:

Zawartość frakcji drobnych w gruncie określa się metodą rozcierania, jeśli jest taka konieczność próbę przeprowadza się w wodzie. Ilość zawartej w gruncie frakcji piaszczystej może być określona na podstawie wyczuwalnego stopnia szorstkości materiału. Gruby pył może dawać uczucie szorstkości ale nie będzie widoczny gołym okiem. W celu stwierdzenia obecności iłu lub pyłu próbkę o naturalnej wilgotności należy rozciąć nożem. Błyszcząca powierzchnia wskazuje charakterystyczną dla pyłu lub pyłu ilasto-piaszczystego o małej plastyczności.

6. Oznaczenie zawartości węglanów:

Oznacza się ją na podstawie reakcji gruntu na działanie kwasu solnego Hcl. Kwac10% lub rozcieńczony wodą w stosunku 3:1. Powstają następujące reakcje:

• grunt bezwapnisty (0) - nie reaguje z kwasem solnym

• grunt wapnisty (+) - lekko pieni się pod wpływem kropli kwasu

• grunt silnie wapnisty (++) - intensywnie pieni się pod wpływem kwasu.

Tabela 1.1 Cechy rozpoznawcze gruntów spoistych wg badań makroskopowych

Oznaczanie konsystencji:

Konsystencję gruntu spoistego powinno się oznaczać w badaniu makroskopowym, przyjmując następujący sposób oznaczania i opisu:

1. MIĘKKOPLASTYCZNY - jeśli wydostaje się spomiędzy palców przy ściskaniu

2. PLASTYCZNY - jeśli można go formować przy lekkim naciśnięciu palców,

3. TWARDOPLASTYCZNY - jeśli nie może być formowany palcami, lecz może być wałeczkowany w ręku do średnicy 3 mm bez spękań i rozdrabniania się

4. ZWARTY - jeżeli rozpada się i pęka podczas wałeczkowania, lecz ciągle pozostaje dostatecznie wilgotny by uformować z niego bryłkę

5. BARDZO ZWARTY - jeśli jest wysuszony, najczęściej ma jasną barwę. Nie można z niego uformować kulki i rozpada się pod naciskiem. Można zarysować go paznokciem

Schemat procedury oznaczania i opisów gruntów

Gęstość właściwa szkieletu gruntowego- stosunek masy szkieletu gruntowego do objętości tego szkieletu ρ_S = m_s/v_s [kg/m3]

Zależy głownie od składu mineralnego, wielkości ziarn i cząsteczek gruntu, potrzebna do oznaczania porowatości gruntu...

Gęstość objętościowa gruntu - stosunek masy próbki w stanie naturalnym (z wodą, szkieletem i powietrzem) do jej objętości (ro)

Wilgotność gruntu i stopień wilgotności gruntu

Wilgotność gruntu - Stosunek masy wody zawartej w gruncie do masy jej szkieletu gruntowego. (w).

Wilgotność naturalna - wilgotność jaką grunt ma w złożu (w_m)

Wilgotność całkowita - grunt ma taką wilgotność, gdy wszystkie jego pory są całkowicie wypełnione wodą- stosunek masy wody do szkieletu gruntowego (w_r)

Stopień wilgotności gruntu - to stopień wypełnienia wodą porów gruntu, czyli stosunek objętości wody znajdującej się w próbce do całkowitej objętości porów znajdującej się w tej próbce (S_r)

Jeżeli stopień wilgotności zależy od 0 do 0,4 - to mamy grunt małowilgotny, jeżeli od 0,4 - 0,8 to mamy grunt wilgotny, jeżeli od 0,8 - 1,0 to mamy grunt mokry.

Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego - (to pośrednia rzecz pomiędzy gęstością właściwą szkieletu gruntowego a gęstością objętościową ) jest to stosunek masy szkieletu gruntowego do masy do jej całkowitej objętości. (ro D)

Porowatość gruntu - (liczba porów zawartych w gruncie) stosunek objętości porów w próbce gruntu do jej całkowitej objętości (n)

Wskaźnik porowatości - mówi nam jaki jest stosunek objętości porów w próbce gruntu do objętości jej szkieletu gruntowego (e)

Wilgotność optymalna - jest to wilgotność gruntu przy której grunt zagęszczany w sposób znormalizowany uzyskuje maksymalną gęstość objętościową szkieletu gruntowego (zalezy głównie od uziarnienia gruntu - im wskaznik uziarnienia wyzszy tym maksymalna gestosc objetosciowa szkieletu będzie wieksza)

Maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntowego -

Wskaźnik zagęszczenia gruntu nasypowego (I _s) - stosunek gęstości objętościowej gruntu do maksymalnej możliwej do uzyskania w laboratorium gęstości objętościowej. (0,98 - bardzo dobrze)

Skład granulometryczny gruntu

W zależności od umownej średnicy ziaren d można wyróżnić w gruncie następujące podstawowe frakcje:

f_i - frakcja iłowa d< 0,002 mm,

f_π- frakcja pyłowa 0,002 < d< 0,05 mm,

f_p - frakcja piaskowa 0,05 < d < 2 mm

f_ż - frakcja żwirowa 2 < d < 40 mm,

f_k - frakcja kamienista 40 < d.

