Cechy gruntu możemy podzielić na podstawowe, takie jak gęstość objętościowa (r), gęstość właściwa szkieletu gruntowego (rs), wilgotność naturalna (wn), wyznaczane na podstawie badań laboratoryjnych, oraz pochodne – gęstość objętościową szkieletu gruntowego, porowatość, wskaźnik porowatości, wilgotność całkowitą – które można wyznaczyć metodą B mając dane cechy podstawowe.
Metody wyznaczania wskaźników identyfikacyjnych:
Norma PH – 81 / B – 03020 wyróżnia 3 metody wyznaczania cech fizycznych gruntów
A laboratoryjna
B na podstawie korelacji
C porównawcza
1. Gęstość objętościowa
Gęstość objętościowa gruntu, oznaczana przez r jest to stosunek masy gruntu (w stanie naturalnym) do jego objętości (razem z porami). Zależy ona od porowatości, wilgotności i gęstości właściwej i charakteryzuje strukturalno – teksturalne właściwości gruntów. Wyznacza się ją zazwyczaj na próbkach o nienaruszonej strukturze (NNS) – w wyjątkowych przypadkach, kiedy wiadomo, ze grunt będzie pracował w naruszonej strukturze (np. nasypy) wyznacza się ją na próbkach o naturalnej wilgotności (NW)
Laboratoryjnie gęstość objętościową wyznacza się na 4 sposoby:
- metodą pierścienia tnącego
- metodą rtęciową
- metodą wyporu hydrostatycznego (parafinowania)
- metodą oznaczania gęstości objętościowej w cylindrze
Metodę pierścienia tnącego, metodę rtęciową i metodę wyporu hydrostatycznego stosuje się przy badaniu gruntów spoistych (metody rtęciową i wyporu hydrostatycznego również dla gruntów skalistych), natomiast metodę oznaczania gęstości objętościowej w cylindrze stosuje się dla gruntów sypkich. We wszystkich metodach za wynik ostateczny przyjmuje się średnią arytmetyczną wartości uzyskanych z badań 2 próbek, o ile różnica między nimi nie przekraczała 0,02 c/cm2, w przypadku większej różnicy wykonuje się 2 dodatkowe badania i oblicza średnią z 3 najbardziej do siebie zbliżonych wyników.
Do badania gęstości objętościowej metodą pierścienia tnącego potrzebny metalowy pierścień ze stali nierdzewnej, z dolną krawędzią zaostrzoną od zewnętrznej strony, suwmiarka i nóż. Najpierw należy obliczyć pojemność pierścienia – w tym celu trzeba zważyć pierścień, zmierzyć jego wysokość i wewnętrzną średnicę, po czym skorzystać ze wzoru na objętość walca. Następnie pierścieniem tym wyciąć z wyrównanego gruntu krążek, wyrównać go i zważyć razem z pierścieniem. Od uzyskanego wyniku odejmuje się masę pierścienia i dzieli się przez obliczoną wcześniej objętość. Jest to metoda najprostsza i najszybsza Bardzo podobna do niej jest metoda badania gęstości objętościowej w cylindrze. Różni się ona jedynie tym, że zamiast pierścienia używa się cylindra (najczęściej po odmierzeniu pojemności w cylindrze przesypuje się grunt do innego naczynia)
W badaniu gęstości objętościowej metodą rtęciową używa się objętościomierza, noża, pędzla o ok. 4g rtęci. Najpierw wycina się z próbki NNS próbkę o pojemności 10-20 cm3 i gładkiej powierzchni, którą waży się. Następnie do zbiornika objętościomierza wlewa się tyle rtęci, żeby po dokręceniu pokrywy i nastawienia noniusza na zero poziom rtęci osiągnął poziom kreski na rurce. Obracając korbką wypycha się wtedy trzpień wypychający rtęć, odkręca pokrywę i wkłada próbkę do zbiornika z rtęcią, następnie zakręca się pokrywę i obraca korbkę w drugą stronę i wciska się trzpień do środka zbiornika do momentu, w którym poziom rtęci osiągnie kreskę na rurce. Odczytuje się wtedy wynik na podziałce noniusza V1 i odejmuje wynik początkowy odczyt, o ile nie był on równy zeru. Następnie dzieli się masę przez zmierzoną objętościomierzem V. Jest to metoda dość dokładna, należy jej jednak unikać ze względu na szkodliwość dla zdrowia, oraz bardzo uważać przy jej przeprowadzaniu.
