PODSTAWOWE CECHY FIZYCZNE GRUNTU
Wilgotność, gęstość właściwą i gęstość objętościową. Cechy te wyznacza się na podstawie badań laboratoryjnych.
Można od nich obliczyć 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 gruntu oznacza się metodą suszenia w temperaturze 105 – 110°C. W tej temperaturze z gruntu ustępuje woda wolna, kapilarna i błonkowata. Czas suszenia do stałej masy wynosi od kilku do kilkunastu godzin, zależnie od spoistości gruntu.
Wilgotność gruntu oprócz metody suszenia można określać metodami przyspieszonymi, szczególnie przydatnymi w warunkach terenowych, a mianowicie za pomocą:
— aparatu karbidowego; — piknometru wodnego; — piknometru powietrznego’ — aparatury elektronicznej; — aparatury radioizotopowej.
Wilgotność, jaką ma grunt w stanie naturalnym, nazywa się wilgotnością naturalną wn. Dla gruntów gruboziarnistych i kamienistych, w przypadku niemożności bezpośredniego określenia wilgotności metodą suszenia, ze względu na potrzebę suszenia dużych mas gruntu, 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 w (w przyjmuje się za równą nasiąkliwości ziam) oraz procentowej zawartości frakcji drobnej Pd wg wzoru:
W przypadku odrzuconych ziam o porowatości n^O przyjmuje się do wzoru (4.12)^=0.
4.4.3. GĘSTOŚĆ WŁAŚCIWA
Gęstością właściwą gruntu p^ nazywa się stosunek masy suchego szkieletu gruntowego m^ do jej objętości V^. Oblicza się ją wg wzoru:
Gęstość właściwą gruntu oznacza się za pomocą piknometru (rys. 4.5) zgodnie z wymaganiami PN-88/B-04481 [29]. 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:
m — masa piknometru i gruntu wysuszonego przy temperaturze 105 - 110°C, m^ — masa piknometru napełnionego do kreski wodą destylowaną przy temperaturze, w której oznaczono m , m — masa piknometru z gruntem i wodą wypełniającą piknometr do kreski, m, — masa piknometru wysuszonego przy tempereturze 105- 110°C, P w ~ 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 p^= 2,65-2,78 g/cm3.
4.4.4. GĘSTOŚĆ OBJĘTOŚCIOWA
Gęstość objętościowa gruntu p jest to stosunek masy próbki gruntu do objętości tej próbki łącznie z porami. Gęstość objętościową określa się ze wzoru:
m^ — masa próbki gruntu,
V — objętość próbki.
Gęstość objętościowa gruntów jest wartością zmienną, zależną od porowatości, wilgotności i gęstości właściwej. Orientacyjne wartości gęstości objętościowych
gruntów podano w tabl. 4.2, oraz wybranych gruntów spoistych i organicznych na rys. 4.6 i 4.7.
Gęstość objętościową gruntów oznacza się na próbkach o nienaruszonej strukturze (NNS). W laboratorium, zależnie od cech gruntu i wielkości dostarczonej próbki, gęstość objętościową można oznaczyć wg normy [29] 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 [20, 22]:
— 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 nie niszczące metody radioizotopowe. Badania można wykonywać w otworze badawczym i powierzchniowo (sondy otworowe i sondy powierzchniowe [4, 10, 22]).
4.5. CECHY FIZYCZNE POCHODNE OD CECH PODSTAWOWYCH
4.5.1. GĘSTOŚĆ OBJĘTOŚCIOWA SZKIELETU GRUNTOWEGO
Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego p^ jest to stosunek masy szkieletu gruntu w danej próbce do jej objętości pierwotnej (razem z porami). Wyznacza się ją ze wzoru:
m — masa próbki wysuszonej do stałej wagi w temperaturze 105 - 110°C,
V — objętość próbki gruntu przed wysuszeniem,
p - gęstość objętościowa gruntu,
w^ — wilgotność gruntu, %.
Znajomość p^ jest konieczna do obliczania porowatości i wskaźnika porowatości oraz wskaźnika zagęszczenia nasypów.
4.5.2. POROWATOŚĆ GRUNTU
Porowatość gruntu n jest to stosunek objętości porów V w danej próbce gruntu do jej całkowitej objętości V. Porowatość oblicza się ze wzoru:
Wobec trudności występujących podczas bezpośredniego pomiaru objętości porów V i objętości szkieletu Vy wykorzystuje się metodę pośrednią, wyprowadzając wzór na n na podstawie zależności (4.10a), (4.13) i (4.16) wynikających z rys. 3.5,
Porowatość gruntów zależy od struktury gruntu (rys. 4.8). Grunty o strukturze ziarnistej (piaski, żwiry) mają mniejszą porowatość niż grunty spoiste, których cząstki tworzą przeważnie strukturę komórkową lub Maczkową.
