CCF20091008031

(o

gdzie:

(2)

Rozdział V

ANALIZA GRANCLOMETRYCZNA

1. Wprowadzenie

Analizę granulometryczną wykonuje się w celu określenia składu granuląme-trycznego gruntów nieskalistych, a więc wyznaczenia procentowej zawartości występujących w nich poszczególnych frakcji. Pozwala to w końcowym efekcie na wykreślenie krzywej uziamienia oraz ustalenie rodzaju i nazwy badanego gruntu. Jest to podstawowe oznaczenie przy laboratoryjnych badaniach inżynicrsko-geo-logicznych właściwości gruntów. Znajomość rodzaju badanego gruntu pozwala na prognozowanie jego właściwości oraz ustalenie zakresu dalszych badań.

Analizy granulomctryczne wykonuje się metodami mechanicznymi (analiza sitowa) oraz metodami sedymentacyjnymi (analiza areometryczna, pipetowa i in.). Jeśli prawie wszystkie ziamą. w gruncie mają wymiary ponad Q,06_mm, do oznaczenia jego składu granulometycznego stosuje się analizę sitową. Jeśli wszystkie cząstki gruntu mają wymiary mniejsze niż 0,06 mm, stosuje się jedną z metod sedymentacyjnych. Natomiast w przypadku badania gruntu, który składa się zarówno z ziam o wymiarach większych od 0,06 mm, jak i z cząstek o wymiarach mniejszych (np. różne gliny, piaski gliniaste itp.), stosuje się kombinację obydwu metod, tzn. sitowej i sedymentacyjnej. Ustalenie przedziału granicznego między zastosowaniem powyższych metod zostało podyktowane głównie względami technicznymi. Cząstek o wymiarach bardzo drobnych (o średnicy mniejszej niż 0,06 mm) nie można rozdzielić mechanicznie na frakcje na sitach z uwagi na ich zbyt małe wymiary w stosunku do możliwości konstrukcji sit. Ziarna większe od 0,06 mm nie dadzą się rozdzielić metodą sedymentacyjną, gdyż szybkość ich opadania jest zbyt duża, a ponadto wykonują w trakcie opadania ruch wirowy, podczas gdy jednym z założeń analiz sedymentacyjnych jest swobodne opadanie cząstek.

Analiza sitowa polega na określeniu składu granulometrycznego gruntu przez rozdzielenie poszczególnych frakcji w wyniku rozsiewania próbki na znormalizowanych sitach. Za pomocą tej analizy określa się skład granulometryczny gruntów sypkich (kamienistych, gruboziarnistych, drobnoziarnistych niespoistych z wyjątkiem piasku pylastego) i określa ich nazwę. Analiza sitowa jest stosowana równie! jako badanie uzupełniające przy określaniu składu granulometrycznego gruntów spoistych i piasku pylastego jedną z metod sedymentacyjnych.

Metody sedymentacyjne, polegające na rozfrąkcjonowaniu gruntu w zawiesinif wodnej, są oparte na prawie Stokesa. które określa, że prędkość swobodnego npadania cząstek kulistych ,jest .wprost proporcjonalną do. ich-średnicy...L.gęstości właściwej i zależy ponadto od gęstości właściwej i lepkości cieczy (wody), w której opadają cząstki oraz od przyspieszenia ziemskiego:

_r_2(g.-/>.)_g d}

9rj 4

• o — prędkość opadania cząstek (cm • s^-1), dr — średnica zastępcza cząstki (cm),

,p,    — gęstość właściwa szkieletu gruntowego (g - cnr³),

p„ — gęstość właściwa wody (g • cm^-3), g    — wartość przyspieszenia ziemskiego (981 cm • s^-2),

i]    — współczynnik lepkości (puaz); 1 puaz' = 10^-1 Pa • s.

Ponieważ prawo Stokesa określa prędkość opadania cząstek kulistych, a jak wiadomo, większość cząstek gruntowych, zwłaszcza frakcji najdrobniejszych, nie jest kulista, lecz ma kształty nieregularne (często np. blaszkowate), wprowadza się tu pojęcie średnicy zastępczej (p. rozdz. II).

Zakładając, że w momencie rozpoczynania analizy sedymentacyjnej zawiesina gruntu, starannie wymieszana, jest jednorodna i cząstki spadają swobodnie, niezależnie jedna od drugiej, przekształcając odpowiednio.wzór (1) można uzyskać dane co do wie_lkości_opadających cząstek. Znając wartość lepkości i gęstości właściwej wody, gęstości, właściwej .szkieletu, gruntowego, przyspieszenia ziemskiego, które są wartościami stałymi dla danej analizy przeprowadzonej w stałej temperaturze i podstawiając zamiast prędkości stosunek drogi do czasu {II_R : T), przeprowadzając analizę areometryczną zadajemy sobie pytanie: jaka jest średnica cząstki, która przebyła drogę H_R po czasie 7? Czas T można z góry założyć. Po wprowadzeniu tych założeń wzór określający średnicę cząstki przekształca się następująco:

rf_r= I 2 **

*Ps-Pw g T

gdzie:

H_r — droga cząstki (cm),

T — czas opadania cząstki = czas pomiaru (s), pozostałe oznaczenia jak we wzorze (1).

Procentową zawartość cząstek o znanej (obliczonej) średnicy, zawartych w badanej próbce,^wyznacza się za pomocą oddzielnego wzoru. Ponieważ wzór ten opiera się na pomiarze gęstości zawiesiny za pomocą areometru, otrzymuje się z niego procentową zawartość wszystkich cząstek o średnicy mniejszej od d_T.

Drugą odmianą analizy sedymentacyjnej jest analiza pipetowa. Pizy jej stosowaniu, zakładając długość drogi opadającej cząstki, zadajemy sobie pytanie, po jakim czasie cząstka o średnicy przez nas założonej przebędzie określoną drogę. Przekształcając odpowiednio wzór Stokesa można otrzymać czas trwania lei sedymentacji: