INSTRUKCJE Z LABORATORIUM Z MECHANIKI GRUNTÓW, Publikacje z Geologia

Pobierz INSTRUKCJE Z LABORATORIUM Z MECHANIKI GRUNTÓW i więcej Publikacje w PDF z Geologia tylko na Docsity! ĆWICZENIE NR 1 KLASYFIKACJA GRUNTÓW 1. Wstęp Za grunt budowlany, zgodnie z normą PN-86/B-02480, uznaje się tę część skorupy ziemskiej, która współpracuje lub może współpracować z obiektem budowlanym, stanowi jego element lub służy jako tworzywo do wykonania z niego budowli ziemnych. 2. Klasyfikacja gruntów według polskich norm (PN-86/B-02480) Stosowana obecnie klasyfikacja (tabele w załączeniu) oparta jest na różnych kryteriach, dobieranych tak, aby na ich podstawie można było wyróżnić grupy gruntów o jednakowych lub zbliżonych cechach z punktu widzenia geologii inżynierskiej. Ze względu na pochodzenie grunty dzieli się na antropogeniczne i naturalne. Grunt antropogeniczny jest to grunt nasypowy utworzony z produktów gospo- darczej lub przemysłowej działalności człowieka (odpady komunalne, poflotacyjne itp.) w wysypiskach, zwałowiskach, budowlach ziemnych itp. Grunty naturalne — to grunty, których szkielet powstał w wyniku procesów geologicznych. Dzieli się je ze względu na pochodzenie na: grunty rodzime i grunty nasypowe. Za grunt nasypowy należy uznać grunt naturalny przerobiony w wyniku dzia- łalności człowieka, np. w wysypiskach, zwałowiskach, budowlach ziemnych. Grunty nasypowe dzieli się ze względu na pochodzenie na: − nasyp budowlany (NB) - grunt powstały wskutek kontrolowanego procesu technicznego, np. w budowlach ziemnych, − nasyp niebudowlany (NN) — grunt powstały w sposób niekontrolowany, np. w zwałowiskach czy wysypiskach. Przez pojęcie grunt rodzimy rozumie się grunt, który znajduje się w miejscu powstania w wyniku procesów geologicznych. Ze względu na zawartość substancji organicznej grunty rodzime dzieli się na: − grunty mineralne, − grunty organiczne. Grunty mineralne są to grunty rodzime nie zawierające więcej niż 2% substancji organicznej. Ze względu na wytrzymałość (odkształcenie podłoża) grunty mineralne dzieli się na grunty skaliste mineralne i grunty nieskaliste mineralne. − Grunty skaliste - to grunty rodzime lite lub spękane o nie przesuniętych blokach (przy czym najmniejszy wymiar bloku musi przekraczać 10 cm), których próbki nie wykazują zmian objętości ani nie rozpadają się pod działaniem wody destylowanej i mają wytrzymałość na ściskanie Rc > 0,2 MPa. Grunty skaliste dzieli się ze względu na ich wytrzymałość na ściskanie, wyróżniając: grunt skalisty twardy (ST), o wytrzymałości na ściskanie Rc > 5 MPa, grunt skalisty miękki (SM), o wytrzymałości na ściskanie Rc ≤ 5 MPa. Inny podział gruntów skalistych uwzględnia stopień ich spękania. Gruntem nieskalistym mineralnym nazywa się grunt, którego nie można zaliczyć do gruntów skalistych (a więc jest rozdrobniony, bez silnych wiązań krystalicznych), a w którym zawartość części organicznych wynosi 2% lub jest mniejsza. Podstawowy podział gruntów nieskalistych mineralnych jest oparty na ich uziarnieniu. Podstawą tej klasyfikacji jest procentowa zawartość poszczególnych frakcji w danym gruncie i ich wzajemny stosunek. Pod pojęciem frakcji uziarnienia rozumie się zbiór wszystkich ziarn (cząstek) gruntu nieskalistego o średnicach zastępczych (d) znajdujących się w określonym zakresie wielkości. Grunty organiczne dzieli się podobnie jak grunty mineralne na grunty organiczne skaliste i grunty organiczne nieskaliste. Grunty organiczne skaliste dzieli się ze względu na stopień ich uwęglenia na węgiel brunatny i węgiel kamienny. Gruntem nieskalistym organicznym nazywa się grunt rodzimy, w którym zawartość części organicznych (Iom) jest większa niż 2%. Podział tych gruntów (wg PN-86/B-02480) został dokonany częściowo na podstawie procentowej zawartości części organicznych oraz innych domieszek i ich genezy. Zgodnie z tym podziałem wyróżnia się następujące grupy nieskalistych gruntów organicznych: − grunty próchniczne — grunty nieskaliste zawierające ponad 2% części orga- nicznych pochodzenia roślinnego (obumarłej flory i mikrofauny), − namuły - grunty powstałe w wyniku osadzania się substancji mineralnych i organicznych w środowisku wodnym; piaszczyste lub gliniaste, − gytie — namuły o zawartości węglanu wapnia ponad 5%, który może wiązać szkielet gruntu, nadając mu charakter gruntu skalistego o niskiej wartości wytrzy- małości na ściskanie Rc. − torfy — grunty powstałe z obumarłych i podlegających stopniowej karbonizacji części roślinnych o zawartości części organicznych na ogół ponad 30%. Z genetycznego punktu widzenia grunty organiczne podzielić można na: − grunty (skały) o różnej genezie, pochodzenia lądowego lub wodnego wzbogacone, zwykle wtórnie (postsedymentacyjnie), w próchnicę lądową. Mieszczą się one w grupie gruntów próchnicznych wg normy PN-86/B-02480 i dość zasadniczym problemem jest ustalenie górnej zawartości substancji organicznej, jaka może w nich występować oraz jej charakteru; − mady — utwory facji powodziowej, zawierające różną ilość substancji organicznej, stąd też teoretycznie można je włączyć do wyżej wymienionej grupy; − grunty organiczne pochodzenia wodnego — bagienne — torfy o zawartości substancji organicznej już od 20%; − grunty organiczne pochodzenia wodnego — jeziorne — ogólnie uznawane za gytie, o zawartości substancji organicznej już od 2% i zmiennym stosunku ilościowym pozostałych dwóch składników: węglanu wapnia i części mineralnych - bezwęglanowych; − grunty (skały) organiczne o różnym stopniu przeobrażenia polegającego na uwęgleniu substancji organicznej, zachodzącym pod wpływem różnych czynników − węgle brunatne, węgle kamienne. Grunty zaliczone do każdej z tych grup charakteryzują się odrębnymi właści- wościami wynikającymi z ich genezy i powinny być traktowane oddzielnie ze względu na różny charakter występującej w nich substancji organicznej, stosunki wodne, teksturę, a także różny charakter substancji mineralnej. Grunty próchniczne i mady, zwłaszcza te o niskiej zawartości substancji organicznej (do 3-4%), są na ogół badane podobnie jak grunty mineralne, z uwzględnieniem oczywiście zawartości substancji organicznej. Przy badaniu tych gruntów korzysta się zwykle z zawartych w normach budowlanych metod i niekiedy klasyfikacji. W instrukcji powołana została norma PN – 86/B – 02480 dotycząca klasyfikacji gruntów budowlanych. W klasyfikacji gruntów obowiązuje również norma: PN-EN ISO 14688-1:2006; Badania geotechniczne – Oznaczanie i klasyfikowanie gruntów. Zawartość frakcji, symbole i proponowane polskie nazwy gruntów wg PN-EN ISO 14688 Zawartość frakcji [%] Lp. Rodzaj gruntu Symbol Cl (fi) Si (fπ) Sa (fp) Gr (fż) 1 Żwir Gr do 3 0 – 15 0 – 20 80 – 100 2 Żwir piaszczysty saGr do 3 0 – 15 20 – 50 50 – 80 3 Piasek ze żwirem (pospółka) grSa do 3 0 – 15 50 – 80 20 – 50 Piasek drobny F Piasek średni M Sa 4 Piasek gruby C do 3 0 – 15 85 – 100 0 – 20 Żwir pylasty siGr 5 Żwir ilasty (pospółka ilasta) clGr do 3 15 – 40 0 – 20 40 – 85 Żwir pylasto- piaszczysty sasiGr 6 Żwir piaszczysto- pylasty (pospółka ilasta) sisaGr do 3 15 – 40 20 – 45 40 – 65 7 Piasek pylasty ze żwirem grsiSa grclSa