Część pierwza Właściwości fizyczne gruntu
Alojzy Szymańki Mechanika gruntów, krypt SGGW, Warzawa 2001 http://kg.ggw.pl/geotechnika/mechanika.pdf
Geneza Gruntu Grunty tworzą wierzchnią wartwę litofery, ą to materiały powtałe z wietrzenia fizycznego, chemicznego i organicznego oraz rozdrobnienia mechanicznego kał pierwotnych. Wietrzenie fizyczne wywołane jet głownie wahaniami temperatury, zamarzaniem wody w porach a także działaniem rozadzającym korzeni roślin. W wyniku działania tych czynników kały ulegają ołabieniu i rozpadowi na bloki a natępnie na coraz drobniejze okruchy. Wietrzenie chemiczne powoduje rozpad kał oraz zmiany w ich kładzie chemicznym wkutek proceów chemicznych zachodzących wewnątrz kał. Głównymi czynnikami wywołującymi wietrzenie chemiczne jet woda oraz powietrze. Wietrzenie organiczne jet wywołane przez procey życiowe zwierząt i roślin. Procey erozyjne i tranport materiału powodują rozdrobnienie okruchów wytępujących w korupie ziemkiej oraz zmiany w podłożu macierzytym.
Produkty wietrzenia kał oraz frakcje uziarnienia gruntów Produkty wietrzenia lub rozdrobnienia kały pierwotnej Wietrzenie fizyczne Wietrzenie chemiczne Rozdrobnienie mechaniczne przy tranporcie Nazwa frakcji i ich wymiary Bloki kamienne i głazy otrokrawędzite - głazy otoczone i otoczaki Kamienita (ƒ k ) powyżej 40 mm Okruchy otrokrawędzite Ziarna otrokrawędzite nie zwietrzałe okruchy otrokrawędzite kryztały odporne na wietrzenie okruchy obtoczone Żwirowa (ƒ ż ) 40 2 mm ziarna obtoczone Piakowa (ƒ p ) 2 0,05 mm drobne kryztały kały pierwotnej minerały iłowe mączka kalna powtała przy obtaczaniu ww. okruchów bardzo drobne czątki mączki kalnej o wymiarach poniżej 0,002 mm Pyłowa (ƒ π ) 0,05 0,0002 mm Iłowa (ƒ i ) poniżej 0,0002 mm
FRAKCJE UZIARNIENIA GRUNTÓW Frakcja piakowa Ziarna i czątki gruntu dzielone ą wg wielkości na grupy zwane frakcjami. Frakcja pyłowa Nazwa frakcji Zakre średnic zatępczych d [mm] Frakcja iłowa Kamienita Żwirowa Piakowa Pyłowa Iłowa d > 40 40 d > 2 2 d > 0,05 0,05 d > 0,002 0,002 d
Frakcje klayfikacyjne według: PN-EN ISO 14688-1:2005 Badania geotechniczne. Oznaczanie i klayfikowanie gruntów. Część 1: Oznaczanie i opi PN-EN ISO 14688-2:2005 Badania geotechniczne. Oznaczanie i klayfikowanie gruntów. Część 2: Zaady klayfikowania O nazwie gruntu decyduje frakcja główna, tj. frakcja o przeważającej maie w danym gruncie. Zapiuje ię ją rzeczownikiem na początku nazwy gruntu
LITERATURA Glazer Z.: Mechanika gruntów. Wydawnictwo Geologiczne, Warzawa 1985. Lambe T.W., Whitman R..: Mechanika gruntów. Arkady, Warzawa 1997. Myślińka E.: Laboratoryjne badania gruntów. Wydawnictwo Naukowe PWN, Wyd. II, Warzawa 1998. Piarczyk S.: Mechanika gruntów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warzawkiej, Warzawa 1999. Wiłun Z.: Zary geotechniki. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warzawa 1987. NORMY PN-B-02479:1998 Geotechnika. Dokumentowanie geotechniczne. PN-86/B-02480 Grunty budowlane. Określenia, ymbole, podział i opi gruntów. PN-B-02481:1998 Geotechnika Terminologia podtawowa, ymbole literowe i jednotki miar. PN-81/B-03020 Grunty budowlane. Poadowienie bezpośrednie budowli. Obliczenia tatyczne i projektowanie. PN-88/B-04481 Grunty budowlane. Badania próbek gruntu.
Badania makrokopowe - polegają na ocenie gruntu bez pomocy pecjalitycznego przętu, jedynie za pomocą wzroku oraz protych narzędzi, mające na celu określenie nazwy, rodzaju gruntu i niektórych cech fizycznych. Stouje ię je w terenie oraz jako badania wtępne w laboratorium. Przy pomocy analizy makrokopowej oznacza ię: 1. Rodzaj i nazwa gruntu. 2. Stan fizyczny gruntów poitych (przybliżona wartość topnia platyczności I p ). 3. Barwa, przewartwienia, zanieczyzczenia, domiezki. 4. Wilgotność (tan zawilgocenia). 5. Zawartość węglanu wapnia (CaCO3).
Klayfikacja gruntów 100 0 p 90 piaek (f ') frakcja piakowa zredukowana, % 10 80 70 20 60 50 I p - 30 40 ił piazczyty glina piazczyta zwięzła-g pz glina piazczyta- G p piaek gliniaty-p g piaek pylaty-p π 30 40 20 10 50 0 glina-g 100 60 90 ił - I glina zwięzła-g z pył piazczyty-π p 80 70 70 (f ') frakcja pyłowa zredukowana, % π (f ') frakcja iłowa zredukowana, % i 60 I π - 80 50 ił pylaty glina pylata zwięzła-g πz 40 glina pylata-g π pył - Π 90 30 20 100 10 0 Uziarnienie jet podtawowym kryterium podziału gruntów. Do określenia rodzaju gruntów według uziarnienia, touje ię klayfikację opartą na trzech najdrobniejzych frakcjach: piakowej, pyłowej iłowej. Wzajemny tounek zawartości tych frakcji w gruntach przedtawia trójkąt Fereta:
Frakcja piakowa Frakcja pyłowa Frakcja iłowa
Uziarnienie i charakterytyki uziarnienia Ziarna i czątki gruntu dzielone ą wg wielkości na grupy zwane frakcjami. Wyróżniamy pięć natępujących frakcji: kamienita o ziarnach d > 25 mm żwirowa o ziarnach d 25 2 mm piakowa o ziarnach pyłowa o czątkach iłowa o czątkach d 2 0,05 mm d 0,05 0,002 mm d < 0,002 mm Uziarnienie gruntu (kład granulometryczny) określa ię procentową zawartością pozczególnych frakcji w tounku do ciężaru całej próbki badanego gruntu.
Określenie ilościowego podziału pozczególnych frakcji (ziaren, czątek) w badanej próbce wykonuje ię dwoma rodzajami metod: metody bezpośrednie - oparte na pomiarze rzeczywitych wymiarów czątek gruntowych, do których należą: analiza itowa, badania mikrokopowe (których celem jet określenie kztałtu czątek gruntu, a nie kładu granulometrycznego gruntu). metody pośrednie - w których wielkość czątek gruntu zatępuje ię średnicami teoretycznych kulek. W grupie tych metod rozróżniane ą metody oparte ą na proceie edymentacji oraz metody rozdziału frakcji w trumieniu cieczy lub gazu. Metoda pośrednią jet analiza aerometryczna.
Wykre uziarnienia (krzywe uziarnienia) porządza ię po wykonaniu analizy granulometrycznej (metodą itową lub itowo-aerometryczną) i obliczeniu procentowych zawartości may ziaren i czątek. F r a k c j e zawartość ziarn (czątek) o średnicy mniejzej niż d 100% 90 80 70 60 50 40 30 20 10 iłowa pyłowa piakowa f żwirowa kam. k 4 7 3 6 5 x dx f ż f p f π 2 1 100% 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 f i 0 0,001 0,01 0,1 1 10 100 średnica zatępcza ziarna (czątki) d, mm
Z wykreów krzywych uziarnienia można wyznaczyć: procentowe zawartości pozczególnych frakcji (niezbędne do określenia rodzaju gruntu), średnice czątek d 10, d 30, d 60 (niezbędne do określenia wkaźników uziarnienia gruntu) oznaczające średnice czątek, które wraz z mniejzymi tanowią 10, 30, 60 %. Uziarnienie gruntu charakteryzują dwa wkaźniki: wkaźnik krzywizny uziarnienia: C d 2 30 ( d10 d 60 wkaźnik różnoziarnitości (uziarnienia gruntu) U d d 60 10 )
Zależnie od wkaźnika różnoziarnitości grunty dzieli ię na: równoziarnite gdy 1 U 5(np. piaki wydmowe, ley), różnoziarnite gdy 5 U 15 (np. gliny holoceńkie), bardzo różnoziarnite gdy U > 15 (np. gliny zwałowe, popółki). Grunt jet dobrze uziarniony, jeżeli: C 1 3, a U > 4 dlażwirów lub U > 6 dla piaków.
