A. Oznaczenie gęstości objętościowej, właściwej i wilgotności gruntu

OPIS TEORETYCZNY

Gęstością objętościową (ρ) gruntu nazywa się stosunek masy próbki gruntu (w stanie naturalnym) do jej objętości. Wyznacza się ją ze wzoru: gdzie ρ - gęstość objętościowa [t/m³, g/cm³],
m_m - masa próbki gruntu w stanie naturalnym [t, g],
V - objętość badanej próbki gruntu [m³, cm³].

Gęstość objętościowa jest jednym z parametrów charakteryzujących strukturalno-teksturalne właściwości gruntów. Jej wartość zależy od składu mineralnego, porowatości i wilgotności gruntów. W zależności od rodzaju gruntu oraz stanu i wielkości próbki, przeznaczonej do badań, przy oznaczaniu gęstości objętościowej gruntu stosuje się jedną z czterech metod:

1) metodę pierścienia tnącego,

2) metodę rtęciową,

3) metodę wyporu hydrostatycznego ( parafinowania ),

4) metodę oznaczania gęstości objętościowej w cylindrze.

Pierwsze trzy metody stosuje się przy badaniu gruntów spoistych, drugą i trzecią również dla gruntów skalistych, metodę czwartą - przy badaniu gruntów niespoistych. Spośród wymienionych powyżej metod oznaczania gęstości objętościowej metoda pierścienia tnącego jest metodą najprostszą, najszybszą i przy dokładnym wykonaniu oznaczenia pozwala również na uzyskanie bardzo dokładnych wyników. Należy więc ją stosować zawsze tam, gdzie rodzaj, stan gruntu oraz jego ilość na to pozwalają.

Gęstością właściwą (ρ_s) szkieletu gruntowego nazywamy stosunek masy szkieletu gruntowego do jego objętości. Wyznacza się ją ze wzoru, gdzie: ρ_s - gęstość właściwa szkieletu gruntowego [g/cm³, t/m³],
m_s - masa szkieletu gruntowego [g, t],
V_s - objętość szkieletu gruntowego [cm³, m³].

Gęstość właściwa szkieletu gruntowego zależy od składu mineralnego gruntu i domieszek, które zawiera. Parametr ten oznaczamy dwiema metodami, przy czym wybór metody zależy od rodzaju gruntu: - metoda piknometru (dla gruntów nie zawierających soli mineralnych rozpuszczalnych w wodzie),
- metoda kolby Le Chateliera (dla gruntów zawierających sole mineralne rozpuszczalne w wodzie i gruntów organicznych).

W większości przypadków stosuje się metodę piknometru opisaną w normie PN-88/B-04481. Metoda ta pozwala uzyskać miarodajne wyniki pod warunkiem bardzo dokładnego ważenia i odpowietrzenia próbki (zwłaszcza dla gruntów spoistych).
Polska norma PN-88/B-04481 zaleca gotowanie próbki w celu odpowietrzenia.

Wilgotnością naturalną (w_n) nazywamy stosunek masy wody zawartej w danej próbce gruntu w warunkach naturalnych do masy szkieletu gruntowego tej próbki. Wyznaczamy ją wzorami: gdzie:

w_n - wilgotność naturalna [% lub liczba bezwzględna],
m_w - masa wody zawarta w próbce [g],
m_s - masa szkieletu gruntowego [g].

Masę szkieletu gruntowego uzyskuje się poprzez suszenie próbki w temperaturze 105 - 110^oC. Zakładamy, że w tej temperaturze grunt traci całą wodę wolną.

Gęstością objętościową szkieletu gruntowego (ρ_d) nazywamy stosunek masy szkieletu gruntowego do objętości całej próbki. Definicję tę ilustruje wzór:

Praktycznie obliczenia gęstości objętościowej szkieletu gruntowego dokonujemy wzorami:

We wzorze pierwszym wilgotność podajemy w wartości bezwzględnej, w drugim w procentach.

SPOSÓB WYKONANIA ĆWICZENIA

I Oznaczenie gęstości objętościowej metodą pierścienia tnącego

1. Przygotowanie próbki do badania
   Badanie gęstości objętościowej przeprowadza się na próbkach o nienaruszonej strukturze i naturalnej wilgotności. Dla potrzeb ćwiczeń dydaktycznych ograniczymy się do próbki o strukturze naruszonej.

2. Wykonanie badania

• 
  zważyć i zmierzyć pierścień w celu określenia jego masy i objętości,

• wcisnąć pierścień równomiernie w grunt,

• pierścień oczyścić z gruntu z zewnątrz,

• wyrównać górną i dolną powierzchnię gruntu równo z krawędziami pierścienia,

• ważyć pierścień wraz z gruntem, określić masę gruntu m_m,

• badanie wykonać dwukrotnie.  Wycinarka i pierścień z gruntem.

3. Obliczenie wyników
   Otrzymane wartości podstawić do wzoru . Obliczyć średnią z dwóch oznaczeń. Porównać z wartościami normowymi. Ustosunkować się do otrzymanych wyników.

II Oznaczenie gęstości właściwej szkieletu gruntowego

1. Przygotowanie próbki do badania
   - pobrać wysuszoną próbkę gruntu o masie:

• dla gruntów niespoistych oraz piasków gliniastych, pyłów piaszczystych i pyłów 40-50g,

• dla glin piaszczystych, glin, glin pylastych 35-40g,

• dla glin zwięzłych, glin pylastych zwięzłych, iłów piaszczystych, iłów i iłów pylastych 25-30g,

Wykonanie badania

• 
  zważyć pustą i suchą kolbę (piknometr), m_t ,

• wsypać przygotowaną próbkę do kolby,

• zważyć kolbę wraz z próbką, m_gt ,

• wypełnić kolbę wraz z gruntem wodą destylowaną do około 2/3 objętości,

• dpowietrzyć próbkę (w przypadku gruntu niespoistego pomijamy gotowanie, wystarczy dokładne wymieszanie),

• uzupełnić wodą destylowaną do kreski na szyjce kolby (menisk dolny pokrywa się z kreską),

• zważyć kolbę wraz z gruntem i wodą, m_wgt ,

• wylać zawartość kolby , dokładnie opłukać, napełnić kolbę ponownie wodą destylowaną do kreski i zważyć, m_wt ,

• 
  badanie wykonać dwukrotnie. Rys. 1. Schemat wyjaśniający wyznaczanie objętości szkieletu gruntowego metodą piknometru

• 
  Obliczyć masę szkieletu gruntowego z wzoru:

• Obliczyć objętość szkieletu gruntowego z wzoru:

Otrzymane wartości podstawić do wzoru wynikającego z definicji. Jako wynik miarodajny przyjąć średnią arytmetyczną dwóch wartości nie różniących się między sobą więcej niż o 0,02g/cm³
Porównać z wartościami normowymi. Ustosunkować się do otrzymanych wyników.

III Oznaczenie wilgotności naturalnej

1. 
   Wykonanie badania:

• zważyć dwie parowniczki, m_t ,

• 
  umieścić próbki gruntu w parowniczkach,

• zważyć parowniczki wraz z gruntem, m_mt ,

• umieścić parowniczki wraz z gruntem w suszarce w temperaturze 105-110^o C,

• na następny dzień wyjąć parowniczki z suszarki, ostudzić, zważyć, m_st.

• Obliczyć masę wody w próbce gruntu ze wzoru: oliczyć masę szkieletu gruntowego ze wzoru:

• Otrzymane wartości wstawić do wzoru definicyjnego.
  Wynik uznajemy za dostatecznie dokładny, jeżeli różnica wyników z obydwu parowniczek nie przekracza 5 % mniejszej z otrzymanych wartości. Za wynik przyjmujemy średnią arytmetyczną otrzymanych wartości.

IV Obliczenie gęstości objętościowej szkieletu gruntowego

Na podstawie otrzymanych wyników obliczyć gęstość objętościową szkieletu gruntowego.

B Analiza granulometryczna

  OPIS TEORETYCZNY

Badanie uziarnienia (składu granulometrycznego) gruntu polega na określeniu zawartości w nim poszczególnych frakcji. Badanie uziarnienia gruntów niespoistych wykonuje się metodą sitową, a w gruntach spoistych najczęściej stosuje się metodą areometryczną. Pozwala to na wykreślenie krzywej uziarnienia, ustalenie rodzaju i nazwy badanego gruntu. Znajomość rodzaju badanego gruntu pozwala na prognozowanie jego właściwości oraz ustalenie zakresu dalszych badań.

Celem ćwiczenia jest określenie rodzaju gruntu niespoistego oraz określenie stopnia różnoziarnistości badanego gruntu.

SPOSÓB WYKONANIA BADANIA

I Przygotowanie próbki do badania

Próbka gruntu powinna być przed badaniem uziarnienia wysuszona do stałej masy w temperaturze 105 - 110 ^o C. Jeżeli zawiera ziarna o wymiarach większych niż 40 mm przed przystąpieniem do oznaczenia usuwamy takie ziarna z próbki. Następnie w zależności od makroskopowego określenia rodzaju gruntu niespoistego odważamy potrzebną masę do analizy: dla piasku drobnego 200 - 250 g, dla piasku średniego 250 - 500 g, dla piasku grubego, pospółki i żwiru 500 - 5000 g,

Notujemy na formularzu dokładną masę gruntu, przyjętą do badania.