do 3 15 – 40 40 – 65 20 – 40 8 Piasek zapylony (zailony) siSa clSa do 3 15 – 40 40 – 85 0 – 20 9 Żwir ilasty pył ze żwirem grSi grclSi siGr 0 – 8 40 – 80 0 – 20 20 – 60 Glina pylasta saclSi 8-17 33-72 20-60 10 Glina Glina ilasta sasiCl 8-31 25-65 20-60 11 pył Si 0-10 72-100 0-20 12 pył ilasty clSi 8-20 65-90 0-20 13 ił Cl 25-60 0-60 0-40 14 ił pylasty siCl 20-40 48-80 0-20 14 Grunty różne 10 – 30 20 – 40 30 – 40 20 – 40 15 Symbole dla zwietrzelin 20 – 40 20 – 40 30 – 40 10 – 30 40 – 60 30 – 60 16 Grunty organiczne Or Zasady klasyfikowania gruntów wg PN-EN ISO 14688 Kryterium Grupa gruntów Kryteria kwalifikacji Podział na grupy o podobnych właściwościach Dalsze podpodziały odpowiednio do Grunty niewykazujące spójności w stanie mokrym bardzo gruboziarniste większość cząstek > 200 mm Bo xBo boCo coBo większość cząstek > 63 mm Co saCo, grCo sagrCo Wymagają specjalnych oznaczeń większość cząstek > 2 mm Gr coGr saGr, grSa cosaGr sasiGr, grsiSa Wymiarów cząstek (rozkładu uziarnienia) Kształtu krzywej uziarnienia Zagęszczenia Przepuszczalności gruboziarniste większość cząstek > 0,063 mm Sa siGr, clGr orSa siSa, clSa, saclGr (Składu mineralnego) (Kształtu cząstek) Grunty wykazujące spójność w stanie mokrym o małej plastyczności wykazujące dylatancję Si saSi clSi, siCl sagrSi saclSi drobnoziarniste plastyczne niewykazujące dylatancji Cl orSi, orCl sagrCl Plastyczności Wilgotności Wytrzymałości, Wrażliwości. Ściśliwości, Sztywności. Składu mineralnego iłu Barwa ciemna, mała gęstość organiczne Or saOr, siOr clOr Wymagają specjalnych oznaczeń Nienaturalne antropogeniczne materiał wytworzony przez człowieka Wymagające specjalnych badań przemieszczane Mg xMg przemieszczony materiał naturalny Jak dla gruntów naturalnych Objaśnienia symboli Grunt Składnik główny Składnik drugorzędny lub domieszka Głaziki Kamienie Żwir Piasek Pył Ił Organiczny Sztuczny Bo Co Gr Sa Si Cl Or Mg bo co gr sa si cl or - x Gr(gr) i Sa(sa) można dzielić na drobne F(f), średnie M(m) lub grube C(c) każda kombinacja składników Zaleca się, aby przypadki wymagające specjalnego rozważenia były klasyfikowane zgodnie z wymaganiami krajowymi lub projektowymi 7 ĆWICZENIE NR 2 BADANIA WŁAŚCIWOŚCI GRUNTÓW METODĄ MAKROSKOPOWĄ 1. Wstęp Metoda makroskopowa jest uproszczonym badaniem rodzaju i stanu gruntów, a uzyskane wyniki mają charakter przybliżony. Najczęściej badania makroskopowe obejmują określenie: - rodzaju i nazwy gruntu, - stanu gruntu, - barwy, - wilgotności, - zawartości węglanu wapnia. Próbki do badań makroskopowych pobiera się z każdej warstwy gruntu różniącej się rodzajem lub stanem, lecz nie rzadziej niż co 1 m głębokości. Wyróżnia się trzy zasadnicze rodzaje pobieranych próbek gruntów: próbki o naturalnym uziarnieniu (NU), próbki o naturalnej wilgotności (NW) oraz próbki o naturalnej strukturze (NNS). − Próbki o naturalnym uziarnieniu (NU) — to próbki pobrane w sposób za- pewniający zachowanie naturalnego uziarnienia gruntu. − Próbki o naturalnej wilgotności (NW) — próbki gruntu w stanie rzeczywistego zalegania, pobrane w sposób zapewniający zachowanie naturalnej wilgotności gruntu. − Próbki o naturalnej strukturze (NNS) - próbki gruntu w stanie rzeczywistego zalegania, pobrane w sposób zapewniający zachowanie naturalnej struktury gruntu oraz naturalnej wilgotności. Wszystkie próbki powinny być zaopatrzone w zabezpieczoną przed uszkodzeniem kartkę (metryczkę) z opisem daty, miejsca i głębokości pobrania. 2. Oznaczanie rodzaju gruntu 2.1. Oznaczanie rodzaju gruntów spoistych Grunt należy określić jako spoisty, jeżeli po wyschnięciu do stanu powietrzno- suchego tworzy on zwarte grudki. Grunt należy określić jako niespoisty, jeżeli po wyschnięciu do stanu powietrzno- suchego stanowi on niezwiązane ze sobą cząstki lub grudki, rozpadające się pod wpływem lekkiego nacisku palcem. Jeżeli grunt jest w stanie wilgotnym, to rodzaj gruntu określa się na podstawie zdolności do formowania kulki. Grunt spoisty, w przeciwieństwie do sypkiego umożliwia uformowanie kulki. Rodzaj gruntów spoistych zależy przede wszystkim od zawartości w nich frakcji iłowej, a ponadto od zawartości frakcji pyłowej i piaskowej. Wyróżnia się 4 rodzaje gruntów spoistych (stopnie spoistości), przy czym spoistość nadaje gruntom frakcja iłowa (tab. 1). Rodzaje gruntów makroskopowo określa się na podstawie próby wałeczkowania, a w przypadkach wątpliwych - uzupełnionej próbą rozmakania i rozcierania a) Próba wałeczkowania 1. Z przeznaczonej do badań grudki gruntu usuwa się ziarna żwirowe i formuje palcami kulkę o średnicy 7 mm. 2. Z kuleczki formuje się wałeczek na wyprostowanej dłoni, prawą nieznacznie naciskając grunt i przesuwając wzdłuż lewej z szybkością około 2 razy na sekundę. 10
Gytia jej właściwości zależą od stosunku ilościowego substancji organicznej, wę- glanu wapnia oraz części mineralnych bezwapiennych (piasku, pyłu lub iłu). W zależności od zawartości substancji organicznej wyróżnia się gytie: − mineralne (do 10% części organicznych) - w zależności od ilości części węglanowych i bezwęglanowych oraz substancji organicznej makroskopowo mogą wykazywać cechy zbliżone do kredy jeziornej (dużą kruchość, jasne zabarwienie czasem o odcieniu różowym) lub do gruntów spoistych (większą spójność, szare, brunatne lub niebieskawe za- barwienie). − organiczno-mineralne (10-30% części organicznych), - wł. podobne jak mineralne, − organiczne (ponad 30% części organicznych) - w stanie wilgotnym stanowią substancję koloidalną, podobną do galarety, miękką w dotyku, sprężystą o barwach ciemnych — szarych, brunatnych. Po wyschnięciu zmniejszają objętość i twardnieją. 5. Określanie barwy gruntu Jedną z cech makroskopowych gruntu jest jego barwa, często ułatwiająca ma- kroskopowe wydzielenie różnych rodzajów gruntów. Barwa w niektórych przypadkach jest wynikiem określonego składu mineralnego gruntu lub zawartych w nim domieszek. Tak na przykład, związki żelaza trójwartościowego nadają gruntom zabarwienie o odcieniach czerwonych lub brunatnych, natomiast związki żelaza dwuwartościowego zabarwienie o odcieniach zielonych i czarnych. Czarne zabarwienie gruntu może być wywołane także obecnością substancji organicznej, a zielone obecnością glaukonitu. Barwę gruntu określa się na przełamie bryłki gruntu o wilgotności naturalnej. Określenie barwy może być wyrazem kilkuczłonowym, przy czym najpierw podaje się intensywność i odcień barwy, a następnie barwę podstawową, dominującą (na przykład: barwa jasnozielono-brązowa). Przy określaniu barw używa się na ogół nazw kolorów podstawowych w skali barw. Należy unikać takich określeń, jak beżowy, amarantowy itp. Jeśli barwa gruntu nie jest jednorodna, określa się charakter tej niejednorodności podając barwy poszczególnych części, na przykład: grunt o barwie jasnobrązowej z czerwonymi smugami. Należy jednocześnie pamiętać, że grunt może zmieniać barwę po wysuszeniu. Dlatego też określa się ją w gruncie o wilgotności naturalnej, a w przypadku określenia barwy gruntu wyschniętego fakt ten trzeba odnotować. 