Przy założeniu, że grunt składa się z ziam kulistych o jednakowych średnicach, maksymalną porowatość (ttm^a=^'^<^^ uzyskuje się w przypadku kuł ułożonych w siatkę sześcianów (rys. 4.9a), a minimalną (ra^ =0,258), gdy środki kuł są ułożone w wierzchołkach romboedrów (rys. 4.9b). Z powyższego wynika, że porowatość gruntu równoziamistego nie zależy od wielkości średnic ziarn, lecz tylko od sposobu ich ułożenia.
Porowatość równoziamistych piasków i żwirów mieści się w zakresie podanym powyżej, piaski różnoziamiste mogą mieć porowatość mniejszą.
4.5.3. WSKAŹNIK POROWATOŚCI GRUNTU
Wskaźnikiem porowatości gruntu e nazywa się stosunek objętości porów Vp do objętości cząstek gruntu (szkieletu gruntowego) V^. Wskaźnik porowatości oblicza się ze wzoru:
Wskaźnik porowatości gruntów niespoistych waha się w granicach 0,3 -1,0, a w gruntach spoistych może być znacznie większy. Zależność pomiędzy n i e przedstawiono na rys. 4.10.
4.5.4. WILGOTNOŚĆ CAŁKOWITA GRUNTU
Grunt ma wilgotność całkowitą, gdy jego pory są całkowicie wypełnione wodą. Wilgotność całkowitą w^ oblicza się ze wzoru:
4.6. STOPIEŃ WILGOTNOŚCI I STANY ZAWILGOCENIA GRUNTÓW
Stopień wilgotności gruntu S^. określa stopień wypełnienia porów gruntu przez wodę. Oblicza się go ze wzoru:
Zależnie od stopnia wilgotności 5,. w normie [27] rozróżniono następujące stany zawilgocenia gruntów niespoistych:
suchy, jeżeli S,. = O, mało wilgotny, jeżeli O < S^. <. 0,4, wilgotny, jeżeli 0,4 <S^ 0,8, nawodniony, jeżeli 0,8 < S ź 1,0.
4.7. STOPIEŃ ZAGĘSZCZENIA I STANY GRUNTÓW NIESPOISTYCH
4.7.1. DEFINICJA STOPNIA ZAGĘSZCZENIA
Stopień zagęszczenia gruntów niespoistych Ip 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 i naturalnym V. Największym możliwym zagęszczeniem gruntu określa się różnicę objętości próbki gruntu w stanie najbardziej luźnym V^^ i najbardziej zagęszczonym V^. Zależności te przedstawiono na rys. 4.11.
Stopień zagęszczenia oblicza się po uwzględnieniu zależności z rys. 4.11 wg wzoru
e^ — wskaźnik porowatości maksymalnej obliczany dla gęstości objętościowej p^m przy najbardziej luźno usypanym gruncie suchym, e^ — wskaźnik porowatości minimalnej obliczany dla gęstości objętościowej
Pdmax P^y "możliwie największym zagęszczeniu gruntu suchego przez
wibrację (bez niszczenia ziam), e — wskaźnik porowatości naturalnej odpowiadający p^.
4.7.2. LABORATORYJNE METODY OZNACZANIA STOPNIA ZAGĘSZCZENIA
Oznaczanie granicznych gęstości objętościowych szkieletu gruntowego P^nim i p^pym niezbędnych do obliczenia granicznych wskaźników porowatości e^^ i e^ niespoistych gruntów drobnoziarnistych przeprowadza się zgodnie z normą [29] w metalowym cylindrze o znanych wymiarach, zaopatrzonym w tłok (rys. 4.12).
Gęstość p^m 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 l min, uderzając widełkami o ściana cylindra. Grunt uznaje się za zagęszczony do p^p^, jeżeli trzy kolejne pomiary zagłębienia tłoka po każdorazowym dodatkowym 30-sekundowym zagęszczaniu nie wykazują zmian.
Przedstawiona metoda oznaczania p^^ i P^niax ma zastosowanie do niespoistych gruntów drobnoziarnistych o zawartości największych ziarn d =2-5 mm poniżej 5%.
Badania p^^ i p^„ gruntów gruboziarnistych i kamienistych przeprowadza się w cylindrze wielkowymiarowym o średnicy D^5d^ (d^ - średnica największych ziam w gruncie), [20].
Oznaczenie p^m 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 p. wykonuje się metodą wibracji gruntu w cylindrze na stole wibracyjnym zapewniającym amplitudę 0,4 mm i częstotliwość 74 Hz (rys. 4.13). Po oznaczeniu p^^ 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 p^ni^.
Na podstawie badań [12] można stwierdzić, że dla niespoistych gruntów drobnoziarnistych występuje proporcjonalna zależność pomiędzy n^^ i n^ (rys. 4.14). Autor dla gruntów gruboziarnistych i kamienistych ustalił zależność p^m,/ Prfnm od wskaźnika różnoziamistości U (rys. 4.15).
4.7.3. STANY GRUNTÓW NIESPOISTYCH
Zależnie od stopnia zagęszczenia w normie [27] rozróżniono cztery stany zagęszczenia gruntów niespoistych, a mianowicie:
luźny O < iq <. 0,33 ,
średnio zagęszczony 0,33 < I p ^ 0,67,
zagęszczony 0,67 <...
Ariko