W celu ustalenia zawartości podstawowych grakcji w gruncie należy wyznaćzyć jego skład granulometryczny. Dla celów budowlanych jest on najczęściej określany metodą sitową (dla ziaren o d> 0,074 mm) i areometryczną (dla ziaren o d <0,074 mm).

ANALIZA SITOWA

Analiza sitowa gruntu jest to metoda badania składu granulometrycznego gruntu, wykorzystująca proces przesiewu, tj. o rozdzielenia poszczególnych frakcji wg ich wielkości za pomocą sit. Wykonuje się dla gruntów o uziarnieniu powyżej 0,074 mm (0,063).

Wykonanie analizy

Metoda analizy polega na przesianiu odważonej próbki przez szereg sit i podaniu wagowego udziału poszczególnych frakcji w procentach do całej przesianej próbki, której wagę przyjmuje się za 100%.

• Zestawić komplet sit (9 sit o wymiarach oczek kwadratowych 40; 25; 10; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1; 0,071 lub 0,063 mm) tak, aby sito o największym wymiarze boku oczka było najwyżej, a na dole znajdowało się sito o najmniejszym wymiarze. Pod dolne sito podstawić naczynie do zbierania przesiewu,

• przesiewać próbkę ręcznie lub mechanicznie na wibratorze, wibrowanie powinno trwać 5 minut,

• po przesiewaniu sprawdzić stopień rozdzielenia frakcji przez ręczny przesiew (1 min) nad arkuszem papieru. Jeżeli po zakończeniu przesiewu ręcznego cząstki gruntu znajdują się na arkuszu papieru, to należy je przenieść pędzelkiem do naczynia z przesiewu i przesiewać przez 3 minuty,

• pozostałość na poszczególnych sitach zważyć z dokładnością nie mniejszą niż:

0,01 g - jeżeli masa ważonej frakcji < 50 g,

0,1 g - jeżeli masa ważonej frakcji m = 50 - 500 g,

1 g - jeżeli masa ważonej frakcji m > 500g.

Obliczanie wyników

Zawartość poszczególnych frakcji (Zi) należy oznaczyć w [%] według wzoru

Zi = mi/ms * 100 [%]

gdzie:

mi - masa grakcji gruntu [g],

ms - masa wysuszonej próbki gruntu pobranej do badań [g].

Różnica pomiędzy masą wysuszonej próbki gruntu a sumą mas wszystkich frakcji nie powinna przekraczać 0,5% wartości m_s. Do obliczenia wyników różnicę tę należy rozdzielić na wszystkie frakcje, proporcjonalnie do ich mas.

Wykonań wykres krzywej składu ziarnowego przyjmując na osi odciętych wymiary otworów sit w skali logarytmicznej, a na osi rzędnych wagowy udział ziarn o średnicy równej i mniejszej aniżeli dany otwór sita, poczynając od sit o największych otworach. Na wykresie zaznaczamy obszary funkcji podstawowych.

Kształt krzywej uziarnienia umożliwia także ustalenie charakteru uziarnienia gruntu. Wskaźnik różnoziarnistości gruntu, określający stopień niejednorodności gruntu (wg Hanzena), określa się jako stosunek średnicy cząstek d60, których w gruncie wraz z mniejszymi jest 60% do średnicy cząstek d10, których w gruncie wraz z mniejszymi jest 10%.

ANALIZA AREOMETRYCZNA

Zasada oznaczania

W analizie areometrycznej (prowadzonej dla cząstek o średnicach zastępczych mniejszych niż 0,06 - 0,074 mm) wykorzystuje się prawo Stokesa, który ustalił, że drobne cząstki kuliste opadają w cieczach z prędkością jednostajną. Opadaniu cząstek towarzyszy zmniejszanie gęstości objętościowej zawiesiny, którą mierzy się przy pomocy areometru.

Schemat pomiaru gęstości zawiesiny za pomocą areometru:

a) areometr,

b) pomiar:

1 - cylinder z zawiesiną,

2 - areometr (Hi - głębokość zanurzenia środka wyporu nurnika areometru,

100. poprawka na menisk

Przyrządy i materiały

Analiza areometryczna polega na określaniu, przy pomocy areometru, zmian gęstości zawiesiny (otworzonej z danego gruntu poprzez zmieszanie go z wodą) w czsaie i wyznaczeniu na tej podstawie jego składu granulometrycznego.

Część pobranej próki gruntu w stanie nienaruszonej wilgotności (kategoria B próbek [wg starej normy NW]) o masie m_m , pobranego do analizy, powinna być w takiej ilości, aby masa szkieletu gruntowego m_s wynosiła:

• przy iłach 30 - 40 g,

• przy glinach pylastych i pyłach 40 - 60 g,

• przy glinach piaszczystych i piaskach gliniastych 60 - 80 g,

• przy piaskach pylastych 80 - 150 g

Przeznaczony do analizy grunt należy dokładnie wymieszać taką ilością wody destylowanej, aby uzyskał konsystencję miękko plastyczną i pozostawić na kilkanaście godzin w celu jednolitego nasycenia. Z uzyskanej w ten sposób pasty gruntowej należy pobrać dwie próbki do oznaczenia wilgotności i próbkę do oznaczenia gęstości właściwej ρ_s.