6. Oznaczanie wilgotności gruntu Makroskopowo wilgotność gruntu określa się wyróżniając pięć stopni wilgotności gruntów spoistych. Grunt określamy jako: a) suchy, jeśli grudka gruntu przy zgniataniu pęka, a po rozdrobnieniu daje suchy proszek, b) mało wilgotny, jeśli grudka gruntu przy zgniataniu odkształca się plastycznie, lecz papier przyłożony do gruntu nie staje się wilgotny, c) wilgotny, jeżeli grudka gruntu przyłożona do papieru zostawia na nim wilgotny ślad, d) mokry, jeżeli przy ściskaniu gruntu w dłoni odsącza się woda, e) nawodniony, jeżeli woda odsącza się z gruntu grawitacyjnie. 7. Określanie zawartości węglanu wapnia Węglany wapnia mogą występować w gruntach bądź w stanie rozproszonym, bądź też w postaci większych lub mniejszych skupień, kryształków, kukiełek itp. Ilość węglanów w niektórych gruntach spoistych może dochodzić nawet do 30%. Obecność 11 węglanów w gruntach powoduje ich silną agregację, co w zasadniczy sposób może mieć wpływ na inżyniersko-geologiczne właściwości tych gruntów. Makroskopowo zawartość węglanu wapnia określa się na podstawie obserwacji gruntu po skropieniu 20% roztworem kwasu solnego (tab. 4). Tab. 4. Oznaczanie klasy zawartości węglanów Klasa zawartości węglanów Przybliżona zawartość [%] CaCO3 Reakcje roztworu HCl IV > 5 Burzy się intensywnie i długo (> 20 s) III 3 – 5 Burzy się intensywnie lecz krótko (< 20 s) II 1 – 3 Burzy się słabo i krótko I < 1 Ślady lub brak wydzielania gazu Sprawozdanie powinno zawierać: − cel ćwiczenia, − wartości mierzonych parametrów, − określenie rodzajów badanych prób gruntów, − wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia. 12 ĆWICZENIE NR 3 OKREŚLENIE RODZAJU GRUNTÓW NIEORGANICZNYCH I ORGANICZNYCH OKREŚLENIE RODZAJU GRUNTÓW NIEORGANICZNYCH METODĄ ANALIZY SITOWEJ 1. Wstęp Analizę granulometryczną wykonuje się w celu określenia składu granulometrycznego gruntów nieskalistych, a więc wyznaczenia procentowej zawartości występujących w nich frakcji. Pozwala to w końcowym efekcie na wykreślenie krzywej uziarnienia oraz ustalenie rodzaju i nazwy badanego gruntu. Jest to podstawowe oznaczenie przy laboratoryjnych badaniach inżyniersko- geologicznych właściwości gruntów. Analizy granulometryczne wykonuje się metodami mechanicznymi (analiza sitowa) oraz metodami sedymentacyjnymi (analiza areometryczna). Jeśli prawie wszystkie ziarna w gruncie mają wymiary ponad 0,06 mm, stosuje się analizę sitową. Jeśli wszystkie cząstki gruntu mają wymiary niższe niż 0,06 mm stosuje się metody sedymentacyjne. Analiza sitowa polega na określeniu składu granulometrycznego gruntu przez rozdzielanie poszczególnych frakcji w wyniku rozsiewania próbki gruntu sypkiego na znormalizowanych sitach. Metody sedymentacyjne, polegające na rozfrakcjonowaniu gruntu w zawiesinie wodnej, są oparte na prawie Stokesa, które określa, że prędkość swobodnego opadania cząstek kulistych jest wprost proporcjonalna do ich średnicy i gęstości właściwej i zależy ponadto od gęstości właściwej i lepkości cieczy (wody), w której opadają cząsteczki oraz od przyspieszenia ziemskiego 2. Analiza sitowa 2.1. Sprzęt pomocniczy − komplet sit, − wstrząsarka, − parowniczki o średnicy 5-7 cm, − moździerz z tłuczkiem, − szczotka do czyszczenia sit. 2.2. Przebieg badania 1) Wysuszoną próbkę gruntu (w temp 105-110 oC) odważa się z dokładnością nie mniejszą niż 0,1%. Masa próbki zależnie od rodzaju gruntu wynosi: 200-250 g dla piasku drobnego, 250-500 g dla piasku średniego, 500-5000 g dla piasku grubego, pospółki i żwiru 2) Komplet czystych i suchych sit ustawia się w kolumnę w ten sposób, aby na górze znajdowało się sito o największym wymiarze oczek, a pod nim kolejno o coraz mniejszym wymiarze oczek. Pod sitem dolnym umieszcza się płaskie naczynie do zbierania najdrobniejszej frakcji przesiewu 3) Zestawione sita umieszcza się na wytrząsarce 4) Całość przymocowuje się uchwytami i uruchamia wytrząsarkę 5) Małymi porcjami wsypuje się przygotowaną (odwożoną) próbkę 6) Wytrząsanie powinno trwać 5-10 minut 7) Po zakończeniu przesiewania pozostałość na każdym sicie przenosi się do zważonej parowniczki i waży z dokładnością, nie mniejszą niż: a. 0,01 g - jeśli masa ważonej frakcji m1 nie przeważa 50 g, 15 ZAWARTOŚĆ CZĄSTEK O ŚREDNICY WIĘKSZEJ NIŻ de ZAWARTOŚĆ CZĄSTEK O ŚREDNICY MNIEJSZEJ NIŻ de 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 3,0 4,0 15 20 25 30 [mm] 40 50 60 80 100 2 2,5 3 4 5 6 8 10 0,9 1 1,5 7,0 8,0 5,0 6,0 0,0025 0,003 0,004 0,005 0,006 0,4 0,5 0,6 1,5 2,0 0,8 1,0 0,008 0,01 0,015 0,2 0,025 0,3 0,001 0,015 0,002 P I A S K O W A F R A K C J E W YKR ES U ZIAR N IEN IA [% ] KA M . Ż W I R O W A P Y Ł O W A [% ] IŁO W A 16 Tabela 3. Klasyfikacja gruntów nieskalistych mineralnych wg PN-86/02480 Grunt Nazwa gruntu Symbol Uziarnienie Dodatkowe kryteria lub nazwa zwietrzelina KW fi ≤ 2% Zwietrzelina gliniasta KWg fi > 2% grunty występujące w miejscu wietrzenia skały w stanie nienaruszonym rumosz KR fi ≤ 2% rumosz gliniasty KRg fi > 2% grunt występuje poza miejscem wietrzenia skały pierwotnej, lecz nie podlegał procesom transportu i osadzania w wodzie Kamienisty d50 > 40 mm otoczaki KO grunt osadzony w wodzie żwir Ż fi ≤ 2% żwir gliniasty Żg fi > 2% fk + fz > 50% pospółka Po fi ≤ 2% Gruboziarnisty d50 ≤ 40 mm d90 > 2 mm pospółka gliniasta Pog fi > 2% 50% ≥ fk + fz > 10% zawartość frakcji % > 2 mm > 0,5 mm > 0,25 mm piasek gruby Pr < 10 > 50 - d50 > 0,5 mm piasek średni Ps < 10 < 50 > 50 0,5 mm ≥ d50 > 0,25 mm piasek drobny Pd < 10 < 50 < 50 d50 ≤ 0,25 mm N ie sp oi st y (s yp ki ) I p ≤ 1 % piasek pylasty Pπ < 10 < 10 < 10 fp = 68-90%; fπ = 10-30%; fi = 0-20% fp fπ fi piasek gliniasty Pg 60-98 0-30 2-10 pył piaszczysty πp 30-70 30-70 0-10 pył π 0-30 60-100 0-10 mało spoiste Ip = 1-10 % glina piaszczysta Gp 50-90 0-30 10-20 glina G 30-60 30-60 10-20 glina pylasta Gπ 0-30 30-90 10-20 średnio spoiste Ip = 10-20 % glina piaszczysta zwięzła Gpz 50-80 0-30 20-30 glina zwięzła Gz 20-50 20-50 20-30 glina pylasta zwięzła Gπz 0-30 50-80 20-30 zwięzło spoiste Ip = 20-30 % ił piaszczysty Ip 50-70 0-20 30-50 ił I 0-50 0-50 30-100 D ro b n o zi ar n is ty d 9 0 ≤ 2 m m S p o is ty I p > 1 % ił pylasty Iπ 0-20 50-70 30-50 bardzo spoiste Ip > 30 % Sprawozdanie powinno zawierać: − cel ćwiczenia, − wartości mierzonych parametrów, − wyniki analizy sitowej w formie tabeli − wykres krzywej uziarnienia, − obliczenia współczynnika niejednorodności uziarnienia oraz filtracji, − wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia. 17 OKREŚLENIE RODZAJU GRUNTÓW ORGANICZNYCH METODĄ PRAŻENIA 1. Wstęp Substancja organiczna dostaje się do gleb i gruntów w wyniku obumierania roślin i zwierząt. W zależności od warunków klimatycznych i biologicznych substancja organiczna może ulec całkowitemu rozkładowi, czyli mineralizacji lub też przekształceniu (proces humifikacji) w próchnicę. Udział w tych procesach bierze przede wszystkim mikroflora (bakterie, promieniowce, grzyby i glony) oraz częściowo mikro- i mezofauna. Procesy te zachodzą głównie w warstwie glebowej. Przyjmuje się ogólnie, że około ¾ substancji organicznych ulega procesom mineralizacji, natomiast 1/4 w wyniku humifikacji przekształca się w próchnicę. W wyniku mineralizacji powstaje szereg prostych związków mineralnych, takich jak CO2, H2O, NH3, oraz metan, siarkowodór (w przypadku procesów gnicia ), a także jonów: SO4 2- , HPO4 2- j , NO3 - . Badania zawartości substancji organicznej (humusowej) w gruncie polegają przede wszystkim na określeniu ilości węgla zawartego w tej substancji przez utlenienie go do CO2. Najczęściej stosowanymi sposobami oznaczania są:
metoda Tiurina,
oznaczanie substancji organicznej przy pomocy wody utlenionej,
oznaczanie strat wagi podczas prażenia. Poniżej opisana zostanie metoda oznaczania zawartości substancji organicznej polegająca na określeniu strat wagowych podczas prażenia. 2. Sprzęt pomocniczy − tygielki porcelanowe, − parownice porcelanowe lub naczyńka wagowe, − moździerz z tłuczkiem, − sito o wymiarach oczek 0,25 mm. 3. Przebieg badania − W piecu elektrycznym w temperaturze 600-800°C praży się pusty tygielek porcelanowy i waży go. − Z próbki gruntu w stanie powietrzno-suchym usuwa się ręcznie nie rozłożone korzenie i inne części organiczne. − Próbkę rozciera się i przesiewa przez sito o wymiarach oczek 0,25 mm. − Próbkę gruntu suszy się w parowniczce lub naczyńku wagowym w temperaturze 105-110°C do stałej masy. − Z wysuszonej do stałej masy próbki, w tygielku porcelanowym odważa się z dokładnością 0,01 g około 10 g próbki. − Zważoną w tygielku próbkę umieszcza się w piecu elektrycznym. Podnosi się stopniowo temperaturę w piecu aż do określonej, stosowanej w danym badaniu temperatury. Według PN-88/B-04481 temperatura powinna wynosić 600-800°C. − Próbkę przetrzymuje się w piecu w ustalonej temperaturze, przez co najmniej 4 godziny. − Po tym czasie próbkę wyjmuje się z pieca, studzi w eksykatorze i waży. − Wstawia się próbkę ponownie do pieca i praży przez dalsze 3-4 godziny. Prażenie i ważenie powtarza się do uzyskania stałej masy. 20 3. Obliczanie wyników Wilgotność gruntu oblicza się ze wzoru: w = %100⋅ − − tst stmt mm mm gdzie: w – wilgotność, % mmt – masa naczynka z gruntem wilgotnym, g mst – masa naczynka z gruntem suchym, g mt – masa naczynka pustego, g Jako wynik ostateczny przyjmuje się średnią arytmetyczną wartości z dwóch oznaczeń, jeśli różnica uzyskanych wartości nie przekroczy 5% wartości średniej. 4. Obliczanie stopnia wilgotności Stopniem wilgotności gruntu nazywa się stosunek objętości wody zwartej w porach gruntu do objętości porów: Sr = p w V V gdzie: Sr – stopień wilgotności, Vw – objętość wody w porach gruntu, cm3 (= masa wody w porach: gęstość właściwa wody 1 g/cm3), Vp – objętość porów, cm3 Objętość porów oblicza się z różnicy objętości całej próbki gruntu (V) i objętości samego szkieletu gruntowego tej próbki (Vs). Objętość szkieletu gruntowego otrzymuje się dzieląc masę szkieletu (masę suche próbki ms) przez gęstość właściwą tego szkieletu (ρs). Tak więc stopień wilgotności oblicza się ze wzoru: Sr = w s tst stmt mm V mm ρ ρ 1⋅ − − − gdzie: Sr – stopień wilgotności, mmt, mst, mt – wg p. 3 i 4 (z próbki wyjętej z pierścienia), V – objętość badanej próbki, cm3, oznaczona w pierścieniu lub cylindrze, ρs – gęstość właściwa szkieletu gruntowego, g/cm3 (= 2,65 g/cm3), ρw – gęstość właściwa wody w porach gruntu g /cm3,(przyjmowana jako równa1,00 g /cm3). Od stopnia wilgotności zależy wiele właściwości gruntu, między innymi ściśliwość, wytrzymałość na ścinanie, itp. Wskazuje on bowiem na stopień wypełnienia porów gruntu przez wodę. Podział gruntów niespoistych ze względu na ich stopień wilgotności (Sr) jest następujący: Grunt suchy (su) Sr = 0 Grunt mało wilgotny (mw) Sr = 0 – 0,4 21 Grunt wilgotny (w) Sr = 0,4 – 0,8 Grunt mokry (m) Sr = 0,8 – 1,0 5. Oznaczenie wilgotności optymalnej (wopt) Za wilgotność optymalną przyjmuje się wilgotność, przy której grunt uzyskuje maksymalną gęstość objętościową, a zatem ulega maksymalnemu zagęszczeniu. Po przekroczeniu tej granicy wilgotność wzrasta, ale ciężar objętościowy maleje, a grunt traci zdolność dalszego zagęszczania, gdyż ulega rozwodnieniu. 5.1. Sprzęt pomocniczy − cylinder, − ubijak, − listwa stalowa z ostrą krawędzią, − sita, − szczelnie zamykane naczynie o objętości 10 dm3 , − waga laboratoryjna. Wilgotność optymalną oznacza się jako zawartość wilgotności, przy której grunt zagęszczany przez ubijanie wykazuje maksymalną wartość gęstości objętościowej szkieletu gruntowego. 5.2. Przebieg oznaczenia 1. Należy przygotować 2,5 – 3,0 kg badanej próbki gruntu na 1 dm3 objętości cylindra. Próbka użyta do badań powinna być wysuszona do stanu powietrzno suchego. 2. Każdą z prób należy przygotować poprzez rozdrobnienie i przesianie (sito o wymiarach oczka kwadratowego 6 mm). Pozostałość na sicie należy zważyć i oznaczyć jej procentową zawartość w próbce. 3. Przesianą cześć próby należy zmieszać z wodą w ilości 60 cm3, dla gruntów niespoistych lub 100 cm3 dla gruntów spoistych, licząc na 1 dm3 objętości gruntu. Dokładnie wymieszać. 4. Przygotowany grunt przeznaczony do badań należy ułożyć w cylindrze w trzech warstwach, zagęszczając każdą warstwę 25 uderzeniami ubijaka. Przed ułożeniem kolejnej warstwy gruntu do cylindra należy powierzchnię poprzednio już ubitej warstwy zdrapać (porysować) ostrzem. Po ułożeniu każdej warstwy gruntu należy jej powierzchnię wyrównać i przed przystąpieniem do ubijania lekko ugnieść. Każda warstwa powinna być równomiernie zagęszczona, tzn. taką samą liczbą uderzeń ubijaka opadającego z tej samej wysokości. W czasie ubijania cylinder powinien stać na sztywnym podłożu. Po ubiciu ostatniej warstwy nadmiar gruntu należy ściąć linijką, a następnie zważyć cylinder z gruntem (mmt) i oznaczyć gęstość objętościową szkieletu gruntowego (pd) pd = w+100 100ρ [g/cm3] gdzie: p = V mm twt − [g/cm3] w – wilgotność, % 22 mwt – masa cylindra z gruntem, g V – objętość badanej próbki, cm3, 5. Oznaczyć wilgotność ubijanego gruntu (w) pobierając próbke gruntu do naczyńka wagowego i susząc go do stałej masy (patrz p.2). 6. Następnie grunt należy wyjąc z cylindra, rozdrobnić oraz dodać kolejną porcję wody (tak aby wilgotność gruntu zwiększyła się o 1-2%), dokładnie wymieszać, a potem warstwami ubijać w cylindrze - tak jak poprzednio. 7. Czynności te należy powtarzać do chwili, gdy masa cylindra z gruntem (mmt) zacznie się zmniejszać (spadek gęstości objętościowej), pamiętając każdorazowo o pobraniu próbki do określenia wilgotności. Dopuszcza się najwyżej 5-krotne wykonywanie zagęszczania w tej samej próbie gruntu, dlatego tez niezbędne jest przygotowanie co najmniej trzech równoległych prób gruntu powietrzno -suchego. Nie należy wykonywać badania gdy: − z badanego gruntu wycieka grawitacyjnie woda, − woda pokrywa powierzchnię gruntu w cylindrze. 5. 