Najbardziej pracochłonną metodą jest metoda oznaczania gęstości objętościowej sposobu wyporu hydrostatycznego wody lub w cieczach organicznych. Do przeprowadzenia badania tą metodą potrzebne są waga techniczna przystosowana do ważenia hydrostatycznego, zlewka o pojemności ok. 0,15 dm3, nóż, cienka nitka lub drucik (ok. 0,5m) parowniczka porcelanowa i parafina. Najpierw należy wyciąć z gruntu NNS próbkę o objętości ok. 20 – 30cm3 i wygładzić jej powierzchnię, po czym zważyć ją i przymocować do niej nitkę i zanurzyć w gorącej parafinie tak, aby została pokryta równomierną warstwą parafiny i zważyć ją ponownie. Następnie podwiesza się ją do szalki wagi zanurzając ją w zlewce z wodą i waży się ją. Po wyjęciu z wody osusza się próbkę i waży ponownie żeby sprawdzić, czy dostała się do niej woda. Jeśli tak, różnicę mas dodaje się do masy wypartej wody. Dzieląc masę wody wypartej przez próbkę przez gęstość właściwą wody uzyskuje się objętość badanej próbki, czyli gruntu i parafiny. Aby uzyskać wartość objętości gruntu należy od objętości zaparafinowanej próbki odjąć objętość parafiny, czyli od masy próbki zaparafinowanej odjąć masę próbki naturalnej i podzielić przez gęstość właściwą parafiny. Ostatnim krokiem jest podzielenie masy próbki gruntu przez jej objętość.
2. Gęstość właściwa szkieletu gruntowego
Gęstość właściwa szkieletu gruntowego jest to stosunek masy szkieletu gruntowego do jego objętości. Jest ona parametrem określającym szkielet gruntu. Można ją oznaczać 2 metodami: piktometru (dla gruntów nie zawierających soli rozpuszczających się w wodzie) i Le Chateliera (dla gruntów organicznych, zawierających sole rozpuszczalne w wodzie lub dużo zawartość frakcji iłowej). Gęstość właściwa zależy od składu mineralnego gruntu lub skały i wynosi od 1,4 do 3,2 g/cm3 (2,65 – 2,78 g/cm3 dla gruntów mineralnych).
Do oznaczania gęstości właściwej gruntu metodą piktometru przygotować należy piktometr lub kolbę o pojemności 0,20-0,25l i kształcie zbliżonym do stożkowatego, moździerz z tłuczkiem gumowym, sita kalibrowane o wymiarach oczek 0,25 i 1 mm, parowniczkę, termometr i pipetę. Najpierw suszy się próbkę gruntu (dla gruntów niespoistych, piasków gliniastych, pyłów piaszczystych i pyłów 40-50g, dla glin, glin piaszczystych i pylastych 35-40g, dla glin zwięzłych, glin pylastych zwięzłych, iłów, iłów piaszczystych i pylastych 25-30g), i wsypuje do zważonego wcześniej piktometru lub kolby o masie mt i waży ponownie (mgt). Po zważeniu dolewa się do 2/3 objętości wody destylowanej i odpowietrza (w przypadku gruntu spoistego przez gotowanie, przy gruntach niespoistych wystarczy dobrze wymieszać), po czym dolewa się ponownie wody tak, aby menisk dolny wody pokrywał się z kreską na szyjce kolby, i kolejny raz waży (mwgt). Należy też zważyć tą samą kolbę wypełnioną jedynie wodą (mwt). Masę szkieletu gruntowego oblicza się ze wzoru ms=mgt-mt, a objętość Vs=(mwt+ms-mwgt)/rw. Gęstość właściwa szkieletu równa jest ilorazowi jego masy i objętości. Badanie przeprowadza się 2 razy i uśrednia wynik (jeśli różnica między wynikami nie przekracza 0,02 g/cm3) lub 4 razy i oblicza średnią z 3 najbardziej zbliżonych wyników