II Wykonanie badania

• komplet suchych, czystych sit ustawiamy w kolumnę na wstrząsarce w ten sposób, że na górze znajduje się sito o największym wymiarze oczek a pod nim sita o kolejno coraz mniejszym wymiarze ( 25; 10; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 oraz 0,071 lub 0,063 mm ). Pod sitem dolnym umieszcza się płaskie, dopasowane do sita naczynie do zbierania najdrobniejszych frakcji przesiewu,

• na górne sito wsypuje się wysuszoną i zważoną próbkę, przykrywa górne sito szczelnym wieczkiem i uruchamia wstrząsarkę,

• wstrząsanie powinno trwać 5 minut,

• po wyłączeniu wstrząsarki zawartość pozostałą na każdym sicie przesiewamy ręcznie przez co najmniej 1 minutę nad czystym arkuszem białego papieru. Jeżeli na arkuszu po tej czynności znajdą się ziarna lub cząstki gruntu , przesypujemy je z kartki na sito następne o drobniejszym wymiarze oczek natomiast pozostałość na sicie, którym wstrząsaliśmy , przesypujemy do plastykowego, wytarowanego naczynia i oznaczamy masę ziarn,

• 
  wszystkie powyższe czynności wykonujemy z dużą dokładnością tak aby straty masy w stosunku do wyjściowej były jak najmniejsze, różnica między masą szkieletu gruntowego m_s ( wyjściową ) a sumą mas wszystkich frakcji m₁ + m₂ + m₃ + .... nie powinna przekraczać 0,5 % wartości m_s. Jeżeli przekracza, badanie wykonujemy jeszcze raz, jeżeli nie, to przy obliczaniu wyników rozrzucamy różnicę proporcjonalnie do mas pozostałych na poszczególnych sitach i dodajemy do tych wartości.Rys. 1. Zestaw sit na wstrząsarce, pojedyncze sito

III Obliczanie wyników

• notujemy w formularzu dokładną masę pozostałości na każdym sicie,

• wprowadzamy poprawki do poszczególnych mas,

• obliczamy procentową zawartość poszczególnych frakcji,

• aby uzyskane dane z analizy sitowej przygotować do wykonania krzywej uziarnienia sumuje się kolejno procentowe zawartości danych frakcji wraz z frakcjami większymi,

• na wykres nanosimy sumy zawartości frakcji wraz z większymi i na jego podstawie określamy rodzaj gruntu,

• na podstawie wykresu uziarnienia określamy inne parametry gruntu takie jak d₁₀ , d₆₀, U.




Rys. 2. Przykładowe krzywe uziarnienia

C. Określenie stanu i spoistości gruntu spoistego 


OPIS TEORETYCZNY

Stan gruntu spoistego określa parametr zwany stopniem plastyczności I_L, obliczany według następującego wzoru:

I_L - stopień plastyczności (liczba niemianowana),
w_n - wilgotność naturalna [% lub liczba niemianowana],
w_p - granica plastyczności [% lub liczba niemianowana],
w_L - granica płynności [% lub liczba niemianowana].

Granica plastyczności (w_p) jest to wilgotność jaką ma grunt na granicy stanu półzwartego i twardoplastycznego. Przy tej wilgotności wałeczek gruntu, podczas jego wałeczkowania na dłoni, pęka po osiągnięciu średnicy 3mm lub podniesiony za jeden koniec rozpada się na części.

Granicą płynności (w_L) nazywa się wilgotność gruntu na granicy stanu miękkoplastycznego i płynnego. Przyjmuje się, że granicy płynności odpowiada wilgotność gruntu, przy której bruzda wykonana w paście gruntowej umieszczonej w miseczce aparatu Casagrande'a, łączy się na długości 10 mm i wysokości 1 mm przy 25-tym uderzeniu miseczki o podstawę aparatu, w warunkach oznaczania określonych normą PN-88/B-04481.

Granicą skurczalności (w_s) nazywa się wilgotność gruntu na granicy stanu zwartego i półzwartego, przy której grunt pomimo dalszego suszenia nie zmniejsza swojej objętości i jednocześnie zaczyna zmieniać barwę na powierzchni na odcień jaśniejszy.

Obliczenie parametru I_L wykonuje się w celu dokładnego oznaczenia stanu gruntu.