3. Obliczanie wyników Po obliczeniu wilgotności (w) i gęstości objętościowej szkieletu gruntowego (pd) należy dla poszczególnych oznaczeń sporządzić wykresy zależności pd od w. Wartości nanieść na wykres (rys. 1). Jako wilgotność optymalną (wopt) należy przyjąć wartość wilgotności wyznaczonej z wykresu, która odpowiada maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego (pds). Należy obliczyć wskaźnik zagęszczenia gruntu zgodnie z wzorem: Is= ds d ρ ρ gdzie: Is – wskaźnik zagęszczenia, Pd – gęstość objętościowa szkieletu gruntowego [g/cm3] wyznaczona dla wilgotności naturalnej (przyjąć gęstość objętościową szkieletu gruntowego wyznaczoną podczas pierwszego ubijania, tzn. dla pierwszej oznaczanej wilgotności), Pds – maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntowego, [g/cm3] Jeżeli masa odsianych z próbki grubszych ziarn jest >5% i <25% całkowitej masy szkieletu gruntowego próbki, to wartości wilgotności optymalnej i maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego należy obliczyć ze wzorów: Wilgotność optymalna gruntu: Wopt = (1 – x) ּ W’ opt [%] Maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntowego: ( )' ' dsss dss ds x ρρρ ρρρ −− ⋅ = [g/cm3] gdzie: wopt, pds - wartości odczytane z wykresu, x - stosunek masy usuniętych grubszych ziarn do masy szkieletu całej próbki, 25 8. Po zakończeniu mieszania przenosi się pipetką 1-2 krople zawiesiny na bibułę filtracyjną. 9. Jeśli na bibule w przeniesionej kropli zabarwiony jest tylko grunt, a wokół niego pozostaje otoczka czystej wody, do zlewki dodaje się dalsze 0,5 cm3 błękitu i powtarza się czynność kilkakrotnie, tak długo, aż otoczka wokół gruntu na bibule wykaże zabarwienie niebieskie. Oznacza to, że zdolność sorpcyjna gruntu została przekroczona i nadmiar barwnika zostaje w roztworze. 10. Badanie uznaje się za zakończone po stwierdzeniu pojawienia się barwnej otoczki wokół gruntu. 4. Obliczanie wyników Pojemność sorpcyjną (MBC) gruntu w stosunku do błękitu metylenowego oblicza się ze wzoru: MBC = 2 100 1−+ ⋅⋅ ii s VV m m gdzie: MBC – pojemność sorpcyjna gruntu oznaczająca ilość gramów błękitu metylenowego zaadsorbowanego przez 100 g suchego gruntu, m – masa błękitu metylenowego w gramach zawarta w 1 cm3 roztworu, w przeliczeniu na substancje 3-wodną (masę mnoży się przez 1,169): 1000 ml roztworu – 10 g błękitu 1 ml roztworu - 0,1 g błękitu 0,1 g x 1,169 = 0,1169g błękitu w 1 cm3 roztworu ms – masa gruntu użytego do badania, Vi – objętość roztworu błękitu metylenowego, przy którym zdolność sorpcyjna została przekroczona [cm3], Vi-1 – objętość roztworu błękitu metylenowego, przy przedostatniej porcji roztworu przed przekroczeniem zdolności sorpcyjnej gruntu, cm3. Powierzchnię właściwą gruntu oblicza się ze wzoru: St = k1MBC gdzie: k1 – współczynnik, którego wartość wynosi 20,94 m2/g, określający sumę rzutów powierzchni 1 g cząsteczek błękitu metylenowego MBC – j.w. Za wynik ostateczny przyjmuje się średnią arytmetyczną 3 oznaczeń. Uzyskany wynik powinien być zgodny z wartościami podanymi w poniższej tabeli. Powierzchnia właściwa gruntów (m2/g) rodzaj gruntu powierzchnia właściwa piaski 7-13 gliny 14-23 iły 15-200 torfy 500-1000 Sprawozdanie powinno zawierać: − cel ćwiczenia, − wartości mierzonych parametrów, − obliczenia, − wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia. 26 ĆWICZENIE NR 6 OZNACZANIE GĘSTOŚCI WŁAŚCIWEJ SZKIELETU GRUNTOWEGO 1. Wstęp Gęstością właściwą szkieletu gruntowego nazywamy stosunek masy szkieletu gruntowego do objętości tego szkieletu. Obliczamy ją ze wzoru: ρs = s s V m gdzie: ρs - gęstość właściwa szkieletu gruntowego, g/cm3 ms – masa szkieletu gruntowego, g Vs – objętość szkieletu gruntowego, cm3 (objętość zapełniona przez cząstki stałe w gruncie). Wartość gęstości właściwej szkieletu gruntowego zależy od składu mineralnego gruntu i innych domieszek w nim zawartych. Jej znajomość jest niezbędna przy obliczaniu wielu parametrów, np.: przy wyznaczaniu porowatości gruntów, składu granulometrycznego lub ściśliwości. Gęstość właściwą można oznaczać różnymi metodami, przy czym wybór metody zależy od rodzaju gruntu. Najczęściej stosowaną jest metoda piknometru,. Oznaczenie gęstości właściwej wymaga dużej dokładności badań. 2. Metoda piknometru 2.1. Przyrządy i sprzęt pomocniczy − piknometr o pojemności 250 – 500 ml, − moździerz z tłuczkiem, − parowniczka, − termometr, − pipeta, − zlewka, − waga laboratoryjna. 2.2. Przebieg badania 1. Próbkę gruntu należy doprowadzić do stanu powietrzno - suchego. 2. Odważyć próbkę gruntu o masie (ms): 10 g dla torfów, 20 g dla piasków, piasków gliniastych, pyłów i pyłów piaszczystych, 20 g dla glin, glin piaszczystych i glin pylastych, 20 g dla glin zwięzłych i iłów. 3. Zważyć pusty, suchy piknometr z dokładnością do 0,01 g (mt). 4. Wlać do piknometru wodę destylowaną do objętości 500 ml (Vw). Za pomocą pipetki odciągnąć nieco wody z szyjki, a następnie - ponownie doprowadzić poziom wody do wartości 500 ml. Oba wyniki nie powinny różnić się od siebie więcej niż o 0,2 %. W przypadku większej różnicy badanie należy powtórzyć aż do otrzymania 2 do 3 wyników nie różniących się od siebie więcej niż o 0,2 %. 5. Do piknometru wsypać wysuszony grunt o masie ms., a następnie wymieszać go dokładnie z wodą potrząsając piknometrem przez 5 min. 6. Odczytać objętość wody razem z gruntem (Vwg). Różnica pomiędzy odczytanym poziomem (Vwg) oraz poziomem wody wypełniającej piknometr do 500 ml (Vw) daje objętość gruntu (Vs). 27 7. Obliczanie wyników: Masę szkieletu gruntowego ms otrzymuje się przez zważenie próbki gruntu: ms = mgt - mt,, gdzie: ms – masa suchego gruntu, mgt – masa gruntu z naczyniem, mt – masa naczynia. Objętość szkieletu gruntowego otrzymuje się z obliczenia różnicy objętości piknometru z wodą i gruntem (Vwg) oraz piknometru z wodą (Vw): Vs = Vwg - Vw Gęstość właściwą szkieletu gruntowego oblicza się ze wzoru: ρs = ms : Vs gdzie: ms – masa szkieletu gruntowego, g Vs – objętość szkieletu gruntowego Uzyskane wyniki nie powinny różnić się od wartości podanych w tabeli 1 więcej niż 0,02 g/cm3 dla gruntów niespoistych oraz mało, średnio i zwięzło spoistych, natomiast o 0,03 g/cm3 dla gruntów bardzo spoistych. Tab. 1. Gęstość właściwa szkieletu gruntowego niektórych gruntów Gęstość właściwa szkieletu Nazwa gruntu g/cm3 Piaski Piaski pylaste Piaski i pyły piaszczyste Piaski gliniaste Gliny Gliny zwięzłe Iły, iły pylaste Piaski i iły próchnicze Namuły organiczne Torfy 2,65 – 2,67 2,65 – 2,66 2,66 – 2,67 2,66 – 2,68 2,67 – 2,70 2,69 – 2,72 2,71 – 2,78 2,30 – 2,64 2,15 – 2,60 1,40 – 1,70 Sprawozdanie powinno zawierać: − cel ćwiczenia, − wartości mierzonych parametrów (obliczenia), − wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia. 30 zlewa się na długości 10 mm i wysokości 1 mm przy dwudziestym piątym uderzeniu miseczki o podstawę aparatu. Termin „plastyczność gruntu” oznacza jego zdolność do odkształcania (deformacji) pod wpływem sił zewnętrznych, bez naruszania spójności próbki oraz zdolności utrzymywania nadanej mu formy po ustąpieniu działania sił zewnętrznych. Grunty spoiste wykazują plastyczność tylko przy określonej zawartości wody związanej, tzw. wody poliwarstw, pozwalającej na przemieszczanie się cząsteczek względem siebie bez naruszania ciągłości układu. Stan gruntu zależy od: - ilości i właściwości zawartej w nim wody (wilgotności), - od składu i właściwości cząstek stałych: • składu granulometrycznego; im wyższa zawartość frakcji iłowej tym wyższa plastyczność gruntu, domieszki piasków obniżają tę wartość, • składu mineralnego; największą plastyczność powoduje obecność minerałów grupy montmorillonitu, a najmniejszą minerałów grupy kaolinitu, • domieszek substancji organicznej; jej obecność powoduje podwyższenie plastyczności gruntu, • kształtu cząstek. Przebieg oznaczania granicy skurczalności (ws) 1. Z gruntu o nienaruszonej strukturze wycina się dwie próbki, nie mające szczelin i pęknięć, o objętości 20-30 cm3 i wygładza je ostrzem noża. Wycinanie próbek przeprowadza się tak, aby nie naruszyć naturalnej struktury gruntu. 