Hydrogeologia
Plan wykładu Własności hydrogeologiczne gruntów Metody wyznaczania współczynnika filtracji
Wilgotność gruntu Jest to stosunek masy wody zawartej w próbce (mw) do masy szkieletu gruntowego (md (ms)*) (wagowa): m w m md w = 100 = 100 m m % d d Niekiedy określa się wilgotność objętościową Θ, rozumianą jako stosunek objętości wody zawartej w próbce Vw do objętości gruntu V: V w 100 Θ = V % Między wilgotnością wyrażoną w stosunku wagowym a wilgotnością objętościową istnieje zależność: w = Θ ρ d gdzie: ρd gęstość objętościowa szkieletu gruntowego (ρd = md / V) Wilgotność naturalna (wn) jest to wilgotność jaką ma grunt w stanie naturalnym w złożu.
Stopień wilgotności Stopień wilgotności (S sat (S r )*) określa stopień wypełnienia porów gruntu wodą. S sat = w w sat = w ρ d 100 e ρ w gdzie: w sat (w r )* wilgotność w stanie całkowitego nasycenia porów gruntu wodą ρd gęstość właściwa szkieletu gruntowego ρw gęstość właściwa wody e wskaźnik porowatości
Stany zawilgocenia gruntu Stan zawilgocenia gruntu Suchy lub mało wilgotny Wilgotny Mokry Stopień wilgotności 0 < S sat 0,4 0,4 < S sat 0,8 0,8 < S sat 1,0
Wpływ wody na ciężar objętościowy gruntu W zależności od stopnia wypełnienia porów gruntu wodą, różne są wartości ciężaru objętościowego gruntu. Ciężar objętościowy gruntu przy całkowitym nasyceniu porów wodą (pory w gruncie całkowicie wypełnione wodą a grunt znajduje się powyżej zwierciadła wody gruntowej), to ciężar objętościowy gruntu przy całkowitym nasyceniu porów wodą (γsat (γsr)* wynosi: γ sat = (1- n) γ s + n γ w
Ciężar objętościowy gruntu z uwzględnieniem wyporu wody (pory w gruncie całkowicie wypełnione wodą, grunt znajduje się poniżej zwierciadła wody gruntowej - zgodnie z prawem Archimedesa: na każde ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu skierowana pionowo ku górze i równa ciężarowi cieczy wypartej przez to ciało). Ciężar objętościowy gruntu z uwzględnieniem wyporu wody (γ ) wynosi: γ = (1- n) γ S (1-n) γ w = (1-n) (γ S -γ w ) γ sat - γ = γ w dla gruntów spoistych, w których prawie wszystkie pory wypełnione są wodą: gdzie: γw ~10 kn m-3 γ = γ sat - γ w
Współczynnik filtracji charakteryzuje zdolność przesączania wody będącej w ruchu laminarnym przez skały porowate. Grunt stawia opór przesączającej się wodzie, zależy od: właściwości gruntu (porowatości, uziarnienia, składu mineralogicznego szkieletu gruntowego) właściwości filtrującej cieczy (lepkości).
Współczynnik filtracji Przesączenie odbywa się zgodnie z prawem Darcy ego: gdzie: v = k i v prędkość filtracji cieczy (wody) (m s-1) k współczynnik filtracji (m s-1) i spadek hydrauliczny. ma miano prędkości, najczęściej wyrażony jest w m s -1, m d -1.