Metoda kolby Le Chateliera. Potrzebne są Kolba Le Chateliera, moździerz z tłuczkiem, sito kalibrowe o wymiarach oczek 0,071-0,075mm, parowniczka, łyżeczka porcelanowa, pipeta, zlewka, termometr, ciecz niepolarna i bibuła filtracyjna. Najpierw należy wysuszoną próbkę o masie ok. 200g rozetrzeć w moździerzu a potem przetrzeć prze sito – jeśli cos zostało rozetrzeć w moździerzu ponownie, i postępować tak dopóty, dopóki całość gruntu nie przejdzie przez sito.Kolejnym krokiem jest wysuszenie próbki (ok. 130g) w temp 105-110 stopni do stałej masy i zważenie z dokładnością do 0,01g (mst1) i pozostawienie jej w eksykatorze nad chlorkiem wapnia. W tym czasie napełnia się niepolarną cieczą kolbę Le Chateliera nieco ponad podziałkę zerową i zanurza się ją do 0,9 wysokości w zlewce z wodą o temperaturze 18 stopni. Po upływie godziny usuwa się za pomocą bibuły filtracyjnej nadmiar cieczy ponad podziałką zerową z kolby Le Chateliera i wsypuje łyżeczką wyjęty z eksykatora grunt (uważając, żeby nie przylegał do ścianek i nie tworzyły się pęcherzyki powietrza) do momentu, gdy poziom cieczy podniesie się do 20cm3. Pozostałą roztartą próbkę wsypuje się do parowniczki i wazy się ją z dokładnością do 0,01g (mst2). Masa wsypanego gruntu równa jest różnicy masy parowniczki z próbką gruntu przed i po wsypaniu (ms=mst1-mst2). Gęstość właściwą szkieletu gruntowego otrzymujemy, gdy podzielimy tę wielkość przez 20 (objętość gruntu)
3. Wilgotność naturalna
Wilgotność naturalna jest to stosunek masy wody zawartej w próbce gruntu do masy tej próbki wysuszonej w temperaturze 105-110 stopni wyrażony w procentach. Kształtuje ona wiele właściwości gruntów, w szczególności gruntów spoistych. Do wyznaczania wilgotności naturalnej używa się próbek NW lub NNS.
Aby wyznaczyć wilgotność naturalną gruntu, należy zważyć próbki gruntu (mmt) w uprzednio zważonych naczyńkach (mt) – badanie wykonuje się dla 2 próbek – oblicza się średnią arytmetyczną z obu wyników, jeśli nie różnią się one o więcej niż 5% - w przypadku większej różnicy przeprowadza się badanie na 2 dodatkowych próbkach i oblicza średnią z 3 najbardziej zbliżonych wartości. Następnie wkłada się próbki do suszarki i suszy się w temperaturze 105-110 stopni do uzyskanie stałej masy. Po 8h w przypadku gruntów niespoistych i 24h w przypadku gruntów spoistych wyjmuje się próbki i chłodziw eksykatorze, waży i ponownie na godzinę wkłada do suszarki. Jeśli po godzinie masy obu próbek są jednakowe, można uznać, że próbka została wysuszona do stałej masy (mst). Masa wody w gruncie jest wówczas równa: mw=mmt-mst, a masa szkieletu gruntowego ms=mst-mt. Wilgotność naturalna jest ilorazem tych dwóch mas wyrażonym w procentach.
Inne metody określania wilgotności naturalnej, przydatne szczególnie w badaniach polowych to metody przyspieszone za pomocą:
- aparatu karbidowego
- piktometru wodnego
- piktometru powietrznego
- aparatury elektronicznej
- aparatury radioizotopowej
Pozostałe wskaźniki identyfikacyjne gruntu można określić metodą B, na podstawie określonych w laboratorium cech podstawowych.
1. rd – gęstość objętościowa szkieletu gruntowego, jest to stosunek masy szkieletu gruntu do jej objętości pierwotnej
rd = ms/V = 100r/(100+w)
2. n – porowatość gruntu – jest to stosunek objętości porów (Vp) do całkowitej objętości próbki. Zależy ona od struktury gruntu – grunty o strukturze ziarnistej mają mniejszą porowatość, niż grunty spoiste.
n = Vp/V = 1 - rd/rs
3. e - wskaźnik porowatości gruntu – jest to stosunek objętości porów Vp do objętości szkieletu gruntowego.
e = Vp/Vs = n/1-n
4. wr - wilgotność całkowita – wilgotność przy całkowitym wypełnieniu porów wodą
wr = erw/rs *100%
5. Sr – stopień wilgotności – jest to stopień wypełnienia porów gruntu przez wodę.
Sr = Vw/Vp = wn/wr
Na podstawie stopnia wilgotności wyróżnia się stany zawilgocenia gruntów niespoistych:
- suchy (Sr=0)
- mało wilgotny (0<Sr£0,4)
- wilgotny (0,4<Sr£0,8)
- nawodniony (0,8<Sr£1)
6. g - ciężar właściwy gruntu
g = r * g
Wskaźniki klasyfikacyjne (testowe) to wielkości, na podstawie których można wnioskować w sposób przybliżony o właściwościach mechanicznych gruntu.
