P O L I T E C H N I K A W R O C Ł A W S K A

Instytut Geotechniki i Hydrotechniki Zakład Mechaniki Gruntów

SPRAWOZDANIE NR 3

• Stopień zagęszczenia

i stany gruntów niespoistych

Sprawdziła: Wykonał:

mgr inż. H. Konderla Remigiusz Gąsiorowski

rok III , grupa 1

1. Grunty spoiste

1.1. Granice konsystencji.

Pod pojęciem konsystencji rozumie się stopień ruchliwości układu cząstek, zależny od ilości wody i stanu fizycznego tych cząstek.

Rozróżnia się trzy konsystencje gruntów spoistych: płynną, plastyczną i zwartą.

Attenberg zdefiniował trzy granice konsystencji : granicę płynności w_L i granicę plastyczności w_p. oraz granicę skurczalności w_s (wilgotność na granicy stanu półzwartego i zwartego). Na granicy między konsystencją płynną i plastyczną znajduje się granica płynności w_L, a na granicy między konsystencją plastyczną i zwartą granica plastyczności w_p. Wyznacza się je umownie.

Granica płynności w_L 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 1 cm i wysokości 1mm.

Granica plastyczności w_p jest to największa procentowa zawartość wody w gruncie, mierzona w stosunku do jej suchej masy, przy której grunt rozwałkowany w kulki o średnicy 7÷8 mm w wałeczek o średnicy 3 mm zaczyna się kruszyć, pękać i rozsypywać.

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

1.1.1. Oznaczanie granic konsystencji.

1.1.1.1. Metoda Casagrande'a.

Granicę płynności w_L oznacza się w aparacie Casagrande`a. 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.

1. Do badań przygotowuje się odpowiednio pastę gruntową :

próbkę gruntu o masie ok. 100 g rozdrabnia się, zalewa wodą i usuwa z niej

ziarna o średnicy większej od 2 mm,

2. Pastę układa się w miseczce aparatu warstwami.

3. Łączna masa gruntu i miseczki powinna wynosić 210 g.

4. W paście wykonuje się odpowiednim rylcem bruzdę rozdzielającą warstwę

pasty na dwie części.

5. Obraca się korbką z prędkością 2 uderzenia na sekundę powodując uderzenia

miseczki o podkładkę.

6. Uderzenia liczy się od momentu, w którym bruzda łączy się na długości 1 cm i wysokości 1 mm.

7. Z bruzdy pobiera się próbkę do badań wilgotności.

8. Następnie, pozostałą pastę miesza się z niewielkim dodatkiem wody i ponownie i powtarza się powyższe czynności.

9. Do wyznaczenia granicy płynności wykonuje się minimum 5 oznaczeń, w granicach 10 ÷ 40 uderzeń.

10. Wyniki badań nanosi się na wykres w = f ( N ). Z wykresu odczytuje się wilgotność odpowiadającą 25 uderzeniom.

Tak oznaczona wilgotność jest granicą płynności w_L.

1.1.1.2 . Metoda Wasiliewa.

Według tej metody wilgotność gruntu równa się granicy płynności , gdy odpowiedni stożek zagłębi się w paście gruntowej na głębokość 1 cm .

1.1.1.3. Pomiędzy granicą płynności w_L oznaczoną metodą Casagrande`a i oznaczoną metodą Wasiliewa istnieje zależność :

 Wałeczkowanie.

Granicę plastyczności w_p 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 wałeczkowaniu wałeczek ulegnie uszkodzeniu (spęka, rozwarstwi się lub rozsypie). Wszystkie kawałki wałeczka wkłada się do naczynia wagowego i zamyka przykrywką. Czynność wałeczkowania powtarza się tyle razy, aż w dwu naczyniach zbierze się po ok. 5 ÷ 7 g gruntu. Następnie określa się wilgotność wałeczków, równą granicy plastyczności w_p .