Po nasyceniu próbki wodą, co następuje zwykle na drugi dzień, pastę należy powtórnie dokładnie wymieszać, dodając wodę z domieszką stabilizatora. Jako stabilizator stosuje się 25% procentowy roztwór amoniaku o ilości 6 ml na 1000 ml zawiesiny, z czego połowę daje się do wody destylowanej w czasie przygotowywania zawiesiny, a druga połowę należy dodać do zawiesiny ostudzonej i zlanej do cylindra.

Powstałą pastę gruntową należy teraz przemyć przez sito (0,06 lub 0,074 mm) ustawione na dużej parownicy. Cząstki gruntu pozostałe na sicie należy rozcierać palcami, pamiętając o dokładnym zmyciu przylepionych cząstek tak, aby nie nastąpiły straty masy_ używając tryskawki. Przemywanie należy prowadzić do momentu, gdy woda przepływająca przez sito będzie zupełnie czysta. Objętość wody zużytej do przemywania gruntu nie powinna być większa niż 600 ml. Pozostałość na sicie należy wysuszyć i poddać analizie sitowej w przypadku, gdy masa suchej pozostałości przekracza 5% suchej masy całej próbki poddanej badaniu.

Powstałą zawiesinę zlewa się z parowniczki do kolby stożkowej i poddaje się gotowaniu przez pół godziny. Po zakończeniu gotowania i ostudzeniu do temp otoczenia, zawiesinę zlewa się do cylindra miarowego, dopełniając go do 1000 ml wodą destylowaną i dodaje drugą połowę stabilizatora. Cylinder z zawiesiną pozostawia się w spokoju na okres 15 do 20 godzin, zabezpieczając go przed znaczniejszymi zmianami temperatury.

Przed rozpoczęciem pomiarów należy zawiesinę dokładnie wymieszać mieszadełkiem. Mieszanie należy przeprowadzić przez początkowo wolne, później szybkie poruszanie mieszadełkiem wzdłuż osi cylindra. Nie dotykając osadu.

Począwszy od chwili ustawienia cylindra na stole, wykonuje się areometrem pomiary gęstości zawiesiny po 30s, 1, 2, 5, 3o min, 1, 2, 4, 24 godziny. Wykonuje się odczyty z dokładnością do 0,1 jednostki wskaźnika skróconego. Dla zwiększenia dokładności wyników zaleca się po wykonaniu po 24 godzinach wymieszać ponownie zawiesiną w sposób, jak przed wykonaniem badania i powtórne oznaczyć gęstość zawiesiny po 302 1,2,5 oraz 15 minutach.; jako wart miarodajną należy przyjąć średnie arytmetyczne obliczone według wzoru, z tym ze dotyczą temperatury zawiesiny t ( C) z obu ustalonych dla każdych czasów sedymentacji.

Po każdej analizie lub serii analiz) rurkę areometru należy przetrzeć wata nasycona około 10% roztworu węglanu sodu (Na2CO3), a następnie dwukrotnie watą nasyconą wodą destylowaną.

Po upływie czasu T na głębokości HR poniżej zwierciadła zawiesiny, w cylindrze nie będzie cząstek o średnicy równej lub większej d_T. Średnicę tych cząstek oblicza się ze wzoru

gdzie:

n - współczynnik lepkości P [pauz],

ρS - gęstość właściwa szkieletu gruntowego

ρ_W - gęstość wody

T - czas trwania sedymentacji

g - wartość przyspieszenia ziemskiego

Dla gruntów o gęstości właściwej szkieletu gruntowego 2,65 <ρS < 2,80 [g]cm3] średnicę d_T określa się z wzoru uproszczonego

d_T = k d_WZ

k - współczynnik przeliczeniowy równy 0,25 pierw HR

d_WZ - średnica wzorcowa dla HR = 16,0 cm (tabela 4.1)

Procentowy udział zawartości cząstek (Z_T) o średnicach mniejszych niż dT określa się według wzoru

gdzie:

ρ_S - gęstość właściwa szkieletu gruntowego [g/cm3],

ρ_W - gęstość właściwa wody [g/cm3]

m_s - masa szkieletu gruntowego zużytego do analizy [g],

R_T - skrócony wskaźnik odczytu dla czasu opadania T,

c - poprawka na menisk,

Δ R - poprawka na podziałkę areometru,

a - poprawka na temperaturę.

Wynik analizy sitowej i analizy areometrycznej stanowią materiał do wykreślenia krzywej uziarnienia badanego gruntu.

Kształt krzywej uziarnienia umożliwia także ustalenie charakteru uziarnienia gruntu. Wskaźnik różnoziarnistości gruntu, określający stopień niejednorodności gruntu (wg Hazena), określa się jako stosunek średnicy cząstek d60, których w gruncie wraz z mniejszymi jest 60% do średnicy cząstek d10, których w gruncie wraz z mniejszymi jest 10%

U = d60 / d10

Wielkości te wyznacza się z krzywej uziarnienia. W zależności od wielkości rozróżniamy:

U < 5 - grunt równoziarnisty,

5 < U <15 - grunt różnoziarnisty,

U > 15 - grunt bardzo różnoziarnisty

Stopień zagęszczenia gruntów sypkich I_D

Ćwiczenie 5

Struktura gruntu, składające się z ziaren i cząstek, pomiędzy którymi znajdują się pory, sprawia iż może on mień różne zagęszczenie, w zależności od upakowania cząsteczek:

Zmiana objętości porów w piasku w miarę jego zagęszczenia:

a) objętość piasku najbardziej luźnego

b) objętość w naturze (pośrednia),

100. objętość piasku najbardziej zagęszczonego

Stopień zagęszczenia gruntów sypkich jest to iloraz różnicy pomiędzy objętością maksymalną i naturalną danej masy gruntu i różnicy pomiędzy objętością maksymalną i minimalną. Oznacza się go symbolem I_D (liczba niemianowana) i wyznacza z zależności:

Stopień zagęszczenia gruntów sypkich bada się w celu określenia stanu gruntu zalegającego w podłożu fundamentów projektowanej budowli oraz sprawdzenia zagęszczenia wykonywanych nasypów ziemnych.