2. Wycięte próbki umieszcza się w parowniczkach i suszy: początkowo na powietrzu, w temperaturze pokojowej do stanu powietrzno-suchego, a następnie w suszarce (w temperaturze 105-110 °C) - do stałej masy. 3. Próbki ochładza się w eksykatorze. 4. Próbki waży się (ms). 5. Oznacza się objętość wysuszonych próbek (V) mierząc suwmiarką długość, szerokość i wysokość próbki. 6. Jednocześnie oznacza się gęstość właściwą szkieletu gruntowego badanego gruntu ps lub odczytuje jej wartość z poniższej tabeli: Tab. 1. Gęstość właściwa szkieletu gruntowego wybranych gruntów Gęstość właściwa szkieletu Nazwa gruntu g/cm3 Piaski Piaski pylaste Piaski i pyły piaszczyste Piaski gliniaste Gliny Gliny zwięzłe Iły, iły pylaste Piaski i iły próchnicze Namuły organiczne Torfy 2,65 – 2,67 2,65 – 2,66 2,66 – 2,67 2,66 – 2,68 2,67 – 2,70 2,69 – 2,72 2,71 – 2,78 2,30 – 2,64 2,15 – 2,60 1,40 – 1,70 7. Granicę skurczalności gruntu (ws %) oblicza się wg wzoru: 31 ws = s w d w ρ ρ ρ ρ − gdzie: pw - gęstość wody w porach gruntu [1 g ּ cm-3], ps - gęstość właściwa szkieletu gruntowego [g ּ cm-3], pd - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego [g ּ cm-3], obliczona z wzoru: pd = V ms gdzie: ms — masa szkieletu gruntowego (g), V - objętość próbki gruntu po wysuszeniu (cm3). Sprawozdanie powinno zawierać: − cel ćwiczenia, − opis ćwiczenia − analizę wyników, − wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia. 32 ĆWICZENIE NR 9 OZNACZANIE KONSYSTENCJI I STANU GRUNTÓW SPOISTYCH GRANICA PLASTYCZNOSCI Przebieg oznaczania granicy plastyczności (wp) 1. Próbkę gruntu o masie około 50 g i wilgotności naturalnej miesza się dokładnie w parowniczce. 2. Jeżeli grunt znajduje się w stanie półzwartym lub zwartym, nasyca się go wodą do stanu plastycznego, a jeśli znajduje się w stanie płynnym, podsusza się go. 3. Z wydzielonej próbki gruntu usuwa się ziarna o średnicy większej niż 2 mm i formuje palcami kulkę o średnicy 7 mm. 4. Z kuleczki formuje się wałeczek na wyprostowanej dłoni, prawą nieznacznie naciskając grunt i przesuwając wzdłuż lewej z szybkością około 2 razy na sekundę. Czynność prowadzi się aż do uzyskania wałeczka o średnicy 3 mm na całej jego długości. 5. Jeżeli wałeczek nie wykazuje spękań i nie łamie się przy podniesieniu go w palcach do góry, zgniata się go, ponownie formuje kuleczkę i wałeczkuje od nowa 6. Kolejne czynności wałeczkowania wykonuje się tak długo, aż wałeczek po uzyskaniu średnicy 3 mm rozsypuje się lub zaczyna pękać 7. Wszystkie kawałeczki wałeczka wkłada się do naczynka wagowego i zamyka dokładnie doszlifowaną pokrywką. 8. Powtarza się badanie na następnej kulce gruntu. 9. Czynność wałeczkowania kolejnych próbek powtarza się tyle razy, aby w dwóch naczynkach wagowych zebrać co najmniej 5-7- g gruntu. 10. Naczynka z wałeczkami waży się (mmt) i suszy w suszarce do stałej masy w celu oznaczenia wilgotności Oznaczona wilgotność jest wartością granicy plastyczności: wp = %100⋅ − − tst stmt mm mm gdzie: wp – wilgotność granicy plastyczności, % mmt – masa naczynka z gruntem wilgotnym, g mst – masa naczynka z gruntem suchym, g mt – masa naczynka pustego, g Za wynik ostateczny przyjmuje się średnią arytmetyczną z obu oznaczeń wilgotności, jeśli ich różnica nie przekracza 10% wartości średniej. Sprawozdanie powinno zawierać: − cel ćwiczenia, − opis ćwiczenia − analizę wyników, − wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia. 35 gdzie: Ip – wskaźnik plastyczności Wskaźnik plastyczności (Ip): Wskaźnik plastyczności określa plastyczne właściwości gruntów, wskazując ile wody wchłania grunt przy przejściu ze stanu półzwartego w stan płynny, a więc podając zakres wilgotności, w których grunt ma właściwości plastyczne. Im większa jest wartość wskaźnika plastyczności, tym bardziej plastyczny jest grunt. Grunty o bardzo małej wartości wskaźnika plastyczności bardzo łatwo upłynniają się, nawet przy nieznacznym zwiększeniu wilgotności. Wskaźnik plastyczności wyznacza się ze wzoru: Ip = wL - wp gdzie: Ip –wskaźnik plastyczności [%], wL - granica płynności [%], wp - granica plastyczności [%]. Stopień konsystencji (Ik): Ik = (wL – w) : (wL – wp) gdzie: Ik – stopień konsystencji, wL - granica płynności [%], w - wilgotność[%], wp - granica plastyczności [%]. Wskaźnik skurczalności (SI): Określający zakres wilgoci stanu półzwartego. Obliczamy wg wzoru: SI = (wp – ws) gdzie: SI – stopień konsystencji [%], wp - granica plastyczności, ws - granica skurczalności. Sprawozdanie powinno zawierać: − cel ćwiczenia, − wartości mierzonych parametrów (obliczenia), − analizę uzyskanych wyników - określenie stanu badanych gruntów, − wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia. 36 ĆWICZENIE NR 11 BADANIATERENOWE: WIERCENIA, POBIERANIE PRÓBEK GRUNTU Wstęp Geologia inżynierska służy rozpoznaniu środowiska geologiczno-inżynierskiego dla potrzeb posadowienia obiektów inżynierskich i budowlanych opierając się na: a) geologiczno-inżynierskich badaniach podłoża gruntowego, b) szerokiej analizie budowy geologicznej z uwzględnieniem zagadnień: a. geodynamicznych, b. strukturalnych, c. hydrogeologicznych. Ostateczną decyzję o lokalizacji obiektów inżynierskich podejmuje się po konfrontacji danych geologicznych z ukształtowaniem powierzchni terenu i wymogami konstrukcyjnymi obiektu. Zakres i charakter oraz metody badań geologiczno-inżynierskich uzależnione są od: a) rodzaju budowli, b) etapu realizacji projektu, c) etapu realizacji budowy, d) warunków geologicznych, e) warunków geomorfologicznych terenu. W zakres tych prac dla wszystkich rodzajów obiektów budowlanych wchodzą przede wszystkim badania płytkiego podłoża budowlanego prowadzone za pomocą wierceń badawczych. Lokalizacja i głębokość wierceń zależy od charakteru projektowanej budowli, jej przeznaczenia i eksploatacji, rodzaju konstrukcji, ciężaru, obciążeń, wrażliwości na osiadanie podłoża, zagłębienia i rodzaju fundamentów i warunków geologicznych. Oprócz wierceń badawczych polowe badania geotechniczne przeprowadza się również za pomocą wykopów badawczych oraz sondowań sondami statycznymi i dynamicznymi. 1. Wiercenia badawcze Wiercenie dzieli się w zależności od sposobu drążenia otworu wiertniczego na: − ręczne okrętne, − ręczne okrętno-udarowe, − mechaniczne obrotowe, − mechaniczne udarowe. Wiercenia umożliwiają: − pobieranie próbek gruntu, na podstawie których odtwarza się profil geologiczny i ustala cechy fizyczno-mechaniczne gruntów, − przeprowadzenie obserwacji hydrogeologicznych oraz pobieranie próbek wód, a także przeprowadzenie innych badań, np. geofizycznych, próbnych obciążeń itp. W skład urządzeń wiertniczych wchodzą m.in. świder ręczny (rys. 1), wieża wiertnicza, rury wiertnicze (osłonowe), narzędzia wiertnicze (świdry, końcówki) – rys. 2. Świder ręczny (rys.1) jest najczęściej wykorzystywany w badaniach terenowych. Umożliwia on zbadanie podłoża do głębokości 5-6 m poniżej powierzchni terenu. 