Charakter przepuszczalności gruntów wg Pazdro Lp. 1. 2. 3. 4. 5. Charakter przepuszczalności Dobrze przepuszczalne (rumosz, żwir, piasek gruby równoziarnisty) Średnio przepuszczalne (piasek gruby, różnoziarnisty, piasek średni, piasek drobny równoziarnisty, piasek gruby zailony) Słabo przepuszczalne (piasek drobny, różnoziarnisty, piasek pylasty, pyły, piasek gliniasty) Półprzepuszczalne (gliny piaszczyste, namuły) Nieprzepuszczalne (gliny ciężkie, iły, iłołupki) Orientacyjne wartości współczynnika filtracji k (m s -1 ) 10-4 10-5 10-4 10-6 10-5 10-7 10-6 < 10-7 (m d -1 ) >10 1 10 10-1 1 10-2 10-1 < 10-2
Wartości współczynników filtracji dla różnych typów gruntów wg Domenico, Schwartz a Lp. 1 1. Grunty nieskaliste: żwir piasek gruby piasek średni piasek drobny pył, less glina zwałowa glina Rodzaj gruntów 2 Orientacyjne wartości liczbowe współczynnika filtracji k (m s -1 ) 3 3 10-4 3 10-2 9 10-7 6 10-3 9 10-7 5 10-4 2 10-7 2 10-4 1 10-9 2 10-5 1 10-12 2 10-6 1 10-11 4,7 10-9
c.d. 2. Skały osadowe: wapienie krasowe, rafowe wapienie, dolomity piaskowce pyłowce anhydryt 1 10-6 2 10-2 1 10-9 6 10-6 3 10-10 6 10-6 1 10-11 1,4 10-8 4 10-13 2 10-8 3. Skały krystaliczne: bazalty przepuszczalne spękane skały metamorficzne i magmowe zwietrzałe granity zwietrzałe gabro bazalt niespękane skały metamorficzne i magmowe 4 10-7 2 10-2 8 10-9 3 10-4 3,3 10-6 5,2 10-5 5,5 10-7 3,8 10-6 2 10-11 4,2 10-7 3 10-14 2 10-10
Metody oznaczania współczynnika filtracji 1. na podstawie wzorów empirycznych, 2. doświadczalnie, metodami: laboratoryjnymi, polowymi.
Wyznaczenie współczynnika filtracji na podstawie wzorów empirycznych Wzór Krügera: k 10 = 13,50 Θ n 2 m s 1 gdzie: n porowatość, Θ- powierzchnia właściwa (cm -1 ) z uwzględnieniem porowatości n, Θ = (1 n) Θ Θ - powierzchnia właściwa obliczona ze wzoru Kezdi ego: g Θ = 6 = 1 Δg g = 0 d gdzie: Δg masy ziaren kolejnej frakcji, d średnia średnica danej frakcji [mm], d = d i + 1 + 2 d i
Wzór Hazena: k 10 = 0,0116 (d 10 ) 2 (m s -1 ) d 10 średnica ziarna w mm, odczytana z wykresu uziarnienia, która wraz z mniejszymi ziarnami stanowi 10% masy próbki, d 10 - w przedziale od 0,1 do 3,0 mm grunt równoziarnisty (Cu = 5).
Wzór Seelheima: k 10 = 0,00357 (d 50 ) 2 (m s -1 ) d 50 średnica ziarna w mm, odczytana z wykresu uziarnienia, która wraz z mniejszymi ziarnami stanowi 50% masy próbki. Wzór USBR: k 10 = 0,0036 (d 20 ) 2,3 (m s -1 ) d 20 średnica ziarna w mm, odczytana z wykresu uziarnienia, która wraz z mniejszymi ziarnami stanowi 20% masy próbki. Wzór ten może być stosowany wtedy, gdy średnica d 20 znajduje się w przedziale od 0,01 do 5 mm.
Metody laboratoryjne Dwa typy aparatów: ze stałym ze zmiennym spadkiem hydraulicznym.
Zależność współczynnika filtracji (k) od gęstości objętościowej szkieletu (ρd)( k [m s ] 10-1 1 10-4 5 10-5 ρ =1,525 min d k=3,6 10-5 -5 1 10 1,50 ρ =1,625 nat d 1,55 1,60 1,65 1,70 1,75 1,80 ρ =1,770 max d ρ [g cm ] d -3
Aparat ze stałym spadkiem ITB-ZW 5 H 9 7 10kg B 6 12 4 k = Q F i 13 11 11 A 8 10 3 l 1 2 k 10 = 0,7 + k T 0,03 T
Aparat ze zmiennym spadkiem hydraulicznym f v = k (m s -1 ) l F H 1 H (t) H o k = f t l F ln H o 1 H 1 C C
Metody polowe próbne pompowanie studni z otworami obserwacyjnymi, próbne pompowanie bez otworów obserwacyjnych, krótkotrwałe pompowanie studni, zalewanie szurfów i szybików, zalewanie studni wierconych i otworu wiertniczego, sczerpywanie.
Plan wykładu I - Geologia nauką o budowie i historii Ziemi Działy, dyscypliny podstawowe i pomocnicze geologii
Właściwości fizyczne gruntów Plan wykładu: budowlanych Definicja gruntu budowlanego, klasyfikacja gruntów, fazy i struktury gruntów. Podstawowe cechy fizyczne gruntów: Wilgotność gruntu Gęstość objętościowa i ciężar objętościowy gruntu Gęstość właściwa i ciężar właściwy szkieletu gruntowego.
Cechy określające porowatość gruntu Gęstość objętościowa i ciężar objętościowy szkieletu gruntowego Porowatość Wskaźnik porowatości Stopień zagęszczenia i stany zagęszczenia gruntów niespoistych Stopień plastyczności, granice konsystencji i stany gruntów spoistych Stany zawilgocenia gruntów Wilgotność całkowita Stopień wilgotności
Definicja gruntu budowlanego według normy PN-B-02481 Grunt budowlany to: część skorupy ziemskiej mogąca współdziałać z obiektem budowlanym, stanowiąca jego element, lub służąca jako tworzywo do wykonywania z niego budowli ziemnych. Klasyfikacja gruntów oparta jest m.in. na kryteriach: genetycznych, fizycznych, geotechnicznych, dobieranych w ten sposób, by na ich podstawie można było wyróżnić grupy gruntów o zbliżonych cechach.
Ze względu na genezę: - antropogeniczne - naturalne grunty rodzime - powstały w wyniku procesów geologicznych i znajdują się w miejscu powstania, grunt nasypowe - grunty naturalne lub antropogeniczne przerobiony w wyniku działalności człowieka, np. na wysypiskach, zwałowiskach, w budowlach ziemnych; dzieli się je na: nasypy budowlane (NB) grunt powstały wskutek kontrolowanego procesu technicznego, np. w budowlach ziemnych, nasypy niebudowlane (NN) grunt powstały w sposób nie kontrolowany, np. na zwałowiskach lub wysypiskach.
Ze względu na zawartość substancji organicznej grunty rodzime dzieli się na grunty: mineralne, grunty rodzime, w których zawartość substancji organicznej jest mniejsza lub równa 2%; organiczne, w których zawartość substancji organicznej jest większa od 2 %.
Ze względu na wytrzymałość (odkształcenie podłoża) grunty mineralne dzieli się na grunty: skaliste mineralne, nieskaliste mineralne. Grunty skaliste to grunty rodzime lite lub spękane mają wytrzymałość na ściskanie Rc > 0,2 MPa. Gruntem nieskalistym mineralnym nazywa się grunt, którego nie można zaliczyć do gruntów skalistych (jest rozdrobniony), w którym zawartość części organicznych jest równa lub mniejsza od 2%.
Grunty skaliste dzieli się ze względu na ich wytrzymałość na ściskanie na: grunt skalisty twardy (ST), o wytrzymałości na ściskanie Rc > 5 MPa, grunt skalisty miękki (SM), o wytrzymałości na ściskanie Rc 5 MPa. Uwzględniając stopień spękania grunty skaliste dzieli się na skały: lite, mało spękane, średnio spękane, bardzo spękane.