Można go wyznaczyć także na podstawie znajomości wskaźnika porowatości naturalnej, wskaźnika porowatości maksymalnej oraz wskaźnika porowatości minimalnej.

Porowatość gruntu

Porowatością gruntu n (liczba niemianowana) nazywa się stosunek objętości porów V_P zawartych w danym gruncie do objętości całkowitej próbki V(szkielet gruntu + pory)

Wobec trudności bezpośredniego pomiaru objętości szkieletu i objętości poró posługujemy się metodą pośrednią, opartą na znajomości gęstości właściwej i gęstości objętośiowej szkieletu gruntowego (wyznaczonych laboratoryjnie).

Ponieważ objętość całkowita próbki gruntu jest sumą objętości szkieletu gruntowego i porów zawartych w danej próbce gruntu, to ze wzoru na porowatość otrzymujemy:

Ponieważ gęstość właściwa szkieletu gruntowego wyraża się jako

Gęstość objętościowa

stąd

gdzie:

mx - masa szkieletu gruntowego [g]

n - porowatość gruntu (ułamek dziesiętny)

ros - gęstość właściwa gruntu [g/cm3]

rod - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego [g/cm3]

gammas - ciężar właściwy gruntu [kN/m3]

gammad - ciężar objętościowy szkieletu gruntowego [kN/m3]

Wskaźnik porowatości gruntu

Wskaźnik porowatości gruntu Wskaźnik porowatości gruntu nazywa się stosunek objętości porów zawartych w danym gruncie do objętości szkieletu gruntowego

Wskaźnik porowatości można również wyrazić za pomocą porowatością

Wobec powyższego, zależność pomiędzy porowatością e, a wskaźnikiem porowatości n wyraża się równaniem

Układ ziaren kulistych:

a) ułożenie ziaren najluźniejsze,

b) ułożenie ziaren najbardziej zagęszczonych

Porowatości równoziarnistych piasków i żwirów mieszczą się w tych granicach; piaski różnoziarniste mogą mieć porowatość mniejszą od poprzednio podanych.

Grunty spoiste mają znacznie większe porowatości, gdyż cząstki iłowe (tworzące strukturę komórkową lub kłaczkową) dają bardziej porowate układy.

Metoda punktów narożnych wymyślona przez Steinbrenner'a w 1936 umożliwia wyznaczenie naprężenia pionowego oraz sumy naprężeń głównych pod narożem prostokątnego obszaru obciążonego wg wzoru

Pionowe naprężenie główne:

Suma naprężeń głównych

ŚCIŚLIWOŚĆ GRUNTÓW

BADANIE EDOMETRYCZNE GRUNTÓW

Ściśliwość gruntów - jest to zdolność do zmniejszania objętości pod wpływem przyłożonego obciążenia.

Grunt poddany obciążeniu ściskającemu bez możliwości bocznego rozszerzenia odkształca się zmniejszając swoją objętość na skutek:

• usuwania z gruntu wody wolnej i kapilarnej

• przesuwania się cząstek gruntu względem siebie i zajmowania przez nie innego położenia

• usuwania z gruntu gazów (przeważnie powietrza)

• zgniatania niektórych ziaren gruntu

• sprężystego odkształcenia powłoki wody błonkowej

• sprężystego odkształcenia cząstek gruntu

• sprężystego zmniejszenia objętości powietrza zamkniętego w porach gruntu

Pod wpływem zjawisk wymienionych w punktach e - g występują odkształcenia sprężyste (odwracalne), a zjawiska wymienione w punktach a - d powodują odkształcenia trwałe (plastyczne). Suma odkształceń plastycznych i sprężystych daje odkształcenia gruntu.

Ściśliwość i odprężenie gruntu bada się w laboratorium w edometrach. Jest to badanie modelowe, polegające na stopniowym obciążaniu próbki gruntu, umieszczonej w metalowym pierścieniu, uniemożliwiającym jej boczną rozszerzalność i obserwacji zmian wysokości próbki.

Otrzymujemy zmianę wysokości próbki zależną od obciążenia którą można przedstawić na wykresie w formie krzywej ściśliwości pierwotnej oraz obliczyć edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej.

Edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej M₀ jest to stosunek przyrostu efektywnego naprężenia normalnego do przyrostu całkowitego odkształcenia względnego na krzywej ściśliwości

pierwotnej.

Edometryczny moduł odprężenia M₁ jest to stosunek zmniejszenia naprężenia normalnego do względnego wydłużenia na krzywej odprężenia.

Edometryczny moduł ściśliwości wtórnej M₂ jest to stosunek przyrostu efektywnego naprężenia normalnego do przyrostu całkowitego odkształcenia względnego na krzywej ściśliwości wtórnej.

