PODSTAWOWE CECHY FIZYCZNE GRUNTU
Wilgotność, gęstość właściwą i gęstość objętościową. Cechy te wyznacza się na podstawie badań laboratoryjnych.
Cechy pochodne: gęstość objętościową szkieletu gruntowego, porowatość, wskaźnik porowatości i wilgotność całkowitą. Znajomość podstawowych cech fizycznych jest niezbędna do określania: stopnia wilgotności, stopnia zagęszczenia, stopnia plastyczności i wskaźnika zagęszczenia.
Ośrodek gruntowy jest zbiorowiskiem oddzielnych ziarn i cząstek, między którymi znajdują się pory wypełnione najczęściej wodą zawierającą pęcherzyki powietrza. Zależności:
gdzie:
V — objętość gruntu; Vs — objętość szkieletu gruntowego; Vw — objętość wody; Va — objętość powietrza; Vp=Vw+Va — objętość porów; mm — masa gruntu wilgotnego; ms — masa szkieletu cząstek gruntowych; mw — masa wody.
WILGOTNOŚĆ GRUNTU
Wilgotnością gruntu nazywa się stosunek masy wody mw zawartej w jego porach do masy szkieletu gruntowego ms.
W warunkach laboratoryjnych wilgotność oznacza się metodą suszenia w temperaturze 105 – 110°C. Z gruntu ustępuje woda wolna, kapilarna i błonkowata (od kilku do kilkunastu godzin, zależnie od spoistości gruntu).
Wilgotność można określać metodami przyspieszonymi, przydatnymi w warunkach terenowych za pomocą:
— aparatu karbidowego; — piknometru wodnego; — piknometru powietrznego’ — aparatury elektronicznej; — aparatury radioizotopowej.
Wilgotność, jaką ma grunt w stanie naturalnym, nazywa się naturalną mw. W przypadku niemożności bezpośredniego określenia wilgotności metodą suszenia można stosować metodę laboratoryjno – obliczeniową. Polega na obliczeniu ogólnej wilgotności gruntu na podstawie znanej wilgotności frakcji drobnej wd określanej z badań laboratoryjnych i wilgotności odrzuconej frakcji grubej wg (w przyjmuje się za równą nasiąkliwości ziam) oraz procentowej zawartości frakcji drobnej Pd wg wzoru:
GĘSTOŚĆ WŁAŚCIWA
Gęstością właściwą gruntu rs jest stosunek masy suchego szkieletu gruntowego ms do jej objętości Vs.
Gęstość właściwą gruntu oznacza się za pomocą piknometru. Do badań przygotowuje się jednorodną próbkę wysuszonego i sproszkowanego gruntu o masie 25 - 50 g, zależnie od rodzaju gruntu.
Po wykonaniu niezbędnych oznaczeń gęstość właściwą gruntu oblicza się wg wzoru:
mg — masa piknometru i gruntu wysuszonego przy temperaturze 105 - 110°C; mwt — masa piknometru napełnionego do kreski wodą destylowaną przy temperaturze, w której oznaczono mwg; mwg — masa piknometru z gruntem i wodą wypełniającą piknometr do kreski; mt — masa piknometru wysuszonego przy tempereturze 105 - 110°C; rw — gęstość właściwa wody.
Gęstość właściwa gruntu zależy od składu mineralnego gruntu lub skały i wynosi od 1,4 do 3,2 g/cm3. Dla gruntów mineralnych rs= 2,65¸2,78 g/cm3.
GĘSTOŚĆ OBJĘTOŚCIOWA
Gęstość objętościowa gruntu r jest to stosunek masy próbki gruntu do objętości tej próbki łącznie z porami.
mm — masa próbki gruntu; V — objętość próbki.
Gęstość objętościowa gruntów jest wartością zmienną, zależną od porowatości, wilgotności i gęstości właściwej.
W laboratorium, zależnie od cech gruntu i wielkości dostarczonej próbki, gęstość objętościową można oznaczyć wg normy jedną z następujących metod:
— ważenie w cieczach organicznych; — ważenie w wodzie próbki oparafinowanej (objętość próbki 20 - 30 cm3); — oznaczanie w pierścieniu i cylindrze; — oznaczanie w rtęci.
W gruntach kamienistych i żwirach pobranie próbki cylindrem jest prawie niemożliwe, w tym przypadku gęstość objętościową można wyznaczyć metodą dołka, ważąc wydobyty grunt i mierżąc jego objętość jedną z następujących metod:
— piasku kalibrowanego; — aparatu membranowego; — folii i wody.
W celu uzyskania miarodajnych wyników objętość dołka powinna być odpowiednio duża. Przyjmuje się, że średnica dołka w kształcie czaszy powinna być 5 razy większa od średnicy maksymalnych ziarn w gruncie.
Oprócz wyżej przedstawionych metod, do pomiaru gęstości objętościowej stosuje się nieniszczące metody radioizotopowe. Badania można wykonywać w otworze badawczym i powierzchniowo (sondy otworowe i sondy powierzchniowe).
GĘSTOŚĆ OBJĘTOŚCIOWA SZKIELETU GRUNTOWEGO
Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego rd jest to stosunek masy szkieletu gruntu w danej próbce do jej objętości pierwotnej (razem z porami).
ms — masa próbki wysuszonej do stałej wagi w temperaturze 105 - 110°C; V — objętość próbki gruntu przed wysuszeniem; r - gęstość objętościowa gruntu; wn — wilgotność gruntu, %. Znajomość p^ jest konieczna do obliczania porowatości i wskaźnika porowatości oraz wskaźnika zagęszczenia nasypów.