Podział gruntów budowlanych Grunty budowlane Grunty antropogeniczne Grunty naturalne
Grunty naturalne Grunty naturalne Rodzime Nasypowe
Grunty nasypowe Nasypowe Mineralne Organiczne Nasyp budowlany Nasyp niebudowlany
Grunty Rodzime Mineralne Organiczne Skaliste Nieskaliste Skaliste Nieskaliste H Nm Gy T
Grunty skaliste Grunty skaliste Twarde Miękkie Lite Mało spękane Średnio spękane Bardzo spękane
Grunty nieskaliste Grunty nieskaliste Kamieniste Gruboziarniste Drobnoziarniste
Grunty nieskaliste mineralne dzieli się na: kamieniste, których średnica d50 jest większa od 40 mm, gruboziarniste, których średnica d50 jest równa lub mniejsza od 40 mm, a średnica d90 jest większa od 2 mm, drobnoziarniste, których średnica d90 jest równa lub mniejsza od 2 mm.
Podział gruntów nieskalistych mineralnych oparty jest na ich uziarnieniu oraz wartości wskaźnika plastyczności. W uziarnieniu gruntów wyróżnia się pięć frakcji. Pod pojęciem frakcji uziarnienia rozumie się zbiór wszystkich ziaren (lub cząstek) gruntu nieskalistego o średnicach zastępczych (d) znajdujących się w określonym zakresie wielkości. W gruntach różno- i bardzo różnoziarnistych, zawierających w swoim składzie frakcje kamieniste i żwirowe, przy określeniu rodzaju gruntu należy wyznaczyć frakcje zredukowane: piaskową, pyłową i iłową.
Frakcje gruntów nieskalistych Nazwa frakcji Symbol frakcji Frakcje podstawowe: Zakres średnic zastępczych d (mm) Kamienista Żwirowa Piaskowa Pyłowa Iłowa f k f ż f p f π f i d > 40 40 d > 2 2 d > 0,05 0,05 d > 0,002 0,002 d
Frakcja iłowa zredukowana f i = 100 f i.100 ( ) f + f k ż
I
Wskaźnik jednorodności uziarnienia Cu (różnoziarnistości gruntu U)*, jest to stosunek średnicy d60 tzn. takiej średnicy ziaren, które wraz z mniejszymi ziarnami i cząstkami stanowią 60% masy próbki; do średnicy d10, tj. średnicy ziaren i cząstek, których w gruncie wraz z mniejszymi stanowią 10% masy próbki. Jeżeli wartość: Cu 5 - grunt jest równoziarnisty, 5 < Cu 15 - grunt jest różnoziarnisty, Cu >15 - grunt jest bardzo różnoziarnisty.
Grunty Kamieniste Kamieniste Zwietrzelina Zwietrzelin gliniasta Rumosz Rumosz gliniasty Otoczaki
Klasyfikacja gruntów nieskalistych mineralnych Grunt Nazwa gruntu Symbo l Uziarnienie Dodatkowe kryteria zwietrzelina zwietrzelina gliniasta KW KWg f i 2% f i > 2% występuje w miejscu wietrzenia skały w stanie nienaruszonym Kamie nisty d 50 > 40 mm rumosz gliniasty rumosz KR KRg f i 2% f i > 2% występuje poza miejscem wietrzenia skały pierwotnej, lecz nie podlegał procesom transportu i osadzania w wodzie otoczaki KO grunt osadzony w wodzie
Grunty gruboziarniste Grubo ziarniste Żwir Żwir gliniasty Pospółka Pospółka gliniasta
żwir Ż f i 2% f k + f ż > 50% żwir gliniasty Żg f i > 2% Gruboziar nisty d 50 40 mm d 90 > 2 mm pospółka Po f i 2% 50% f k + f ż > 10% pospółka gliniasta Pog f i > 2%
Grunty drobnoziarniste Drobnoziarniste Niespoiste Spoiste
Zawartość frakcji % > 2 mm > 0,5 mm > 0,25 mm piasek gruby Pr < 10 > 50 d 50 > 0,5 mm Drobnoziar nisty d 90 2 mm Nie spo isty I p 1% piasek średni piasek drobny Ps Pd < 10 < 10 < 50 < 50 > 50 < 50 0,5 mm d 50 > 0,25 d 50 0,25 mm piasek pylasty Pπ < 10 < 10 < 10 f p = 68 90%; f π
f p f π f i piasek gliniasty pył piaszczysty Pg πp 60 98 30 70 0 30 30 70 2 10 0 10 mało spoiste I p = 1 10% pył π 0 30 60 100 0 10 Drobno ziarnisty d 90 2 mm Spo isty I p > 1% glina piaszczysta glina glina pylasta glina piaszczysta zwięzła glina zwięzła glina pylasta zwięzła Gp G Gπ Gpz Gz Gπz 50 90 30 60 0 30 50 80 20 50 0 30 0 30 30 60 30 90 0 30 20 50 50 80 10 20 10 20 10 20 20 30 20 30 20 30 średnio spoiste I p = 10 20% zwięzło spoiste I p = 20 30% ił piaszczysty ił ił pylasty Ip I Iπ 50 70 0 50 0 20 0 20 0 50 50 70 30 50 30 100 30 50 bardzo spoiste I p > 30%
Fazy i struktury gruntów
Fazy i struktury gruntów nieskalistych Grunt składa się z oddzielnych ziaren (o średnicy > 0,05 mm) i cząstek (o średnicy 0,05 mm), tworzących układ porowaty. Ziarna i cząstki tworzą w gruncie fazę stałą, woda - fazę ciekłą, powietrze - fazę gazową. V =n p V V p V d V a V w V d Gaz (m = 0) a Woda (m ) w Szkielet gruntowy (m ) d Pory Szkielet gruntowy V =1-n d V=1
Całkowita objętość gruntu - V obejmuje: - objętość szkieletu Vd (Vs)* - objętość porów Vp. Pory gruntu mogą być wypełnione wodą - Vw (w strefie nasyconej) lub wodą i powietrzem - Vw + Va (w strefie nienasyconej). V = Vd + Vp = Vd + Vw + Va Na całkowitą masę próbki (m) składa się: - masa szkieletu gruntowego md (ms)*, - masa wody zawartej w porach gruntu mw. m = md + mw
Struktura gruntu, to układ ziaren i cząstek gruntowych tworzących szkielet gruntowy. Wyróżnia się następujące typy struktur: a) ziarnistą, b) komórkową, c) kłaczkową. a) b) c) Typowe struktury gruntów
Cechy fizyczne gruntów
Wilgotność gruntu Jest to stosunek masy wody zawartej w próbce (m w ) do masy szkieletu gruntowego (m d (m s )*): m w m md w = 100 = 100 (%) md md Wilgotność naturalna (w n ) jest to wilgotność jaką ma grunt w stanie naturalnym w złożu. Niespoistych mało wilgotne w < 10% wilgotne w = 10 20% mokre w = 20 30% Wilgotności gruntów Spoistych stan półzwarty w = 10 20% stan twardoplastyczny w = 13 25% stan plastyczny w = 16 33% stan miękko plastyczny w= 19 50% Organicznych humus w = 20 40% namuł w = 30 100% torf w = 100 1500%
Gęstość objętościowa i ciężar objętościowy gruntu Gęstość objętościowa jest to stosunek masy próbki gruntu o naturalnej wilgotności (m) do jej całkowitej objętości (V): ρ = m V (g cm-3) Gęstość objętościowa gruntów niespoistych waha się najczęściej w granicach od 1,85 do 2,0 g cm -3 a dla gruntów spoistych od 2,0 do 2,20 g cm-3. Ciężar objętościowy gruntu obliczamy według wzoru: γ = ρ g (kn m -3 ) gdzie: g - przyspieszenie ziemskie w m s -2 (g = 9,81 (m s -2 )) ρ - gęstość objętościowa gruntu (g cm -3 )
Pomiar objętości próbki gruntu (V) a) b) wyskalowany cylinder z wodą grunt rodzimy piasek kalibrowany pierścień balon gumowy grunt rodzimy woda pierścień a przy zastosowaniu piasku kalibrowanego φ 0,5 2,0 mm, b przy zastosowaniu folii i wody Objętość pobranej próbki (dołka) uzależniona jest od uziarnienia gruntów: dla gruntów o średnicy d max 25 mm V = 3000 cm 3 dla gruntów o średnicy 25 mm < d max 80 mm V = 6000 cm 3
Gęstość właściwa szkieletu gruntowego i ciężar właściwy szkieletu gruntowego Gęstość właściwa szkieletu gruntowego (ρ s ) jest to stosunek masy szkieletu gruntowego (m d (m s )*) do objętości szkieletu (V d (V s )*): ρ s = m jej wartość waha się od 2,4 do 3,2 g cm -3. V d d (g cm-3) Ciężar właściwy szkieletu gruntowego (γ s ) obliczamy według wzoru: γ s = ρ s g (kn m -3 ) g - przyspieszenie ziemskie w m s -2, γ s - gęstość właściwa szkieletu gruntowego w g cm -3.
Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego i ciężar objętościowy szkieletu gruntowego Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego (ρ d ) jest to stosunek masy szkieletu gruntowego (m d, (m s )* ) do całkowitej objętości gruntu (V): m d ρ d = V (g cm-3) Ciężar objętościowy szkieletu gruntowego (γ d ) obliczamy według wzoru: γ d = ρ d g (kn m -3 ) g - przyspieszenie ziemskie w m s -2, γ d - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego w g cm -3.
Znając wilgotność gruntu (w) i gęstości objętościowej gruntu (ρ) gęstość objętościową szkieletu gruntowego ρd oblicza się ze wzoru : ρd = ρ 100 100 + w (g cm-3)
Porowatość Jest to stosunek objętości porów gruntu (V p ) do całkowitej objętości gruntu (V): n = Vp Wzór na porowatość (n) można wyprowadzić, zakładając V = 1, wtedy: V p = n V d = V - V p V d = 1 - n V s V = V + V p V p V s 1,0 V = n V -objętość porów p V -objętość szkieletu p p V = 1 - n s 1,0 V = 1,0 n = Porowatość równoziarnistych piasków i żwirów mieści się w granicach od 0,258 do 0,476. ρ s ρ s ρ d
Wskaźnik porowatości Jest to stosunek objętości porów (V p ) do objętości szkieletu gruntowego (V d (V s )*): e = Vp V d e = ρ s ρ d ρ d Istnieje ścisła zależność między wskaźnikiem porowatości (e), a porowatością (n), którą można wyprowadzić w następujący sposób: n e = = e 1 + n 1 n e
Przykładowe wartości porowatości i wskaźnika porowatości Rodzaj gruntu iły świeżo osiadłe, namuły, torfy iły plastyczne iły w stanie półzwartym lessy gliny pylaste piaski równoziarniste n (%) 90 70 50 30 30 15 60 40 40 25 50 25 e 9 2,3 1 0,43 0,43 0,18 1,5 0,67 0,67 0,33 1 0,33
Stopień zagęszczenia i stany zagęszczenia gruntów niespoistych Stopniem zagęszczenia gruntów niespoistych (I D ) nazywamy stosunek zagęszczenia istniejącego w naturze do największego możliwego zagęszczenia dla danego gruntu: I D = V V max max V V min gdzie: V - objętość gruntu w stanie naturalnym, w cm 3 V min - objętość gruntu maksymalnie zagęszczonego, w cm 3 V max - objętość gruntu przy najluźniejszym ułożeniu ziaren gruntu, w cm
a b c V p max V max V p V p min V d V V d V min V d I D = V V p max p max V V p p min gdzie: V p - objętość porów gruntu w stanie naturalnym, w cm 3 V p min - objętość porów gruntu maksymalnie zagęszczonego, w cm 3 V p max - objętość porów gruntu przy najluźniejszym ułożeniu ziaren, 3
Dzieląc licznik i mianownik przez Vd otrzymujemy: I D = emax e e e max min gdzie: e - wskaźnik porowatości gruntu w stanie naturalnym, e min - wskaźnik porowatości minimalnej, e max, - wskaźnik porowatości maksymalnej.