1.1.1.5. Oznaczenie granicy skurczalności.

1. Z gruntu wycina się dwie próbki o objętości około 20 - 30 cm³.

2. Umieszcza się je w parowniczkach i suszy w temperaturze 105 - 110 ^OC do stałej masy.

3. Próbki ochładza się, waży, oznacza ich objętość i gęstość właściwą szkieletu gruntowego

Granicę skurczalności w_s oblicza się wg wzoru :

gdzie :

ρ_W - gęstość właściwa wody ;

ρ_S - gęstość właściwa gruntu ;

ρ_d - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego ;

Granice konsystencji w_L i w_p należy określać na próbkach gruntu o wilgotności naturalnej, bez uprzedniego ich podsuszania. Podsuszanie gruntu powoduje znaczny wzrost granicy płynności, zmniejszenie o ok. 1 ÷ 5% ( względnych ) granicy plastyczności.

1.2. Wskaźnik plastyczności.

Wskaźnik plastyczności jest to różnica pomiędzy granicą płynności i granicą plastyczności :

I_p = w_L - w_p

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 ( montmorylonitu ) wynoszą powyżej 200% ( 215 ÷ 656% ), a dla 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_p - wskaźnik plastyczności ;

f_i' - zawartość frakcji iłowej ( o uziarnieniu 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≥ 2

Wskaźnik plastyczności przyjęto za podstawę klasyfikacji gruntów pod względem spoistości .

Znając aktywność koloidalną gruntu wskaźnik plastyczności można policzyć ze wzoru :

1.3. Stopień plastyczności i konsystencji.

Stany plastyczności I_L oraz stopień konsystencji I_k oblicza się wg wzorów:

gdzie:

w_n - wilgotność naturalna,

w_P -granica plastyczności,

w_L -granica płynności,

I_P -wskaźnik plastyczności.

Stopień plastyczności i stany gruntów można określać także na podstawie badań polowych, np. za pomocą sondowania sondą cylindryczną (SPT) lub metodą wałeczkowania zaproponowaną przez Wiłuna w 1951 r.

Metodą wałeczkowania oznacza się liczbę wałeczkowań X, jaka jest potrzebna do zmiany wilgotności gruntu od wilgotności naturalnej do granicy plastyczności ( w_n -w_P ) oraz zawartość frakcji iłowej f_i^` na podstawie zachowania się wałeczka pod koniec wałeczkowania.

Po przekształceniu zależności otrzymuje się wzór na stopień plastyczności wg metody wałeczkowania:

gdzie:

X - liczba wałeczkowań,

1,25 - strata wilgotności przy jednym wałeczkowaniu,

A - wskaźnik aktywności koloidalnej,

f_i^′ - zawartość frakcji iłowej (w uziarnieniu poniżej 2mm).

1. Stany i konsystencje gruntów oraz ich spoistość.

Za miarę spoistości gruntów przyjęto wskaźnik plastyczności. Wyróżniamy grunty :

** Niespoiste I_P < 1 %

** Spoiste I_P > 1 %

mało spoiste 1 % < I_P < 10 %

średnio spoiste 10 % < I_P < 20 %

zwięzło spoiste 20 % < I_P < 30 %

bardzo spoiste I_P > 30 %

Za kryterium podziału gruntów na stany i konsystencje przyjęto granice konsystencji, wilgotność naturalną oraz stopień plastyczności.

I_L < 0 oraz w_n < w_s stan zwarty

I_L < o oraz w_s < w_n < w_p stan półzwarty konsystencja zwarta

0 < I_L < 0,25 stan twardoplastyczny

0,25 < I_L < 0,50 stan plastyczny, konsystencja plastyczna

0,50 < I_L < 1,0 stan miękkoplastyczny

I_L > 1,0 lub w_n > w_L stan płynny, konsystencja płynna

2. Grunty niespoiste

2.1. Stopień zagęszczenia

Stopień zagęszczenia gruntów niespoistych I_D 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 _max i naturalnym V. Największym możliwym zagęszczeniem gruntu określa się różnicę objętości próbki gruntu w stanie najbardziej luźnym V _max i najbardziej zagęszczonym

V _{min .}

Stopień zagęszczenia oblicza się po uwzględnieniu zależności wg wzoru:

gdzie:

e_max - wskaźnik porowatości maksymalnej obliczany dla gęstości

objętościowej ρ_{d min} przy najbardziej luźno usypanym

gruncie suchym,

e_min - wskaźnik porowatości minimalnej obliczany dla gęstości

objętościowej ρ_{d max} przy możliwie największym

zagęszczeniu gruntu suchego przez wibrację

e - wskaźnik porowatości naturalnej odpowiadający ρ_{d .}

2.2 Laboratoryjne metody badania stopnia zagęszczenia.

Oznaczenie granicznych gęstości objętościowych szkieletu gruntowego ρ_{d min} i ρ_{d max} niezbędnych do obliczenia granicznych wskaźników porowatości e _max i e _min niespoistych gruntów drobnoziarnistych przeprowadza się w metalowym cylindrze o znanych wymiarach, zaopatrzonym w tłok.

Gęstość ρ_{d min} 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 1 min, uderzając widełkami o ściany cylindra. Grunt uznaje się za zagęszczony do ρ_{d max} , jeżeli trzy kolejne pomiary zagłębienia tłoka po każdorazowym dodatkowym 30-sekundowym zagęszczaniu nie wykazują zmian.

Przedstawiona metoda oznaczania ρ_{d min} i ρ_{d max} ma zastosowanie do niespoistych gruntów drobnoziarnistych o zawartości największych ziarn d=2 ÷ mm poniżej 5%.

Badania ρ_{d min} i ρ_{d max} gruntów gruboziarnistych i kamienistych przeprowadza się w cylindrze wielkowymiarowym o średnicy D ≥ 5d_max ( d _max - średnica największych ziarn w gruncie).

Oznaczenie ρ_{d min} 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. Oznaczenie ρ_{d max} wykonuje się metodą wibracji gruntu w cylindrze na stole wibracyjnym zapewniającym amplitudę 0,4mm .

Po oznaczeniu ρ_{d min} i umieszczeniu cylindra z gruntem na stole wibracyjnym ustawia się na górnej powierzchni płytę, zadaje przez sprężynę nacisk σ   kPa i wibruje przez 2 min. Następnie przerywa się wibrację, dociska sprężynę do σ   kPa i ponownie wibruje przez 3 min. Po zakończeniu wibracji określa się wysokość i objętość próbki oraz ρ_{d max} .

2.3. Stany gruntów niespoistych.

Zależnie od stopnia zagęszczenia rozróżnia się cztery stany zagęszczenia gruntów niespoistych :

luźny 0 < I _D ≤ 0,33

średnio zagęszczony 0,33 < I _D ≤ 0,67

zagęszczony 0,67 < I _D ≤ 0,80

bardzo zagęszczony 0,80 < I _D < 1,00

2.4. Polowe metody oznaczania stopnia zagęszczenia gruntów

Należy zaznaczyć, że pobieranie próbek gruntu niespoistego o strukturze NNS nastręcza wiele trudności lub wręcz jest niemożliwe. W związku z powyższym, do określania stopnia zagęszczania stosuje się metody sondowania.

Ze względu na sposób wprowadzania sond w grunt rozróżnia się sondy wciskane, wkręcane i wbijane - tzw. udarowe . 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 uderzeniami młota o masie dla sondy SL= 10 kg, ITB-ZW = 22 kg oraz S.C. i SPT = 65kg, przy wysokości opadania odpowiednio 50, 25 i 75 cm.

W czasie sondowania notuje się liczbę uderzeń N_x potrzebną do zagłębienia na głębokość x = 10, 20 i 30 cm odpowiednio dla sondy SL i ITB-ZW (N₁₀ ), S.C. (N₂₀) i SPT (N₃₀).

3. Grunt nasypowy.

3.1. Wskaźnik zagęszczenia

Miernikiem charakteryzującym jakość zagęszczenia nasypu jest wskaźnik zagęszczenia I_s który wyznacza się wg wzoru :

gdzie:

ρ_{d nas} - gęstość objętościowa szkieletu gruntu w nasypie,

ρ_ds - maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntu uzyskana

w warunkach określonych normą.

Przyjmuje się, że nasyp jest dobrze zagęszczony, jeżeli I_s > I_Sdop. Wartość I_Sdop ustala się w nawiązaniu do projektowanych cech mechanicznych gruntu nasypowego.

3.2. Badania zagęszczalności gruntów nasypowych.

3.2.1. Badania Proctora

Do oznaczenia ρ_ds. i w_opt stosuje się dwie metody laboratoryjne polegające na ubijaniu drobnoziarnistego gruntu w cylindrze: metodę normalną (Proctora) i zmodyfikowaną. Metody te różnią się ilością energii stosowanej do zagęszczania gruntu w przeliczeniu na jednostkę jego objętości. Energia zagęszczenia według normy PN-88/B-04481 w metodzie normalnej wynosi E₁ = 0,59 J/cm², a w metodzie zmodyfikowanej E₂ =2,65 J/cm².

Norma rozróżnia, zależnie od energii i wymiarów cylindra, liczby warstw cztery metody badania.

Badanie w_opt i ρ_ds. polega na zagęszczaniu ok. pięciu próbek gruntu ubijakiem w odpowiednim cylindrze, 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 od wilgotności. Z wykresu określa się wilgotność optymalną odpowiadającą maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu.

3.2.2. Badania gruntów gruboziarnistych i kamienistych.

Badania zagęszczalności tj. w_opt i ρ_ds. gruntów gruboziarnistych i kamienistych o uziarnieniu d₉₅ > 10mm należy wykonywać w aparatach wielkowymiarowych. Średnica cylindra D wynosi co najmniej 5 średnic maksymalnych ziarn w gruncie d_max (D > 5d_max), a wysokość H = D. Oznaczenie w_opt i ρ_ds. można wykonać metodą ubijania ( Proctora ) i metodą wibracji. Metodę ubijania można stosować dla wszystkich rodzajów gruntów, jednak ze względu na dużą pracochłonność zaleca się stosować dla gruntów zaglinionych ( f_i>2% ).

Metodę wibracji zaleca się stosować do gruntów niespoistych ( f_i<2% ). W przypadku konieczności oznaczenia w_opt i ρ_ds gruntów zawierających bardzo duże ziarna oraz braku odpowiednio dużych aparatów wielkowymiarowych parametry te można określić metodą laboratoryjno - obliczeniową.

3.2.3. Badanie w_opt i ρ_ds. metodą ubijania.

Badanie w_opt i ρ_ds. gruntów o uziarnieniu d_max < 200mm można wykonywać w aparacie wielkowymiarowym opracowanym pod kierownictwem Wiłuna. Aparat składa się z cylindra o średnicy 1,0m. i wysokości 1,3m, ubijaka i obrotowej prowadnicy rurowej, w której opada ubijak. W aparacie można ubijać grunt wg metody normalnej i zmodyfikowanej.

Do wyznaczenia krzywej zagęszczalności i określenia w_opt i ρ_ds. należy, podobnie jak przy badaniu gruntów drobnoziarnistych, wykonać ok. 5 zagęszczeń próbek gruntu o różnej wilgotności ( kolejno rosnącej o 1÷2% ).

3.3. Metoda laboratoryjno - obliczeniowa

Jeśli w badanym gruncie występują ziarna o średnicy większej od dopuszczalnej dla danego aparatu, parametry w_opt i ρ_ds. gruntu o naturalnym uziarnieniu można określić na podstawie badań w′_opt i ρ′_ds. gruntu po odsianiu grubych ziarn.

Maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntu o pełnym uziarnieniu :

Obliczeniową wilgotność optymalną gruntu naturalnego można wyznaczyć ze wzoru:

w_opt = (1 - P) × w′_opt + w_gP

gdzie:

w′_opt - wilgotność optymalna gruntu po odrzuceniu grubych ziarn,

w_g - wilgotność odrzuconych ziarn grubych,

P - zawartość ziarn grubych w stosunku do masy gruntu o

naturalnym uziarnieniu,

ρ′_ds - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego po odsianiu

grubych ziarn,

ρ_s - gęstość ziarn grubych.

4

---