Konsystencja gruntu	Stan gruntu	Symbol	Wartości IL i wn
zwarta	zwarty	zw	IL  0 oraz wn  ws
		półzwarty	pzw	IL  0 oraz ws  wn  wL
	plastyczna	twardoplastyczny	tpl	0  IL  0,25 oraz wp  wn  wL
		plastyczny	pl	0,25  IL  0,5 oraz wp  wn  wL
		miękkoplastyczny	mpl	0,5  IL  1,0 oraz wp  wn  wL
płynna	płynny	pł	IL > 1,0 i wn > wL


 Spoistość gruntu określa parametr zwany wskaźnikiem plastyczności I_p obliczany według wzoru: Wskaźnik plastyczności określa plastyczne właściwości gruntu, wskazując ile wody wchłania grunt przy przejściu ze stanu półzwartego w stan płynny, a więc podając zakres wilgotności, w których grunt ma właściwości plastyczne.

Wskaźnik plastyczności [%]	Spoistość (rodzaj gruntu)
Ip  1	niespoisty
1  Ip	spoisty :
1  Ip 10	mało spoisty
10  Ip  20	średnio spoisty
20  Ip  30	zwięzło spoisty
30  Ip	bardzo spoisty

SPOSÓB WYKONANIA BADANIA

Aby określić stan gruntu spoistego należy wcześniej wyznaczyć wilgotność naturalną, granicę plastyczności i granicę płynności badanego gruntu.

I Oznaczenie wilgotności naturalnej

1. Wykonanie badania:
   - zważyć dwie parowniczki,
   - umieścić próbki gruntu w parowniczkach,
   - zważyć parowniczki wraz z gruntem,
   - umieścić parowniczki wraz z gruntem w suszarce w temperaturze 105÷110^o C,
   - na następny dzień wyjąć parowniczki z suszarki, ostudzić, zważyć.

2. Obliczenie wyników:
   Wynik uznajemy za dostatecznie dokładny, jeżeli różnica wyników z obydwu parowniczek nie przekracza 5% mniejszej z otrzymanych wartości. Za wynik przyjmujemy średnią arytmetyczną otrzymanych wartości.

II Oznaczenie granicy plastyczności

1. Wykonanie badania:

• zważyć dwie parowniczki,

• z jednorodnego gruntu formować kuleczkę o średnicy 7,0 mm i wykonać z niej wałeczek o średnicy 3 mm. Jeżeli wałeczek nie wykazuje spękań po osiągnięciu średnicy 3mm, ponownie formujemy kuleczkę i wykonujemy z niej wałeczek. Wałeczkowanie to powtarza się tyle razy, aż przy kolejnym wałeczkowaniu wałeczek popęka po osiągnięciu średnicy ok. 3 mm, albo podwieszony za jeden koniec przełamie się lub też rozpadnie na kilka oddzielnych kawałków,

• spękany wałeczek umieścić w parowniczce pod przykryciem (przykrycie stosujemy do momentu zważenia),

• badanie powtarzamy aż w obydwu parowniczkach znajdzie się co najmniej po około 5÷7 g gruntu,

• oznaczyć wilgotność wałeczków znajdujących się w parowniczkach.

• Obliczenie wyników
  Wartość granicy plastyczności stanowi średnia arytmetyczna obu oznaczeń wilgotności.

III Oznaczenie granicy płynności gruntu wg Casagrande'a

1. Wykonanie badania:

• zważyć 5÷6 parowniczek,

• pobrać próbkę gruntu o objętości około 0,3 litra gruntu,

• rozetrzeć na jednolitą pastę usuwając z niej jednocześnie ziarna gruntu o średnicy większej od 2,0mm,

• przygotowaną pastą wypełnić miseczkę aparatu Casagrande'a w takiej ilości aby łączna masa miseczki oraz gruntu wynosiła 210ą1g. Pasta powinna wypełniać tylko przednią część miseczki tworząc powierzchnię wklęsłą o maksymalnej grubości 9mm,

• wykonać w paście bruzdę za pomocą rylca skierowanego prostopadle do dna miseczki. (Bruzdę wykonuje się prostopadle do osi obrotu miseczki),

• założyć miseczkę do aparatu, wyzerować licznik, włączyć aparat,

• liczbę uderzeń określamy w momencie połączenia się dolnych brzegów bruzdy na długości 10mm i wysokości 1mm ( zapisać liczbę uderzeń),

• z miejsca połączenia bruzdy pobrać próbkę gruntu i umieścić na parowniczce w celu określenia wilgotności,

• badanie powtarzamy przynajmniej pięciokrotnie dodając każdorazowo do pasty gruntowej wodę destylowaną.



Po każdorazowym dodaniu wody określić wilgotność gruntu oraz liczbę uderzeń, przy której zeszła się w wymaganym stopniu bruzda wykonana w gruncie. Liczba uderzeń powinna mieścić się w granicach 12÷35.

Rys. 1. Aparat Casagrande'a, rylce do zrobienia bruzdy, wykonana bruzda w miseczce aparatu Casagrande'a

2. Obliczenie wyników
   Otrzymane wartości wilgotności nanieść na wykres przedstawiający zależność ilości uderzeń miseczki o aparat od
   wilgotności gruntu. Odczytać z wykresu wartość granicy płynności.

Rys. 2. Wykres zależności liczby uderzeń w aparacie Casagrande�a od wilgotności gruntu

IV Określenie stanu gruntu


Otrzymane z badań wielkości wilgotności naturalnej, granicy plastyczności, granicy płynności podstawić do wzoru określającego stopień plastyczności i wskaźnik plastyczności . Określić spoistość i stan gruntu.

Rys. 3. Zależność stopnia plastyczności od wilgotności gruntu i jego granic konsystencji

D. Wyznaczenie stopnia zagęszczenia gruntu

OPIS TEORETYCZNY

Stopień zagęszczenia wyznacza się tylko dla gruntów niespoistych. Jego wielkość zależy przede wszystkim od składu granulometrycznego gruntu, porowatości, kształtu ziarn. Wartość tę wyznacza się w celu określenia nośności gruntu.



Stopniem zagęszczenia nazywa się stosunek zagęszczenia istniejącego w warunkach naturalnych do największego możliwego zagęszczenia danego gruntu: e_max - wskaźnik porowatości gruntu przy najluźniejszym ułożeniu ziaren, e_n - wskaźnik porowatości gruntu w stanie naturalnym, e_min - wskaźnik porowatości przy najściślejszym ułożeniu ziaren. Wartości wskaźników porowatości wyznaczamy z następujących wzorów:






ρ _s - gęstość właściwa gruntu [t/m³, g/cm³],

ρ _dmin - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego przy najluźniejszym ułożeniu ziaren [t/m³, g/cm³],

ρ _dmax - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego przy najściślejszym ułożeniu ziaren [t/m³, g/cm³],

ρ _d - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego w stanie naturalnym [t/m³, g/cm³],

m_s - masa gruntu znajdującego się w cylindrze [t, g],

V_max - objętość gruntu przy najluźniejszym ułożeniu ziaren [m^3, cm³],

V_min - objętość gruntu przy najściślejszym ułożeniu ziaren [m³, cm³],

ρ - gęstość objętościowa gruntu w stanie naturalnym [t/m³, g/cm³],

w - wilgotność naturalna gruntu [% lub liczba niemianowana].

Teoretycznie stopień zagęszczenia gruntu najluźniej usypanego jest równy 0, gruntu maksymalnie zagęszczonego jest równy 1.

W zależności od wartości stopnia zagęszczenia wyróżniamy następujące stany gruntów niespoistych: - luźny, w skrócie ln, przy I_D <= 0,33 - średnio zagęszczony, szg, przy 0.33 < I_D<= 0,67; - zagęszczony, zg, przy 0,67 < I_D <= 0,80; - bardzo zagęszczony, bzg, przy I_D> 0,80.

CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest określenie stanu gruntu niespoistego dla zadanej wartości wskaźnika porowatości naturalnej.

SPOSÓB WYKONANIA BADANIA

I Przygotowanie próbki do badania

Oznaczenie stopnia zagęszczenia sprowadza się w warunkach laboratoryjnych do określenia odpowiednich wskaźników porowatości.

Dla celów dydaktycznych określenie wskaźnika porowatości e_n w stanie naturalnym ograniczymy do obliczenia jego wartości na podstawie danych: ρ = 1,72 t/m³ , w_n = 16 % , ρ_s = 2,65 t/m³ .

II Wykonanie badania

• do oznaczenia dwóch pozostałych parametrów e_max i e_min wykorzystamy próbkę wysuszonego w temperaturze 105 - 110 ^o C gruntu o objętości co najmniej 600 cm³,

• jeżeli w próbce gruntu przeznaczonej do badań znajdują się ziarna o wielkości 5 mm i większej to należy je usunąć,

• do zwymiarowanego metalowego cylindra ( należy określić jego objętość ) wsypujemy przygotowany grunt przez lejek, który początkowo opieramy o dno cylindra a potem podnosimy stopniowo w miarę napełniania naczynia. Czynność tę należy wykonywać bardzo ostrożnie, unikając wstrząsów i przestawiania cylindra.