Oznaczenie stopnia zagęszczenia gruntów niespoistych W celu oznaczenia stopnia zagęszczenia gruntu (ID) należy określić: wskaźnik porowatości gruntu w stanie naturalnym (e), wskaźnik porowatości maksymalnej tego gruntu (emax) przez usypanie go możliwie jak najluźniej, wskaźnik porowatości minimalnej (emin), maksymalnie zagęszczając
Stany zagęszczenia gruntów niespoistych i wartości stopnia zagęszczenia (I D ) Stany zagęszczenia gruntów Stan luźny Stan średnio zagęszczony Stan zagęszczony Stan bardzo zagęszczony Stopień zagęszczenia I D I D 0,33 0,33 < I D 0,67 0,67 < I D 0,80 I D > 0,80
Wskaźnik zagęszczenia gruntu Miarą zagęszczenia gruntu w nasypie jest wskaźnik zagęszczenia I s. I s = ρ ρ d gdzie: d max ρ d - ciężar objętościowy szkieletu gruntowego gruntu w nasypie, w g cm -3, ρ dmax (ρ ds )* - maksymalny ciężar objętościowy szkieletu gruntowego przy wilgotności optymalnej (w opt ), wyznaczony w teście Proctora, w g cm -3. Maksymalną gęstość objętościową szkieletu gruntowego ρ dmax i wilgotność optymalną w opt i oznacza się metodą Proctora, która została przyjęta z niewielkimi zmianami w Polsce (norma PN-88/B-04481).
Aparat Proctora
opt ρ d -3 [g cm ] 2,14 2,13 ρ dm ax = 2,1 33 g cm -3 2,12 2,11 2,10 2,09 2,08 2,07 2,06 2,05 2,04 w=8,40% 2,03 2,02 2,01 2,00 1,99 1 2 3 4 5 6 7 8 9 W ilg ot n ość [ % ]
Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego nasypu powinna mieć wartość bliską maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego przy wilgotności optymalnej. W zależności od wielkości i znaczenia obiektu, dopuszcza się kilkuprocentowe odchylenia od tej wartości. dla zapór I i II klasy wskaźnik zagęszczenia gruntu IS powinien być większy od 0,95; dla klasy III i IV - IS 0,92.
Granice konsystencji, stopień plastyczności, stany gruntów spoistych, wskaźnik plastyczności Rozróżnia się trzy konsystencje gruntów spoistych (rys. 1.12): zwartą, plastyczną, płynną. w = 0 s w = w n n p w = w n L w = w w (%) Wilgotność Stopień plastyczności Stan gruntu Konsystencja I < 0,0 L 0,0 0,25 0,50 1,0 I > 1,0 L Półzwarty Twardoplastyczny Zwarty Plastyczny Miękkoplastyczny Płynny Zwarta Plastyczna Płynna
Grunt o konsystencji płynnej zachowuje się jak ciecz i nie ma prawie żadnej wytrzymałości na ścinanie. Grunt o konsystencji plastycznej odkształca się przy pewnym nacisku, nie ulega przy tym spękaniu i zachowuje nadany mu kształt. Grunt o konsystencji zwartej odkształca się dopiero przy dużych naciskach, przy czym odkształceniom towarzyszą spękania. Granica płynności - wilgotność gruntu na granicy między konsystencją płynną i plastyczną Granica plastyczności - wilgotność gruntu na granicy między konsystencją plastyczną i zwartą Granicę skurczalności osiąga grunt o konsystencji zwartej, gdy przy suszeniu przestaje zmniejszać swą objętość.
Granica płynności (wl), wyznaczana jest umownie, jest to wilgotność, wyrażana w procentach, jaką ma pasta gruntowa, umieszczona w miseczce aparatu Casagrande`a, gdy wykonana w niej bruzda zlewa się przy 25. uderzeniu miseczki o podstawę aparatu. Granica plastyczności (wp), jest to wilgotność jaką ma grunt, gdy przy kolejnym wałeczkowaniu bryłki gruntu wałeczek pęka po osiągnięciu średnicy 3 mm. Granica skurczalności (ws), wyznaczana umownie, jest to wilgotność, wyrażana w procentach, jaką ma grunt, o konsystencji zwartej, gdy przy suszeniu bryłka gruntu przestaje zmniejszać swą objętość.