PRZEBIEG ĆWICZENIA

a. Przy pomocy noża dwudzielnego, w środku którego znajduje się pierścień (4) wycinamy próbkę gruntu o strukturze nienaruszonej. Po wciśnięciu pierścienia w grunt odcinamy pobraną próbkę od pozostałego gruntu.

b. Po otwarciu noża wyjmujemy pierścień z gruntem i wyrównujemy obie powierzchnie (górną i dolną). Obie powierzchnie próbki wyrównuje się nożem prowadzonym od środka próbki do krawędzi. Unika się w ten sposób szczeliny pomiędzy boczną powierzchnią próbki a pierścieniem. Przy badaniach próbek gruntów spoistych o strukturze naruszonej, do pierścienia należy włożyć grunt rozdrobiony na pastę o wilgotności odpowiadającej wilgotności na granicy płynności.

100. ważymy dwukrotnie pierścień wraz z próbką i wpisujemy średni wynik do formularza.

500. Przed wstawieniem pierścienia z próbką do edometru wkładamy wkładkę metalową o wysokości 20 mm z dwiema przekładkami bibuły filtracyjnej. Następnie wkładamy górny filtr, kulkę i trzpień dociskowy oraz ustawiamy czujnik tak, aby wskazywał 10,00 mm. Po uregulowaniu czujnika należy podstawę (12c) ostrożnie odsunąć na bok i wyjąć wkładkę metalową.

e. Na pierścień zakładamy uszczelniającą obrączkę gumową (16)

f. Tak przygotowaną w pierścieniu próbkę gruntu (19) umieszczamy na dolnym filtrze (31). Filtr uprzednio przykrywamy krążkiem bibuły filtracyjnej.

UWAGA. Filtry kamienne przy badaniu próbek o strukturze naruszonej nasyca się wodą, nie zachodzi bowiem okoliczność, aby grunt rozdrobniony na pastę i w pełni nasycony wodą pobierał wodę z filtra. Przy próbkach zaś o strukturze nienaruszonej o małej wilgotności, przy nasyconych filtrach, może zachodzić zjawisko wchłaniania wody z filtrów i pęcznienie próbek. W gruntach makroporowatych o strukturze nietrwałej może mieć miejsce dodatkowe osiadanie po wchłonięciu wody z filtra. Z drugiej strony zupełnie suche filtry mogą same wchłaniać wodę z próbki, aczkolwiek to zjawisko jest raczej rzadkie, gdyż napięcie kapilarne w próbkach jest zazwyczaj większe niż w filtrach. Dlatego należałoby utrzymać filtry w stanie raczej suchym niż zbyt mokrym.

g. Na tak przygotowaną próbkę gruntu nakładamy obudowę edometru (5).

h. Na górną powierzchnię próbki nakładamy krążek bibuły filtracyjnej, a następnie kopułkę (6) wraz z filtrem górnym,

1. Całość umieszczamy na podstawie edometru (1) przytwierdzonej do ramy i ściągamy nakrętkami motylkowymi (2)

j. Na filtr górny nakładamy dolną kulkę przekaźnikową (7) i opuszczamy trzpień dociskowy (8), do którego przy pomocy uchwytu (12a) przytwierdzony jest pręt (12b) z podstawką (12c).

k. Po zamontowaniu edometru i postawieniu stopki czujnika na podstawce (12c) na czujniku uzyska się wartość odczytu wysokości próbki 19.850 mm czujnik wskaże 9,850 mm.

50. Odczytujemy i zapisujemy tę wysokość w przygotowanym formularzu

1000. Przy pomocy śrubki (9) stabilizujemy trzpień dociskowy (8).

1001. Nakrętkę mocującą (10) lekko zalecamy, aż do pierwszego oporu.

o. Przy badaniach z pełnym nawodnieniem doprowadzamy wodę od dołu edometru i przystępujemy do natępnej czynności, po ukazaniu się wody na górnym filtrze. Przy badaniach bez nawodnienia umieszczamy na edometrze osłonę gumową uniemożliwiającą wysychanie próbki.

p. Na gó ną kulkę zakładamy wieszak (obciążnikowy (11) wraz z prętem obciążeniowym uzyskując nacisk na grunt 25 kPa.

q. Odkręcamy śrubkę(9) i przystępujemy do zapisywania kontrolnych odczytów czujnika, które dokonujemy według następującej kolejności: 1 min, 2 min, 5 min, 30 min, a następnie co godzinę aż do trzykrotnego powtórzenia się odczytu. Po każdym odczycie lekko dokręcamy nakrętkę(10) do oporu

r. Następnie przy pomocy śrubki (9) ponownie stabilizujemy trzpień dociskowy, a na pręt nakładamy odpowiednią ilość obciążników zwiększając stopień obciążenia.

s. Odkręcamy śrubkę (9) i prowadzimy dalej badania według zasad podanych poprzednio.

t. Po zakończeniu badań ważymy dwukrotnie wyjęty pierścień z próbki, a średni wynik wpisujemy do formularza.

u. Próbkę wkładamy w pierścieniu do suszarki i suszymy do stałej masy w celu określenia wilgotności gruntu przed badaniem i po badaniu.

Z otrzymanych wyników należy wyliczyć edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej, wtórnej, odprężenia oraz przedstawić wykresy odkształcenia i odprężenia.

Naprężenie prekonsolidacyjne, σ'_{P. [kPa]}

W gruntach, które nie są mocno prekonsolidowane, pozorne naprężenie prekonsolidacji σ'_P. można oznaczyć przez umiarkowane obciążanie, lecz w przypadku mocnych gruntów, może być konieczne obciążanie ciężcie. Istnieje kilka różnych metod oszacowania z wyników badania edometrycznego. Najbardziej znaną jest metoda Cassagrade'a.

W krzywej wskaźnika porowatości lub krzywej pionowego odkształcenia względem logarytmu efektywnego naprężenia pionowego (Rys. A.7) punkt maksymalnej krzywizny (punkt A) jest określany. Linia AV poprowadzona jest przez punkt A styczny do krzywej. Linia AC poprowadzona jest poziomo przez punkt A. Kąt BAC jest oznaczony jako 2a. Linia AD poprowadzona jest jako dwusieczna kąta 2a. Prosta część pierwotnej części krzywej uzyskano by otrzymać linię EF. a EF przecina się z ad Naprężenie I przecięcie jest naprężeniem prekonsolidacji σ'_P.

OZNACZANIE ZAWARTOŚCI CZĘŚCI ORGANICZNYCH W GRUNCIE

Stosunek zawartości części organicznych do masy szkieletu gruntowego, oznaczone określonymi metodami.

W zależności od zawartości części organicznych, oznaczenia przeprowadza się metodą prażenia i metodą utleniania.

1. Metoda utleniania

Jest to metoda podstawowa, której nie należy stosować do torfów i namułów organicznych oraz gdy badany grunt zawiera makroskopowe rozróżnialne części drewna, zdrewniałe części roślin, korzeni i inne.

Przygotowanie i przeprowadzenie badania:

• Z gruntu przeznaczonego do badań, pobieramy próbkę o masie co najmniej 300 g, którą należy dokładnie wymieszać, a następnie metodą kwartowania, pomniejszyć tak aby po wysuszeniu do stałej masy wynosiła ona od 30 do 50g. Próbkę należy wysuszyć, schłodzić, odważyć 10 g, wsypać do zlewki i całość zważyć. Następnie do zlewki wlewamy 30% roztwór wody utlenionej, ok 30 cm³, przykrywamy zlewkę i całość podgrzewamy do temp. 60^O C. należy uważać, aby zawartość w zlewce nie pieniła się zbyt silnie. Podgrzewanie prowadzimy przez 3 godziny, aż gdy po dodaniu kolejnych 10 cm³ wody utlenionej nie będą się wydzielały pęcherzyki gazu. Zawartość podczas podgrzewania, nie może pienić się, pryskać, ani wrzeć. Po zakończeniu podgrzewania zawartość w zlewce gotujemy, aż do uzyskania gęstej konsystencji. Całość wstawiamy do suszarki i suszymy do stałej masy, a po ochłodzeniu w eksykatorze ważymy.

Zawartość związków organicznych w gruncie obliczamy ze wzoru:

m_st -

m_u -

m_t - masa zlewki

2. Metoda prażenia

Stosuje się ją dla gruntów dla których nie można stosować metody utleniania oraz dla gruntów małospoistych zawierających mniej niż 5% CaCO_{3 .} Przygotowanie próbki wykonuje się jak w metodzie utleniania. Próbkę gruntu wsypujemy do wyprażonego i zważonego tygielka porcelanowego. Całość ważymy, a następnie prażymy w temp 600 ^O C - 800 ^O C przez około 4 godziny. Powierzchnia próbki powinna mieć w tym czasie barwę ciemnoczerwoną. Po ostudzeniu w eksykatorze całość ważymy a następnie prażymy przez następne 3 godziny. Czynności powtarzamy do uzyskania stałej masy. Po ostatnim ważeniu próbkę należy dokładnie sprawdzić na szkiełku zegarkowym. Jeżeli znajdziemy czarne, zwęglone ale nie spalone części organiczne, to należy je rozkruszyć i prażyć jak poprzednio.

Zawartość części organicznych w tej metodzie obliczamy następująco:

m_st - masa tygielka z próbką suchą

m_p - masa tygielka z masą wyprażoną

m_t - masa tygielka

ż₁ - poprawka procentowa zależna od zawartości węglanów w gruncie

0,0% jeżeli CaCO₃ < 1%

0,5% jeżeli 1% < CaCO₃ < 3%

1,0% jeżeli 3% < CaCO₃ <5%

ż₂ - poprawka procentowa uwzględniająca straty wody krystalizacyjnej przez minerały frakcji iłowej i pyłowej

1,0% - Pg

1,5% - PI, Pi_p

KAPILARNOŚĆ GRUNTU

Pory w gruncie łączą się ze sobą, tworząc sieć kanalików, często o bardzo małych przekrojach, które można uważać za rurki kapilarne. Na skutek adchezji (przyczepność wody do ścianek gruntu) oraz napięcia powierzchniowego woda w kapilarach, może się unosić na pewną wysokość nad poziom swobodnego zwierciadła (kapilarność czynna) oraz utrzymywać się na tej wysokości, pomimo pewnego obniżenia się zwierciadła wody (kapilarność bierna).