• po napełnieniu całego cylindra gruntem, jego powierzchnię górną wyrównuje się nożem równo z krawędzią cylindra, uzyskujemy w ten sposób określoną objętość V₁ ( równą objętości cylindra ) gruntu, charakteryzującą stan najluźniejszego ułożenia ziaren,

• na powierzchni gruntu w cylindrze ustawia się tłok i przeprowadza zagęszczenie gruntu przez 1 minutę, uderzając energicznie widełkami wibracyjnymi o ścianki cylindra,

• mierzymy suwmiarką zagłębienie tłoka w kilku miejscach i ponownie zagęszczamy grunt przez 30 sekund,

• uznaje się, że grunt został maksymalnie zagęszczony, jeśli trzy kolejne pomiary zagłębienia tłoka (po każdorazowym 30-sekundowym zagęszczaniu) nie wykazują zmian,

• 
  obliczamy nową objętość gruntu zagęszczonego V₂ przez odjęcie od objętości V₁ wartości V gdzie :

h - zmniejszenie wysokości próbki podczas zagęszczania ,

• 
  określamy masę gruntu m_s zawartą w cylindrze po przesypaniu gruntu do wytarowanego, plastykowego pojemnika.

Rys. 1. Zmiany objętości porów w piasku w miarę jego zagęszczania
I - objętość piasku najbardziej luźnego
II - objętość w naturze (pośrednia)
III - objętość piasku najbardziej zagęszczonego

E. Badanie ściśliwości gruntu 

OPIS TEORETYCZNY

Ściśliwością gruntu nazywamy zdolność gruntu do zmniejszania swojej objętości pod wpływem obciążenia. W przypadku rozdrobnionych gruntów mineralnych zmniejszanie się objętości gruntu pod wpływem obciążenia jest wynikiem zmniejszania się objętości porów wskutek wzajemnego przesuwania się ziaren i cząstek gruntu. W procesie tym następuje wyciskanie wody i powietrza wypełniających pory gruntowe. Ściśliwość gruntu zależy głównie od składu granulometrycznego gruntu, porowatości, wilgotności, składu mineralnego (zwłaszcza frakcji iłowej).


Miarą ściśliwości gruntu jest moduł ściśliwości, który jest w pewnym sensie odpowiednikiem modułu sprężystości ciał sprężystych. Grunt nie jest jednak ciałem w pełni sprężystym i odkształcenia zachodzące w nim pod wpływem przyłożonych obciążeń są sumą odkształceń sprężystych i trwałych, dlatego wykres ściśliwości nie pokrywa się z wykresem odprężenia. Jest wiele możliwości badania ściśliwości gruntu zarówno w terenie jak i w laboratorium. Badanie ściśliwości w laboratorium wykonuje się w aparacie zwanym edometrem, dlatego też parametr uzyskany w wyniku tego badania nazywa się edometrycznym modułem ściśliwości. Zależność między obciążeniem a odkształceniem jest funkcją wyższego rzędu, ilustracją której jest krzywa ściśliwości.


Rys. 3. Krzywa ściśliwości


Powyższy wykres ilustruje zjawisko ściśliwości pierwotnej dla próbki gruntu, jej odprężenia (po odciążeniu) i ściśliwości wtórnej (przy ponownym obciążeniu w tym samym zakresie). Wartość modułu ściśliwości pierwotnej określamy z krzywej ściśliwości pierwotnej z wzoru, który przyjmuje się według prawa Hooke'a z zastrzeżeniem, że stosuje się go dla niedużych zakresów obciążeń:

w którym:M₀ - moduł ściśliwości pierwotnej [kPa, MPa],
σ - przyrost obciążenia jednostkowego próbki [kPa, MPa],
 - odkształcenie względne próbki,
σ_i - przyrost obciążeń, σ_i = σ_i -σ_i-1 , [kPa, MPa],
h_i-1 - wysokość próbki w edometrze przed zwiększeniem naprężenia z σ_i-1 do σ_i [mm],
h_i - wysokość próbki w edometrze po zwiększeniu naprężenia z σ_i-1 do σ_i [mm],
h_i - zmniejszenie wysokości próbki w pierścieniu edometru po zwiększeniu obciążenia o σ_i; h_i = h_i-1 - h_i [mm].