POROWATOŚĆ GRUNTU
Porowatość gruntu n jest to stosunek objętości porów Vp w danej próbce gruntu do jej całkowitej objętości V. Porowatość oblicza się ze wzoru:
Wobec trudności występujących podczas bezpośredniego pomiaru objętości porów Vp i objętości szkieletu Vs wykorzystuje się metodę pośrednią, wyprowadzając wzór na n na podstawie zależności,
Porowatość zależy od struktury. Grunty o strukturze ziarnistej (piaski, żwiry) mają mniejszą porowatość niż grunty spoiste, których cząstki tworzą przeważnie strukturę komórkową lub kłaczkową. Piaski różnoziamiste mogą mieć porowatość mniejszą.
WSKAŹNIK POROWATOŚCI GRUNTU
Wskaźnikiem porowatości e nazywa się stosunek objętości porów Vp do objętości cząstek gruntu (szkieletu gruntowego) Vs.
Wskaźnik porowatości gruntów niespoistych waha się w granicach 0,3 -1,0, a w gruntach spoistych może być znacznie większy.
WILGOTNOŚĆ CAŁKOWITA GRUNTU
Grunt ma wilgotność całkowitą, gdy jego pory są całkowicie wypełnione wodą.
STOPIEŃ WILGOTNOŚCI I STANY ZAWILGOCENIA GRUNTÓW
Stopień wilgotności gruntu Sr. określa stopień wypełnienia porów gruntu przez wodę.
Zależnie od stopnia wilgotności Sr rozróżniono następujące stany zawilgocenia gruntów niespoistych: suchy, jeżeli Sr = O; mało wilgotny, jeżeli 0 < Sr <. 0,4, wilgotny, jeżeli 0,4 < Sr £ 0,8, nawodniony, jeżeli 0,8 < Sr £ 1,0.
STOPIEŃ ZAGĘSZCZENIA I STANY GRUNTÓW NIESPOISTYCH
DEFINICJA STOPNIA ZAGĘSZCZENIA
Stopień zagęszczenia gruntów niespoistych ID 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 Vmax i naturalnym V. Największym możliwym zagęszczeniem gruntu określa się różnicę objętości próbki gruntu w stanie najbardziej luźnym Vmax i najbardziej zagęszczonym Vmin.
emax — wskaźnik porowatości maksymalnej obliczany dla gęstości objętościowej rd min przy najbardziej luźno usypanym gruncie suchym, emin — wskaźnik porowatości minimalnej obliczany dla gęstości objętościowej rd max przy możliwie największym zagęszczeniu gruntu suchego przez wibrację (bez niszczenia ziam), e — wskaźnik porowatości naturalnej odpowiadający rd.
4.7.2. LABORATORYJNE METODY OZNACZANIA STOPNIA ZAGĘSZCZENIA
Oznaczanie granicznych gęstości objętościowych szkieletu gruntowego rd min i rd max niezbędnych do obliczenia granicznych wskaźników porowatości emin i emax niespoistych gruntów drobnoziarnistych przeprowadza się w metalowym cylindrze zaopatrzonym w tłok.
Gęstość rd 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 ściana cylindra. Grunt uznaje się za zagęszczony do rd max, jeżeli trzy kolejne pomiary zagłębienia tłoka po każdorazowym dodatkowym 30-sekundowym zagęszczaniu nie wykazują zmian (zastosowanie do niespoistych gruntów drobnoziarnistych o zawartości największych ziarn d =2-5 mm poniżej 5%).
Badania rd min i rd max gruntów gruboziarnistych i kamienistych przeprowadza się w cylindrze wielkowymiarowym o średnicy.
Oznaczenie rd 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. Oznaczanie rd max wykonuje się metodą wibracji gruntu w cylindrze na stole. Po oznaczeniu rd min i umieszczeniu cylindra z gruntem na stole wibracyjnym ustawia się na górnej powierzchni płytę, zadaje przez sprężynę nacisk o = 15 kPa i wibruje przez 2 min. Następnie przerywa się wibrację, dociska sprężynę do o = 15 kPa i ponownie wibruje przez 3 min. Po zakończeniu wibracji określa się wysokość i objętość próbki oraz rd max. Na podstawie badań można stwierdzić, że dla niespoistych gruntów drobnoziarnistych występuje proporcjonalna zależność pomiędzy nmax i nmin.
STANY GRUNTÓW NIESPOISTYCH
Zależnie od stopnia zagęszczenia rozróżniono cztery stany zagęszczenia gruntów niespoistych: luźny 0 < ID £ 0,33; średnio zagęszczony 0,33 < ID £ 0,67; zagęszczony 0,67 < ID £ 0,8; bardzo zagęszczony ID > 0,8. Maksymalna wartość ID = 1,0.
OZNACZANIE STOPNIA ZAGĘSZCZENIA METODĄ SONDOWANIA
Sondowanie ma na celu określenie stanu gruntów na różnych głębokościach (max 10-30 m). Wykonuje się pomiar oporu końcówek sond przy ich zagłębianiu w grunt. Ze względu na sposób wprowadzania sond w grunt rozróżnia się sondy wciskane, wkręcane i wbijane - tzw. udarowe....
Ariko