Analizy granulometryczna metodą itową Wyniki badania: Maa zkieletu gruntowego m d 352.4 g Wymiar oczek [mm] Maa gruntu pozotała na icie [g] Rozrzucona różnica may [g] Poprawiona maa gruntu pozotała na icie, m i [g] Zawartość frakcji mi Z i 100% m Suma zawartości [%] 25 0 0.00 0.00 0.00 0.00 10 0 0.00 0.00 0.00 0.00 2 26.8 0.18 26.98 7.65 7.65 1 59.3 0.39 59.69 16.94 24.59 0.5 87.9 0.58 88.48 25.11 49.70 0.25 112.8 0.74 113.54 32.22 81.92 0.1 28.9 0.19 29.09 8.25 90.17 0.063 28.6 0.19 28.79 8.17 98.34 pozotało 5.8 0.04 5.84 1.66 100.00 SUMA 350.1 2.3 352.4 100 d
Analiza granulometryczna metodą itową 0 10 Wymiar oczek [mm] Suma zawartości [%] 25 0.00 10 0.00 2 7.65 1 24.59 0.5 49.70 0.25 81.92 0.1 90.17 0.063 98.34 pozotało 100.00 10 % 60 % 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.01 0.1 1 10 100 d 10 0.1 mm d 60 0.7 mm U d d 10 0. 7 0. 1 60 7
Analiza granulometryczna metodą areometryczną Cza odczytu Temp zawieiny Skrócony wkaźnik odczytu RT R a RRT+ R+a+ c Droga czątki H R [cm] Średnica wzorcowa dwz [mm] Średnica zatępcza czątek dt [mm] Średnia zawartość czątek o φ<dt; Z T [%] 30 ek 23,1 12-0,29 0,52 12,23 13,43 0,073 0,066884 96,76 1 min 23,1 11,7-0,30 0,52 11,92 13,53 0,051 0,046895 94,36 2 min 23,1 11,2-0,30 0,52 11,42 13,69 0,036 0,033299 90,37 5 min 23,1 10,2-0,31 0,52 10,41 14,01 0,023 0,021523 82,41 15 min 23,1 9-0,31 0,52 9,21 14,40 0,013 0,012332 72,89 30 min 23,1 7,7-0,31 0,52 7,91 14,82 0,0094 0,009045 62,61 1h 23,1 6-0,30 0,52 6,22 15,36 0,0067 0,006565 49,21 2h 23 4,5-0,29 0,5 4,71 15,85 0,0047 0,004677 37,28 4h 23 3,4-0,28 0,5 3,62 16,20 0,0033 0,003321 28,68 24h 23 2-0,26 0,5 2,24 16,65 0,0014 0,001428 17,76 gdzie: Z T procentowa zawartość czątek o średnicach mniejzych niż d T [%], gętość właściwa zkieletu gruntowego [g/cm 3 ], Z T c m ( ) ( R ) T + R + a + 100 w w gętość właściwa wody [g/cm 3 ], m maa zkieletu gruntowego użytego do analizy [g], R T krócony wkaźnik odczytu dla czau opadania T, R popr awka na podziałkę areometru, a poprawka na temperaturę, c poprawka na menik.