Moduł ściśliwości wtórnej (M) oblicza się w analogiczny sposób przyjmując wartości odkształceń z krzywej ściśliwości wtórnej.
Proces zmiany objętości gruntu w czasie, zachodzący w wyniku wypływania wody z porów pod wpływem przyłożonego obciążenia nazywamy konsolidacją.
Czas trwania konsolidacji zależy głównie od przepuszczalności gruntu. Grunty o niskiej przepuszczalności (np. grunty spoiste) wymagają dłuższego czasu na zakończenie konsolidacji. Dlatego grunty te osiadają znacznie wolniej niż grunty niespoiste, i, co za tym idzie, proces ten trwa znacznie dłużej. Proces ten ilustruje krzywa konsolidacji.


Rys. 4. Przykładowe krzywe konsolidacji

Krzywe konsolidacji sporządza się dla wszystkich stopni obciążeń.
Sporządzenie krzywej konsolidacji pozwala nam uchwycić moment stabilizacji osiadań, co warunkuje przyłożenie następnego stopnia obciążenia.

SPOSÓB WYKONANIA BADANIA

I Przygotowanie próbki do badania

Badania ściśliwości gruntu wykonuje się (jeżeli tylko jest to możliwe) na próbkach o nienaruszonej strukturze.
Dla celu ćwiczenia dydaktycznego poprzestaniemy na badaniu próbki o naruszonej strukturze wykonując następujące czynności:

1. przy pomocy dwudzielnego próbnika z wmontowanym w środku pierścieniem edometrycznym wyciąć z gruntu próbkę,

2. wyciągnąć pierścień edometryczny z gruntem i wyrównać powierzchnię gruntu równo z brzegami pierścienia edometrycznego (prowadzimy nóż zawsze od środka pierścienia do jego krawędzi),

3. na dolnym filtrze edometru umieścić zwilżony sączek z bibuły filtracyjnej a na nim pierścień edometryczny z gruntem, przykrywając górną powierzchnię gruntu również zwilżonym sączkiem z bibuły filtracyjnej,

4. założyć obudowę pierścienia edometru i przykręcić ją śrubami motylkowymi,

5. ułożyć na próbce pokrywę wraz z wbudowanym filtrem, umieścić trzpień na kulce górnej pokrywy i unieruchomić go śrubą dociskową,

6. ustawić czujnik zegarowy przesuwu, pamiętając o tym, że próbka gruntu będzie osiadać i sztyca pomiarowa czujnika nie może zawisnąć nad próbką; ustawiony i wyzerowany czujnik zegarowy wskazywać będzie na początku pierwotną wysokość próbki h = 20 mm,

7. założyć ramkę edometru na trzpień (nie obciążona ramka z wieszakiem daje obciążenie wywołujące naprężenie 12,5 kPa).

II Wykonanie badania

Dla skrócenia procesu badawczego dopuszczamy się odstępstwa od normowego sposobu postępowania (PN-88/B-04881), zachowując zasadę pomiarów):

1. odczyty osiadania będziemy notować po upływie następujących czasów: 30˝, 1´, 2´, 4´, 6´, 8´ ,

2. odkręcamy śrubę dociskową trzpienia i notujemy odczyty czujnika przemieszczeń,

3. po określonym czasie pomiarowym zwiększamy obciążenie do kolejno: 25, 50, 100 kPa,

4. po każdym nowym obciążeniu notujemy wskazania czujnika jak przewidziano w pkt. II 1.,

5. po osiągnięciu umownej stabilizacji odciąża się próbkę stopniowo w odstępach czasowych 2 min do wartości 12,5 kPa,

6. w celu określenia ściśliwości wtórnej gruntu po odciążeniu, próbkę obciąża się ponownie kolejno stopniami obciążenia zgodnie z pkt. II 3. w odstępach czasowych 2min.

F. Wytrzymałość gruntu na ścinanie

OPIS TEORETYCZNY


Wytrzymałością gruntu na ścinanie nazywamy opór, jaki stawia grunt naprężeniom stycznym w rozpatrywanym punkcie ośrodka. Po pokonaniu oporu ścinania następuje poślizg pewnej części gruntu w stosunku do pozostałej.
Najstarszą i do dzisiaj stosowaną formułą określającą zjawisko ścięcia gruntu jest warunek podany przez Coulomba w 1773 roku:
_f - wytrzymałość na ścinanie [kPa],
σ_n - naprężenia normalne do płaszczyzny ścinania [kPa],
 - kąt tarcia wewnętrznego [^o] ,
c - spójność [kPa].

W przypadku ścinania gruntów o strukturze ziarnistej mamy do czynienia z oporem tarcia suwnego i obrotowego. Opór ten nazywamy oporem tarcia wewnętrznego. Wielkość ta zależy od rodzaju gruntu (wymiaru i kształtu ziaren, pochodzenia gruntu). Dla danego gruntu wartość tarcia wewnętrznego zależy od: porowatości, wilgotności, ciśnienia wody w porach.
Spójność gruntu (kohezja) jest to opór gruntu stawiany siłom zewnętrznym wywołany wzajemnym przyciąganiem się cząstek składowych gruntu. Występuje w gruntach spoistych. Zależy od średnicy ziaren, wilgotności, genezy i składu mineralnego.