37 Rys. 1. Świder ręczny (sonda penetracyjna) Objaśnienia: 1- klucz pokrętny, 2 – żerdzie, 3 - świder rurowy Rys. 2. Narzędzia wiertnicze – świdry Objaśnienia: 1- świder jednonożowy, 2 – świder rurowy dwunożowy, 3 – świder spiralno-rurowy, 4- świder spiralny, 5 – świder zwojowy prosty, 6 – świder zwojowy stożkowy, 7 – łyżka wiertnicza z zaworem klapowym, 8 – łyżka wiertnicza z zaworem kulowym, 9 – świder krzyżakowy, 10 – świder bakowy, 11 – świder prosty, płaski, 12 – świder mimośrodowy, 13 – świder piramidalny 40 Rys.1. Budowa sondy lekkiej (SL) Głębokość sondowania nie powinna przekraczać 7 m p.p.t. Interpretacja wyników sondowania sondą typu SL polega na liczeniu udarów (uderzeń młota podnoszonego każdorazowo na wysokość 0,5 m ponad podbabnik i jego swobodnym grawitacyjnym spadzie) na każde 10 cm zagłębienia (wpędu) sondy. Z wyników tych sporządza się wykres. Interpretację zależności stopnia zagęszczania ID od ilości udarów na 10 cm wpędu sondy N10 przedstawiono na rys. 2. Znając ilość udarów na 10 cm wpędu sondy lekkiej SL można korzystać z tego wykresu i określić wartość stopnia zagęszczania ID. Przykładowo dla ilości udarów N10 = 15 odczytujemy z nomogramu stopień zagęszczenia ID = 0,56. Podstawowe zasady interpretacji są następujące: − nie interpretuje się pierwszego metra sondowania od powierzchni terenu (wykopu), chyba, że zgodnie z normą PN-74/B-04452 zastosowano odpowiednie koliste obciążniki (0.1 kg/cm3 w promieniu 300 mm od sondy), 41 − nie interpretuje się wykresów sondowania położonych 1 - metr nad oraz 1 - metr poniżej stwierdzonego poziomu wody gruntowej, − nie uwzględnia się wyników o zdecydowanie odbiegającej liczbie uderzeń (zdecydowanie większej) od wielkości średnich ilości udarów: może to wynikać z występowanie otoczaków lub żwirów, ruin betonowych, niewybuchów!..), − najmniejszy odcinek podlegający interpretacji krzywej sondowania powinien być nie mniejszy niż 0,5 metra, − kolejne wartości średnich (arytmetycznych) uderzeń młota w odcinkach wydzielonych do interpretacji na krzywej sondowania powinny się różnić nie mniej niż 25 %, − w przypadku zlokalizowania sondowania przy otworze wiertniczym, odległość ta powinna wynosić od 1.5 do 2.0 m dla otworów bez wody gruntowej oraz nie mniej niż 25 średnic otworu w przypadku występowania gruntów nawodnionych, − w trakcie sondowania co 1-metr należy skontrolować, czy kowadło z prowadnicą i żerdziami nie uległo częściowemu rozkręceniu, − częstotliwość udarów nie może być większa niż 1 udar na 2 sekundy. Rys. 2. Wykres zależności stopnia zagęszczenia (ID) od ilości udarów na 10 cm wpędu sondy lekkiej SL 42 KARTA SONDOWAŃ Miejscowość Data SONDA SONDA Głębokość [m] 1 2 3 4 5 6 Głębokość [m] 1 2 3 4 5 6 0,0 - 0,1 3,0 - 3,1 0,1 - 0,2 3,1 - 3,2 0,2 - 0,3 3,2 - 3,3 0,3 - 0,4 3,3 - 3,4 0,4 - 0,5 3,4 - 3,5 0,5 - 0,6 3,5 - 3,6 0,6 - 0,7 3,6 - 3,7 0,7 - 0,8 3,7 - 3,8 0,8 - 0,9 3,8 - 3,9 0,9 - 1,0 3,9 - 4,0 1,0 -1,1 4,0 - 4,1 1,1 - 1,2 4,1 - 4,2 1,2 - 1,3 4,2 - 4,3 1,3 - 1,4 4,3 - 4,4 1,4 - 1,5 4,4 - 4,5 1,5 - 1,6 4,5 - 4,6 1,6 - 1,7 4,6 - 4,7 1,7 - 1,8 4,7 - 4,8 1,8 - 1,9 4,8 - 4,9 1,9 - 2,0 4,9 - 5,0 2,0 - 2,1 5,0 - 5,1 2,1 - 2,2 5,1 - 5,2 2,2 - 2,3 5,2 - 5,3 2,3- 2,4 5,3 - 5,4 2,4- 2,5 5,4 - 5,5 2,5 - 2,6 5,5 - 5,6 2,6 - 2,7 5,6 - 5,7 2,7 - 2,8 5,7 - 5,8 2,8 - 2,9 5,8 - 5,9 2,9 - 3,0 5,9 - 6,0 45 Vp = h d ⋅⋅ 4 2π gdzie: d – wewnętrzna średnica pierścienia h – wysokość pierścienia 3. Wykopać wykop w gruncie. 4. Wyrównać jedna ze ścian wykopu, np. dno. 5. Wyrównać nożem powierzchnię gruntu. 6. Ustawić pierścień z nakładką na wyrównanej powierzchni i zagłębić go w grunt tak, aby nie powstawały szczeliny między ścianką pierścienia a wycinaną próbką. 7. Wypełniony pierścień wyjąć z gruntu, oczyścić jego zewnętrzne ściany, a grunt wyrównać równo z krawędziami pierścienia. 8. Zważyć pierścień z gruntem mmt. 9. Zbadać wilgotność naturalną gruntu. 2.3. Obliczanie wyników Gęstość objętościową gruntu oblicza się według wzoru: ρ = p tmt V mm − = V mm gdzie: ρ - gęstość objętościowa gruntu, g/cm3 mmt – masa pierścienia z gruntem, g mt – masa pierścienia, g mm – masa próbki gruntu w stanie naturalnym, g Vp – objętość pierścienia, cm3 V – objętość próbki, cm3 Za wynik ostateczny przyjmuje się średnią arytmetyczną wartości uzyskanych z badania dwóch równoległych próbek. 3. Obliczanie gęstości objętościowej szkieletu gruntowego Gęstością objętościową szkieletu gruntowego (gruntu suchego) nazywa się masę jednostki gruntu wysuszonego w temp. 105-110oC i opisuje wzorem: ρd = V ms gdzie: ms – masa szkieletu gruntowego, g 46 V – objętość suchego gruntu łącznie z porami, cm3 Gęstość objętościową szkieletu gruntowego oblicza się z wzoru: ρd = w+ ⋅ 100 100 ρ gdzie: ρ - gęstość objętościowa gruntu, g/cm3 w – wilgotność próbki, % Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego zależy od porowatości i składu mineralnego gruntu. Im mniejsza porowatość i większa zawartość minerałów o wysokiej gęstości właściwej, tym wyższa wartość gęstości objętościowej szkieletu gruntowego danego gruntu. Sprawozdanie powinno zawierać: − cel ćwiczenia, − wartości mierzonych parametrów, − obliczenia, − wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia. 47 ĆWICZENIE NR 14 Oznaczanie wskaźnika piaskowego 1. Wstęp Wartość techniczną gruntów dla celów fundamentowania i budowy dróg określa się na podstawie uziarnienia i stanu gruntów oraz wskaźnika piaskowego. Na podstawie wielkości wskaźnika piaskowego określa się przydatność gruntów i materiałów do podbudowy, do stabilizacji, do otaczania bitumem i do wyrobu betonu cementowego. Wskaźnikiem piaskowym WP nazywa się procentowy stosunek objętości piasku do objętości całego badanego materiału po nasyceniu go odpowiednim roztworem. Wskaźnik piaskowy określa zawartość frakcji piaskowej w badanym materiale, a pośrednio określa również zawartość frakcji drobniejszych i wielkość wskaźnika plastyczności badanego materiału. Przyjmuje się następującą ocenę gruntu jako podłoża nawierzchni drogowych: jeżeli WP przyjmuje wartość: - 0÷14 – grunt jest zły, - 15÷24 – grunt wątpliwy, lecz raczej zły; poniżej 20 nieodpowiedni do stabilizacji cementem, - 25÷34 – grunt wątpliwy, lecz raczej dostatecznie dobry; powyżej 30 – nadaje się do stabilizacji cementem, - 35÷54 – prawie zawsze dobry, - 55÷99 – grunt bardzo dobry. Dla grysów przeznaczonych do bitumowania można przyjąć: WP<35 – materiał nie nadaje się do budowy; WP - 36÷59 – materiał dobry, WP - 60÷69 – materiał dobry do betonów bitumicznych; WP>70 - materiał dobry do płyt betonowych. Przy pośrednich wartościach należy przeprowadzić badania normalnie stosowane. 2. Oznaczanie wskaźnika piaskowego 2.1. Prace wstępne Przygotować: − 2 próbki gruntu; − roztwór do przemywania; − cylindry pomiarowe – 2 szt.; − zatyczki gumowe; − tłok; Do każdego cylindra z podziałką wlać roztwór do przemywania do wysokości dolnego znaku na cylindrze – (rys. 1.) 