Stopień plastyczności W celu określenia stanu gruntów spoistych należy wyznaczyć stopień plastyczności (I L ) I L = w w L p gdzie : w n - wilgotność naturalna gruntu, w p - granica plastyczności, w L - granica płynności, W zależności od wartości stopnia plastyczności wyróżnia się następujące stany gruntów: n w w p
Stany gruntów spoistych Stan gruntu Zwarty Półzwarty Twardoplastyczny Plastyczny Miękkoplastyczny Płynny I L, w n I L < 0, w n w s I L 0, w s < w n w p 0 < I L 0,25 0,25 < I L 0,5 0,5 < I L 1,0 I L > 1,0
Stopień plastyczności makroskopowo oznaczyć można na podstawie próby wałeczkowania: I L = 1,25 ac x f i gdzie: 1,25% - strata wilgotności gruntu przy jednokrotnym wałeczkowaniu, x - liczba wałeczkowań, f i - zawartość frakcji iłowej w gruncie, ac (A)* - aktywność koloidalna: dla większości gruntów występujących na terenie Polski można przyjmować ac = 1 (z wyjątkiem glin pokrywowych i lessów, dla których ac = 0,5 0,7 i iłów montmorillonitowych, dla których ac > 1,5).
Wskaźnik plastyczności wskazuje, ile wody (w procentach) w stosunku do masy szkieletu, wchłania dany grunt przy przejściu ze stanu półzwartego w stan płynny. gdzie: wl granica płynności wp granica plastyczności IP = wl - wp Przykładowe wartości wskaźnika plastyczności IP wynoszą: dla bentonitów silnie chłonących wodę ~ 200%, dla lessów, pyłów w granicach 5 10%. Grunty o niskim (IP), już przy niewielkim zawilgoceniu, mogą bardzo łatwo się upłynnić.
Wskaźnik plastyczności przyjęto za kryterium klasyfikacji gruntów drobnoziarnistych. Podział gruntów według spoistości Spoistość gruntu Niespoiste Spoiste: - mało spoiste - średnio spoiste - zwięzło spoiste - bardzo spoiste I P 1 1 10 10 20 20 30 >30 f i 2 2 10 10 20 20 30 30 100
Wyznaczenie granicy płynności Granicę płynności (w L ) oznacza się w aparacie Casagrande a. Aparat składa się z miseczki, podnoszonej i opuszczanej do wysokości 10 mm ponad podstawę aparatu. Aparat Casagrande a do oznaczania granicy płynności
Należy wykonać co najmniej pięć oznaczeń, w których bruzda zleje się w dwu próbach przy 40 25 uderzeniach; a w pozostałych próbach pomiędzy 25 i 10 uderzeń. Na podstawie wyników prób wykonuje się wykres zależności liczby uderzeń od wilgotności pasty gruntowej. Wilgotność w (%) 50 40 30 20 w = 28% L 10 10 15 20 25 30 35 40 Liczba uderzeń N Wykres zależności wilgotności gruntu od ilości uderzeń o podstawę aparatu Casagrande`a
Wyznaczenie granicy plastyczności Za granicę plastyczności (wp) przyjmuje się wilgotność wałeczka gruntu, pękającego po osiągnięciu średnicy 3 mm (utworzonego z kulki o średnicy ~7 mm).
Wygląd wałeczka podczas próby wałeczkowania
Stopień wilgotności Stopień wilgotności (S sat (S r )*) określa stopień wypełnienia porów gruntu wodą. Oblicza się go ze wzoru: S sat = w w = w ρ 100 e gdzie: sat w w sat (w r )* wilgotność w stanie całkowitego nasycenia porów gruntu wodą ρ d gęstość właściwa szkieletu gruntowego ρ w gęstość właściwa wody e wskaźnik porowatości d ρ Stan zawilgocenia gruntu Suchy lub mało wilgotny Wilgotny Mokry Stopień wilgotności 0 < S sat 0,4 0,4 < S sat 0,8 0,8 < S sat 1,0