W sensie matematycznym równanie Coulomba jest równaniem prostej nachylonej pod kątem tarcia wewnętrznego  do osi odciętych i wyznaczającej na osi rzędnych wartość oporu spójności c.

Rys. 1. Proste Coulomba, wytrzymałość gruntu na ścinanie

Wartości te można wyznaczać dwiema metodami:
- w aparacie bezpośredniego ścinania (aparacie skrzynkowym),
- w aparacie trójosiowego ściskania. Z uwagi na prostotę i łatwość wykonania badania dla celów dydaktycznych wartość spójności i kąta tarcia wewnętrznego wyznaczamy metodą pierwszą. Poglądowy schemat aparatu bezpośredniego ścinania pokazano na poniższym rysunku.


Rys. 3. Schemat skrzynki aparatu bezpośredniego ścinania
1 - skrzynka dolna, 2 - skrzynka górna, 3 - pokrywa, 4 - filtry o ząbkowanej powierzchni, 5 - wymuszona płaszczyzna ścięcia



Zasadniczą częścią aparatu jest dwudzielna skrzynka, której części górna i dolna mogą się wzajemnie przemieszczać. W celu zabezpieczenia próbki przed ślizganiem się po powierzchniach kontaktowych i przenoszenia siły ścinającej zaopatrzona jest ona od dołu i od góry w płytki oporowe.
Badanie polega na eksperymentalnym określeniu siły T, przy pomocy której staramy się przesunąć górną część skrzynki po dolnej. Ruchowi temu przeciwstawia się mobilizujący się, w wymuszonej płaszczyźnie ścinania, opór gruntu na ścinanie. Siła T nie może wzrosnąć ponad wartość ogólnej wytrzymałości na ścinanie badanego gruntu. Maksymalna siła zarejestrowana na dynamometrze jest wielkością poszukiwaną. Wartość siły T dla danego gruntu zależy od wartości siły pionowej P. Przynajmniej pięciokrotne poszukiwanie siły T dla różnych wartości siły P pozwoli wyznaczyć prostą Coulomba, a tym samym określić wartości szukanych parametrów.
Zakładamy, że siła P przyłożona do próbki poprzez sztywną pokrywę rozkłada się na powierzchni próbki na tyle równomiernie, że w wymuszonej płaszczyźnie ścinania panuje naprężenie normalne .

Podobnie uważamy, że siła T podzielona przez powierzchnię skrzynki A określa, stałą w całym przekroju ścinania, wartość naprężenia ścinającego.

I Przygotowanie próbki do badania


W aparacie bezpośredniego ścinania bada się próbki o nienaruszonej strukturze, umieszczone w skrzynce aparatu. Dla potrzeb ćwiczeń dydaktycznych ograniczymy się do wykonania próbki o naruszonej strukturze w skrzynce. Umieścić warstwami grunt w złożonej skrzynce, zagęszczając go ubijakiem do stanu symulującego stan naturalny. Postępować w ten sposób aż do wypełnienia skrzynki aparatu (przewidzieć miejsce na pokrywę). Skrzynkę z wykonaną próbką umieścić w aparacie bezpośredniego ścinania.

II Wykonanie badania

Przyłożyć obciążenie pionowe równe 50 kPa. Do kontroli obciążenia pionowego służy dynamometr pionowy. Żądane odkształcenie dynamometru dla zadanego obciążenia pionowego obliczyć wzorem:

σ - zadawane obciążenie pionowe [kPa],
A - powierzchnia ścięcia [m²],
c₂ - stała dynamometru pionowego [kN/mm].

Usunąć luzy w poziomym systemie ścinającym.
Wykonać ścięcie obserwując zachowanie czujnika odkształceń dynamometru poziomego.
Za moment ścięcia przyjmuje się chwilę, w której następuje jedno z poniższych:
- wyraźne zwolnienie tempa wzrostu siły ścinającej,
- zatrzymanie wzrostu siły ścinającej, - zmniejszenie się siły ścinającej,
- przesunięcie górnej części skrzynki o 10% długości jej boku.

Zatrzymać i cofnąć poziomy napęd ścinający, zdjąć obciążenie pionowe. Wyrównać obie części skrzynki aparatu.
Wykonać następne ścięcia dla kolejnych wartości obciążenia pionowego: 100; 150; 200 i 300 kPa.

---