50 30 20 10 0 -10 ĆWICZENIE NR 14 Analiza areometryczna 1. WSTĘP Analiza areometryczna jest zalecaną metodą sedymentacyjną, polegającą na określeniu frakcji gruntu przeprowadzonego w zawiesinę wodną. Wykorzystywana jest tu zasada prędkości swobodnego opadania cząstek kulistych w zawiesinie wodnej, sformułowana przez Stokesa w następujący sposób: ( ) η ρρν 180 2 Tws dg ⋅− = (1) gdzie: ν - prędkość opadania cząstek kulistych w zawiesinie wodnej (mm · s-1), dT - średnica zastępcza cząstki (mm), sρ - gęstość właściwa cząstek (g · cm-3), wρ - gęstość właściwa wody (g · cm-3), g - przyspieszenie ziemskie (mm · s-2), η - współczynnik lepkości dynamicznej wody (MN · s · mm-2). Cząstki o tych samych wymiarach opadają na całej wysokości cylindra z jednostajną prędkością. W dolnym poziomie zawiesiny na miejsce opadłych już niżej cząstek wchodzą od góry nowe, o tych samych wymiarach. W początkowym okresie sedymentacji gęstość objętościowa zawiesiny na tym poziomie nie zmienia się. Zmienia się natomiast w poziomie górnym, gdyż na miejsce większych, opadłych w dół cząstek nie mogą wejść od góry identyczne następne cząstki, bo zdążyły już opaść poniżej rozpatrywanego poziomu (rys. 1). Rys. 1. Schemat zmian uziarnienia zawiesiny w czasie jej sedymentacji [Wiłun 1987] a) – zawiesina jednorodna, b) – zmiana uziarnienia zawiesiny (do głębokości HR) Z uwagi na to, że prawo Stokesa dotyczy cząstek kulistych, a frakcje najdrobniejsze w gruncie mają najczęściej kształty nieregularne, operuje się pojęciem średnicy zastępczej. Jest to średnica cząstki kulistej o jednakowej gęstości właściwej i opadającej a) b) HR 51 w wodzie z taką samą prędkością, co rzeczywista cząstka gruntu. W analizie areometrycznej oblicza się ją ze wzoru: ( ) T H g d R ws T ⋅ − = ρρ η180 (2) gdzie: RH - głębokość zanurzenia środka wyporu nurnika (mm), T - czas opadania cząstki (s), sρ , wρ , g, η - jak we wzorze (1). Metodę sedymentacyjną stosuje się dla cząstek o średnicy mniejszej niż 0,06 mm. Związane jest to z tym, że cząsteczki o średnicach większych od 0,06 mm spadają ze zbyt dużą prędkością i wykonują przy tym ruch wirowy. Analizę areometryczną wykonuje się dla próbki o wilgotności naturalnej i masie 30- 150 g, zależnie od gruntu. Z gruntu tego musimy przygotować jednorodną zawiesinę [Glazer, Malinowski 1991]. Oznaczanie składu granulometrycznego gruntu można wykonać za pomocą wielu metod, jedną z nich jest uproszczona metoda Prószyńskiego, polegająca na pomiarach gęstości zawiesiny gruntowej podczas postępującej sedymentacji cząstek gruntu w stałej temperaturze. Pomiarów gęstości dokonuje się areometrem Prószyńskiego. Areometr jest tak wyskalowany, że różnica dwóch kolejnych odczytów daje procentową zawartość frakcji, która osiała w czasie dzielącym te odczyty. Odczytu gęstości zawiesiny dokonuje się w określonych odstępach czasu. Zależą one, nie tylko od średnicy opadających cząstek i temperatury zawiesiny, ale także od składu granulometrycznego badanego gruntu. Wpływ składu granulometrycznego na terminy odczytów związany jest z różną głębokością zanurzenia areometru w zawiesinie. Aby więc prawidłowo określić terminy odczytów, wykonując analizę musimy oznaczyć przynajmniej w przybliżeniu grupę granulometryczną badanego gruntu. Areometr składa się z nurnika wypełnionego śrutem i szklanej rurki z podziałką. Podziałka areometru ma w zasadzie zakres od 0 do 30 (a więc jest podzielona na 30 działek). Często jednak skala obejmuje również wartości ujemne (do - 10) oraz wartości ponad 30. Przed przystąpieniem do analizy areometrycznej pobraną próbkę gruntu należy wysuszyć w suszarce o stałej temperaturze 105 – 110ºC. Tak wysuszoną próbkę należy przesiać przez sito o średnicy oczek 2 mm. Następnie odważyć 40 g suchego gruntu potrzebnego do wykonania oznaczenia i umieścić go w zlewce o pojemności 1000 cm3. Następnie dodać 20 cm3 roztworu calgonu oraz 400 cm3 wody destylowanej. Zawartość zlewki mieszać mieszadłem elektrycznym przez 5 do 15 minut. Tak przygotowaną próbkę należy przenieść do cylindra o pojemności 1000 cm3 i uzupełnić wodą destylowaną do zaznaczonego poziomu (Rys. 1). Przed rozpoczęciem pomiarów należy przygotować roztwór porównawczy, tzw. próbę zerową. W tym celu do cylindra o pojemności 1000 cm3 należy dodać 20 cm3 roztworu calgonu i uzupełnić wodą destylowaną do poziomu porównawczego. Aby wykonać pomiar należy wprowadzić areometr do cylindra z roztworem porównawczym i oznaczyć gęstość tego roztworu - odczytać. Roztwór w drugim cylindrze mieszać mieszadłem ręcznym przez około 30 sekund, po tym czasie wprowadzić do cylindra areometr tak, aby balansowanie areometru było słabe i krótkotrwałe, przy pomocy stopera wykonać 3 pomiary w czasie podanym w tabeli poniżej. 2. Opracowanie wyników Zawartość frakcji pyłu drobnego (0,1-0,05mm) obliczamy odejmując od wyniku pierwszego pomiaru areometrem (najkrótszego czasowo), wynik drugi. Zawartość frakcji pyłowej (0,05-0,02mm) obliczamy odejmując od wyniku drugiego pomiaru areometrem, wynik trzeci. Zawartość frakcji iłowej (0,02-0,005mm) obliczamy odejmując od wyniku trzeciego pomiaru areometrem, wynik czwarty. 52 Zawartość frakcji iłu pyłowego (0,005-0,002mm) obliczamy odejmując od wyniku czwartego pomiaru areometrem, wynik piąty – ostatni (około 20 godzin od wymieszania próbki). Zawartość frakcji iłu koloidalnego (poniżej 0,002mm) obliczamy odejmując od wyniku piątego pomiaru areometrem, poprawkę areometru (wynik odczytany w próbie zerowej). Zawartość frakcji piaskowej oblicza się odejmując od 100% (całkowita próbka wzięta do analizy), sumę zawartości poszczególnych frakcji zmierzonych i obliczonych wg powyższego schematu. Tab. 1. Tabela pomiarów areometrycznych Numer odczytu Czas odczytu Odczyt Zawartość cząstek 0 - - I II III IV V Tab. 2. Czas opadania ziaren grupy granulometrycznej piasku przy zawartości cząstek o średnicy: < 0,02 mm – 0 ÷ 4 %, oraz < 0,002 mm – 0 ÷ 2%. Czas opadania ziaren do poziomu bańki areometru w min i s przy średnicy zastępczej ziaren zawieszonych mniejszej od: 0,1mm 0,05mm 0,02mm 0,005mm 0,002mm Temperatura zawiesiny w ºC s min s min s godz. s godz. s 26 25 24 23 22 21 20 19 18 24,5 25,0 25,5 26,0 26,5 27,0 28,0 28,5 29,5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 41 43 45 47 49 52 54 57 59 10 10 11 11 11 11 12 12 12 33 46 00 14 29 44 00 16 33 1 2 2 2 2 2 2 2 2 57 00 02 05 07 10 13 16 19 17 18 18 18 19 19 20 20 21 40 02 25 48 13 39 05 32 01 Tab. 3. Czas opadania ziaren grupy granulometrycznej iłu przy zawartości cząstek o średnicy:< 0,02 mm – 60 ÷ 80 % oraz < 0,002 mm – powyżej 30%. Czas opadania ziaren do poziomu bańki areometru w min i s przy średnicy zastępczej ziaren zawieszonych mniejszej od: 0,1mm 0,05mm 0,02mm 0,005mm 0,002mm Temperatura zawiesiny w ºC s min s min s godz. s godz. s 26 25 24 23 22 21 20 19 18 19,5 20,0 20,5 21,0 21,5 21,5 22,0 22,5 23,0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 21 22 24 26 28 30 32 34 36 8 8 9 9 9 9 9 10 10 45 56 07 19 31 43 56 10 24 1 1 1 1 1 1 1 2 2 44 46 49 51 53 56 58 01 03 16 16 16 17 17 17 18 18 19 00 20 41 02 24 47 10 35 01