Analiza granulometryczna metodą areometryczną 10 % d 10 0.001 mm 60 % 0 0,001 0,010 0,100 1,000 Średnica zatępcza ziarna (czątki) [mm] d 60 0.008 mm areometria grunt nr 1 U d d 0. 008 0. 001 60 10 8 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Zawartość procentowa czątek o średnicy mniejzej niż "d"
Parametry opiujące właności fizyczne Cechy fizyczne gruntu można podzielić na podtawowe i od nich pochodne. Do podtawowych cech fizycznych gruntów zalicza ię: wilgotność w gętość właściwą gętość objętościową cechy te oznaczane ą na podtawie badań laboratoryjnych Do pochodnych cech fizycznych gruntu zalicza ię: gętość objętościową zkieletu gruntowego d porowatość n i wkaźnik porowatości e wilgotność całkowitą w r i topień wilgotności S r topień zagęzczania I D i wkaźnik zagęzczania I wkaźnik platyczności I P topień platyczności I L
Pęcherzyki powietrza Woda błonkowa Powietrze a Składniki gruntu Woda Czątki tałe M w M w gdzie: - objętość gruntu Wolna woda + + + m m + m m - objętość zkieletu gruntowego w - objętość wody a - objętość powietrza w a w p w + a - objętość porów m m - maa gruntu wilgotnego m - maa zkieletu czątek gruntowych m w - maa wody p
Podtawowe cechy fizyczne gruntu Wilgotnością gruntu w nazywamy procentowy tounek may wody m w zawartej w jego porach do may zkieletu gruntowego m : w m m w 100% gdzie: m w - maa wody m - maa czątek gruntu (zkieletu gruntowego) Wilgotnością naturalna w n nazywamy wilgotność, jaką ma grunt w tanie naturalnym.
Gętością właściwą gruntu nazywa ię tounek may zkieletu gruntowego m do jej objętości. gdzie: m m - maa czątek gruntu - objętość amych czątek (zkieletu gruntowego) Gętość objętościowa gruntu jet to tounek may próbki gruntu do objętości tej próbki łącznie z porami. gdzie: m m m m - maa próbki gruntu - objętość próbki gruntu
Cechy fizyczne pochodne od cech podtawowych Gętość objętościowa zkieletu gruntowego d jet to tounek may zkieletu gruntu (maa ziaren i czątek) w danej próbce do jej objętości pierwotnej (razem z porami). d m 100 100 + w n gdzie: m - maa próbki wyuzonej do tałej wagi w temperaturze 105 110 C - objętość próbki gruntu przed wyuzeniem - gętość objętościowa gruntu W n - wilgotność naturalna gruntu Znajomość gętości objętościowej zkieletu jet konieczna do obliczenia porowatości, wkaźnika porowatości i wkaźnika zagęzczenia naypów.
Porowatością gruntu n nazywamy tounek objętości porów p w danej próbce gruntu do objętości całego gruntu (zkielet gruntu + pory). n Wobec trudności bezpośredniego pomiaru objętości porów p i objętości zkieletu wykorzytuje ię metodę pośrednią, opartą na zależnościach wynikających z ryunku: p P -objętość porów 1,0 P + S S -objętość zkieletu 1,0 1,0
Wykorzytując natępujące wzory: p + m oraz m d otrzymujemy: d d m p n 1 1
Wkaźnikiem porowatości gruntu e nazywamy tounek objętości porów p do objętości czątek gruntu (zkieletu gruntowego). d d p p p n n e p p 1 1 Pomiędzy wkaźnikiem porowatości e a porowatością n itnieją zależności: e e n 1+
n e 1+ e gaz a 1+e e woda nsr n 1 zkielet gruntowy Wkaźnik porowatości e gruntów niepoitych waha ię w granicach 0,3 1,0, a w gruntach poitych może być znacznie więkzy.
Wilgotność całkowita w r gruntu itnieje wtedy, gdy jego pory ą całkowicie wypełnione wodą (oblicza ię ją w procentach). ) ( 100% 100 1 w w r e n n w Stopień wilgotności gruntu S r określa topień wypełnienia porów gruntu wodą. r n m m p w r w w S w p w w 100 100
Zależnie od wartości topnia wilgotności gruntu S r natępujące tany zawilgocenia gruntów niepoitych: rozróżniono uchy Sr 0 mało wilgotny 0 < Sr 0,4 wilgotny 0,4 < Sr 0,8 nawodniony 0,8 < Sr 1,0 Makymalna wartość topnia wilgotności S r 1 (pory ą całkowicie wypełnione wodą).