a) dla gruntów spoistych
1. IL – stopień plastyczności. Oznacza się go za pomocą sondowania sondą cylindryczną, lub metodą wałeczkowania.
IL=1,25*Xsr/A*fi = (wn-wp)/(wL-wp)
2. Granice konsystencji
W gruntach spoistych rozróżnia się 3 konsystencje : płynną, plastyczną i zwartą. Na granicy między konsystencją plastyczną i płynną znajduje się granica płynności (wL), na granicy między konsystencją plastyczną i zwartą znajduje się granica plastyczności (wp), dodatkowo wyróżnia się jeszcze granicę skórczalności (ws). Granice te zostały wprowadzone w 1911r. Przez Atterberga.
wL – granica płynności – można ją określać 3 metodami: Casagrande’a, Wasiliewa i penetrometru stożkowego. Według metody Casagrande’a granica płynności 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 1cm i wysokości 1mm
Badanie metodą Casagrande’a polega na umieszczeniu pasty gruntowej (namokniętej i wymieszanej nożem próbki) warstwami w miseczce aparatu, tak, aby tworzyła wklęsłą powierzchnię. Grunt powinien zajmować 2/3 przedniej części miseczki i kończyć się równą górną linią. Następnie pastę w miseczce przecina się rylcem płaskim (dla gruntów mało spoistych rylcem łukowym), po czym umieszcza się miseczkę w uchwycie aparatu i obraca korbką z prędkością 2 obrotów na sekundę. W momencie, kiedy bruzda zleje się na długości 10mm i wysokości 1mm należy zanotować liczbę uderzeń i oznacza wilgotność próbki gruntu ze środka bruzdy. Czynności te powtarza się co najmniej pięciokrotnie. Tworzy się wtedy wykres, z którego odczytuje się wilgotność dla której liczba uderzeń wynosi 25.
wp – granica plastyczności – największa procentowa zawartość wody w gruncie, mierzona w stosunku do jej suchej masy, przy której grunt rozwałkowany z kulki o średnicy 7-8mm w wałeczek o średnicy 3mm zaczyna się kruszyć
ws – granica skurczalności – największa procentowa zawartość wody, przy której grunt przy dalszym suszeniu przestaje się kurczyć i zmnienia swą barwę powierzchni na jaśniejszą. Można ją obliczyć(wg normy PN-88/B-04481) ze wzoru:
ws = (rw/rd - rw/rs)*100%
Można też uznać, że granica skurczalności jest równa granicy płynności pomniejszonej o 1,25 zawartości frakcji iłowej.
3. Stany fizyczne
4. Wskaźnik plastyczności – wskazuje, ile wody wchłania grunt przy przejściu ze stanu półzwartego w płynny, na jego podstawie ustala się aktywność koloidalna A (dla większości gruntów w Polsce A=1, czyli przeciętnie aktywne)
Ip = wL – wp = Afi
b) Dla gruntów niespoistych
1. Stopień zagęszczenia ID – jest to stosunek zagęszczenia w stanie naturalnym do największego możliwego zagęszczenia danego gruntu. Oblicza się go ze wzoru:
ID = (Vmsx-V)/ (Vmsx-Vmin) = (emsx-e)/ (emsx-emin)
lub określa metodą sondowania (gdyż niemożliwe jest pobranie próbek NNS gruntu niespoistego). Polega ona na pomiarze oporu końcówek sond przy ich zagłębianiu w grunt. Rozróżnia się sondy wbijane, wkręcane i wciskane. Najpopularniejsze w Polsce są sondy wbijane. Stopień zagęszczenia określa się z ilości uderzeń młota dla uzyskania odpowiedniego zagłębienia.
W zależności od stopnia zagęszczenia rozróżnia się 4 stany zagęszczenia gruntów niespoistych:
- luźny ID £ 0,33
- średnio zagęszczony 0,33 < ID £ 0 ,67
- zagęszczony 0,67 < ID £ 0,8
- bardzo zagęszczony 0,8 < ID £ 1
c) dla gruntów nasypowych
Is – wskaźnik zagęszczenia – jest miernikiem charakteryzującym jakość nasypu, określa się go ze wzoru
Is= rdnas/...
vaette