RYSUNEK

Zjawisko podnoszenia się wody i jej utrzymywanie się ponad swobodnym zwierciadłem wskazuje na to, że w wodzie kapilarnej występuje podciśnienie (rozciąganie) zaś w szkielecie gruntowym - ściskanie. Wysokość podciągania wody zawsze zależna jest od średnicy kapilar czyli od wielkości porów w gruncie.

Oznaczenie kapilarności czynnej

Kapilarność czynna gruntu H_kc jest to maksymalna wysokość na jaką podniesie się woda w porach gruntu ponad poziom swobodnego zwierciadła wody gruntowej.

Oznaczenie H_kc.

Oznaczenie przeprowadza się na próbkach naruszonych (NU lub kat C.). Grunt przeznaczony do badań suszymy do stałej masy. Po ochłodzeniu rozdrabniamy aby nie było w nim grudek. Gruntem wypełniamy za pomocą lejka rurkę zakończoną filtrem lub siatką. Wypełnianie rurki należy wykonać warstwami po 2 cm, i każdą warstwę zagęszczać za pomocą ubijaka do stanu zbliżonego do naturalnego. Rurkę stawiamy w pozycji pionowej i mocujemy za pomocą statywu. Naczynie w którym stoi rurka, napełniamy wodą destylowaną o temp pokojowej. Wysokość obserwuje się na podstawie zmiany zabarwienia gruntu. Podczas badania poziom wody w naczyniu musi być stały. Za początek badania przyjmuje się czas gdy poziom wody w gruncie ustali się równo z poziomem wody w naczyniu. Od tej chwili sprawdzamy czas i wysokość kapilarnego podnoszenia się wody w gruncie po upływie 1, 2, 5, 10, 15 i 30 minut oraz po 1, 2, 4, 6 i 24 godzinach. Aż do uzyskania dwóch jednakowych odczytów. H_kc stanowią dwa ostatnie odczyty wykonane w odstępie 24 godzin.

Oznaczenie kapilarności biernej

H_kb jest to maksymalna wysokość na jakiej utrzymuje się woda wypełniająca całkowicie pory gruntu. Ponad poziomem swobodnego zwierciadła wody gruntowej, przy jego obniżaniu się. Przyjmuje się, że jest ona równa wielkości podciśnienia mierzonego w centymetrach słupa wody przy którym przebija się powietrze przez próbkę gruntu podczas badania. Oznaczenie przeprowadza się dla gruntów sypkich lub o nieznacznej spoistości. Z badań należy wykluczyć grunty zawierające ponad 50% ziarn większych niż 2 mm oraz gruntu makroskopowo niejednorodne. Grunt musi być wysuszony, schłodzony, nie posiadać grudek oraz być pozbawiony ziaren powyżej 2 mm. Pobieramy z niego metodą kwartowania 5 próbek o masie 20 g każda. Oznaczenie wykonujemy na 3, a 2 pozostałe służą do weryfikacji jeżeli nie uzyskamy odpowiedniej dokładności. Rurkę z lejkiem należy zanurzać powoli w wodzie do momentu gdy poziom wody osiągnie około 15 mm powyżej dolnego końca lejka. Do lejka wkładamy sączek filtracyjny zwinięty w stożek przytrzymując go na dnie pod wodą. Przygotowany grunt wsypujemy małymi porcjami do lejka ugniatając delikatnie aby pozbyć się powietrza. Wysokość próbki to około 25 mm. Woda i próbka w temp. pokojowej.

1. Badanie wstępne

Lejek z próbką gruntu podnosimy równomiernie z prędkością około 1 cm/s do chwili gdy pod próbką utworzy się pęcherzyk powietrza. Wówczas należy zmierzyć różnicę poziomy spodu próbki i zwierciadła wody w naczyniu. Różnicę tą uznaje się za wstępną kapilarność bierną.

2. Badanie właściwe

Przeprowadza się równolegle w dwóch następnych próbkach w taki sam sposób jak w badaniu wstępnym, z tą różnicą, że lejek podnosi się do wysokości 70% wstępnej kapilarności biernej pozostawiając go nieruchomo w ciągu 5 minut. Jednocześnie obserwując czy pod sączkiem nie utworzył się pęcherzyk powietrza. Jeżeli nie powstał należy przesunąć lejek równomiernie bez drgań do położenia wyższego o 5 cm i pozostawić znowu na 5 minut. Podnoszenie takie należy przeprowadzać do chwili aż pod sączkiem powstanie pęcherzyk powietrza na skutek przebicia się jego przez próbkę. Notujemy czas i wysokość lejka nad zwierciadłem wody w naczyniu.

WYZNACZANIE WYTRZYMAŁOŚCI GRUNTU NA ŚCINANIE METODĄ BEZPOŚREDNIĄ I TRÓJOSIOWĄ

Wytrzymałością na ścinanie gruntu nazywamy największe naprężenie ścinające przejmowane przez grunt w chwili wystąpienia ścięcia. Przekroczenie wytrzymałości na ścinanie prowadzi do poślizgu pewnej części gruntu w stosunku do pozostałej, a więc do zniszczenia gruntu. Poślizg następuje w płaszczyźnie ścinania ale czasami może obejmować pewną strefę przeciążonego gruntu.

Zależy od dwóch sił: siły tarcia wewnętrznego i siły spójności gruntu - kohezji.

σ- naprężenie normalne prostopadłe do powierzchni ścinania [kPa]

ϕ - kąt tarcia wewnętrznego

C_u - kohezja - spójność gruntu [kPa]

Dla gruntów niespoistych Cu = 0

Tarcie wewnętrzne wywołane jest oporem ziaren przy przesuwaniu względem siebie, zależy ono w znacznym stopniu od zagęszczenia gruntu a także od rodzaju ocierających się powierzchni. Spójność jest cechą gruntów spoistych i powstaje w wyniku działania cząsteczkowych i kapilarnych sił oraz wskutek cementującego działania roztworów koloidalnych. Na spójność duży wpływ ma zagęszczenie gruntu i jego wilgotność. Określenie wytrzymałości na ścinanie sprowadza się do określenia kąta wewnętrznego i spójności.

Metoda oznaczenia:

Metoda podstawowa

Próbkę gruntu umieszczamy w aparacie skrzynkowym i obciążamy obciążeniem jednostkowym - normalnym którego wielkość wynika z potrzeb i obliczeń statycznych. W tym celu nakładamy na wieszak odpowiednie obciążniki tarczowe wywołujące to jednostkowe obciążenie normalne. Siłę obciążenia próbki należy przeprowadzić pomiary osiadań aż do ich stabilizacji. Po osiągnięciu stabilizacji obciążamy próbkę dodatkowym obciążeniem jednostkowym o innej wielkości dla każdej z próbek. Standardowo używa się 100, 150, 200, 300 i 400 kPa. Przed rozpoczęciem ścinania należy wybrać odpowiednią prędkość ścinania oraz dokręcić lekko śruby powodując uniesienie ramki górnej o ok. 1 mm. Po 5 minutach działania obciążenia dodatkowego przeprowadzamy ścinanie przez przesuwanie dolnej części skrzynki względem górnej części ze stałą prędkością. W międzyczasie odczytujemy siłę ścinającą, wysokość próbki i przemieszczenie skrzynki aparatu. Gdy kolejne odczyty wykażą zmniejszanie się siły ścinającej badanie należy przerwać. Po zakończeniu ścinania próbkę najpierw odciążamy doprowadzamy śrubę do położenia wyjściowego i wyjmujemy próbkę z aparatu. Po wyjęciu próbki należy oznaczyć jej wilgotność i gęstość objętościową. Dla każdej z próbek wykonujemy dwa oznaczenia wilgotności przy czym jedno dla górnej części a drugie dla dolnej części. (na samym dole i na samej górze)

Obliczenie wytrzymałości próbki na ścinanie przeprowadzamy z następujących wzorów

Q_max - największa wartość siły ścinającej

F - powierzchnia próbki

a - wielkość odkształcenia dynamometru

b - stała dynamometru

Metoda trójosiowego ściskania

W aparacie trójosiowego ściskania próbka gruntu poddawana jest trójosiowemu stanowi napięcia w którym występuje naprężenie główne, normalne i styczne.

Badanie trójosiowe próbki polega na ściskaniu jej parą naprężeń głównych działających prostopadle do siebie. Pod wpływem której w dowolnej płaszczyźnie następuje zniszczenie próbki w wyniku przekroczenia wytrzymałości na ścinanie.

Przygotowanie próbki do oznaczenia:

Do badania potrzebne jest kilka próbek o średnicy 38 mm i wysokości 76 mm. Grunt o nienaruszonej strukturze bądź też próbka kategorii A. Po wyjęciu próbki z cylindra należy wyrównać górną i dolną powierzchnię.

Następnie zamontować próbkę na perforowanej podkładce z bibułą filtracyjną, od góry przyłożyć drugą perforowaną podstawkę i całość obłożyć płaszczykiem gumowym. Następnie zamontować próbkę na podstawie aparatu trójosiowego ściskania i dla pewności założyć dodatkową gumową osłonkę.

Na trzon podstawy i górny tłok zakładamy najlepiej podwójnie pierścienie uszczelniające gumowe.

Metody oznaczania:

ścinanie przeprowadzamy metodą zasadniczą bądź przybliżoną. Metoda zasadnicza polega na wytworzeniu za pomocą wody sprężonego powietrza ciśnienia σ₃ o wielkości kolejno 100, 200, 300 i 400 kPa. Przy każdym z tych ciśnień należy doprowadzić do ścięcia próbki przez stopniowe zwiększanie nacisku pionowego przekazywanego na próbkę przez tłok roboczy. Wielkość tego nacisku odczytujemy na dynamometrze pierścieniowym. Moment ścięcia uwidacznia się tym, że mimo zwiększania siły wskazówka czujnika będzie stała lub wartość się zmniejszy.

Interpretacja pomiaru

Z bezpośrednich pomiarów uzyskanych w czasie badania należy obliczyć naprężenia główne powstałe w próbce gruntu wskutek ciśnienia poziomego i pionowego. Ciśnienie poziome σ₃ jest równe ciśnieniu wody wywieranemu na próbkę gruntu, a ciśnienie pionowe σ₁ jest sumą naprężeń przekazywanych przez tłoczek i wodę według wzoru

a - odczyt na czujniku dynamometrycznym

b - stała dynamometru

F - powierzchnia przekroju poziomego tłoczka (musi być równa powierzchni przekroju próbki)

Metoda szybka → pomiary dla 1 próbki gruntu. Doprowadzanie do rozpoczęcie działania ścinania, można tak zwiększać obciążenie 4 krotnie. Interpretacja pomiaru jest dużo cięższa.

---