Parametry Platyczności Gruntów Platycznością nazywa ię zdolność gruntu do poddawania ię trwałym (nieodwracalnym) odkztałceniom przy tałej objętości, bez pęknięć i kruzenia ię. Cechę tę wykazują tylko te grunty, które zawierają w woim kładzie czątki minerałów ilatych. Wkaźnik platyczności I P jet to różnica pomiędzy granicą płynności i granicą platyczności (zakre wilgotności wyznaczony granicami), oznacza ile wody w procentach (w tounku do may zkieletu) wchłania dany grunt przy przejściu ze tanu półzwartego w półpłynny. I P w L w P gdzie: w P w L - granica platyczności, - granica płynności.
Między wkaźnikiem platyczności i ilością frakcji iłowej itnieje natępująca zależność: A gdzie: A - aktywność koloidalna, ƒ i - zawartość frakcji iłowej w danym gruncie (o uziarnieniu poniżej 2 mm) w %. Zależnie od aktywności koloidalnej grunty dzieli ię na 4 grupy: nieaktywne A < 0,75 przeciętnie aktywne 0,75 A < 1,25 aktywne 1,25 A <2 bardzo aktywne A 2 I f P i
Stopień platyczności I L jet to tounek różnicy wilgotności naturalnej danego gruntu i granicy platyczności do różnicy granicy płynności i granicy platyczności. Wkaźnik ten określa, jaką konytencję ma badany grunt oraz odzwierciedla właściwości gruntu w tanie in itu. Wykre tanów gruntu Wilgotność, % Granica kurczu ww I L Granica platyczności ww p w w ww p + 0,25 I p n L w w P P ww p + 0,50 I p Granica płynności ww L Stan gruntu zwarty pół zwarty twardo platyczny platyczny miękko platyczny płynny Konytencja zwarta w S w P platyczna w L płynna I P w L -w P Wkaźnik platyczności
Pozczególne tany gruntu tanowią określone konytencje. Rozróżnia ię trzy konytencje gruntów poitych: płynną - grunt zachowuje ię jak ciecz i nie ma prawieżadnej wytrzymałości platyczną - odkztałca ię przy pewnym naciku, nie ulega przy tym pękaniom i zachowuje nadany mu kztałt zwartą - odkztałca ię dopiero przy dużych nacikach, przy czym odkztałceniom towarzyzą pękania
Granice konytencji ą granicznymi wilgotnościami rozdzielającymi pozczególne konytencje: granica płynności w L wilgotność na granicy między konytencją płynną i platyczną. granica platyczności w p - wilgotność na granicy między konytencją platyczną i zwartą. granica kurczalności w - wilgotność na granicy tanu półzwartego i zwartego Podział gruntów wg poitości. Rodzaj gruntów Wkaźnik platyczności Niepoity Spoity mało poity średnio poity zwęziło poity bardzo poity I p 1% 1% < I p 1% < I p 10% 10% < I p 20% 20% < I p 30% 30% < I p
Parametry Zagęzczania Gruntów Wilgotność optymalna w opt to taka, przy której uzykuje ię najwiękze zagęzczenie w przypadku gruntów poitych i niektórych gruntów niepoitych. Zależność Proctora: gętość objętościowa zkieletu gruntowego d zależy od wilgotności (przy tałej energii zagęzczania). Makymalne zagęzczenie jet tym więkze, im więkza jet energia zagęzczania. Wartości w opt i d zależą od rodzaju gruntu.
2700 2300 2 1900 d max 1500 1 1100 0 5 10 15 20 25 30 Wilgotność [%] Wpływ wilgotności na zagęzczenie gruntu: 1 krzywa zagęzczenia, 2 krzywa całkowitego naycenia (teoretycznie makymalne zagęzczenie).
Wkaźnik zagęzczenia gruntów I jet miernikiem charakteryzującym jakość zagęzczenia naypu: I dna d gdzie: d na - gętość objętościowa zkieletu gruntu w naypie, d. - makymalna gętość objętościowa zkieletu gruntu.
Stopień zagęzczenia gruntów niepoitych I D jet to tounek zagęzczenia wytępującego w tanie naturalnym do najwiękzego możliwego zagęzczenia danego gruntu. a) b) c) pmax max - pmax - p ma x p pmin mi n max - min pma x- pmi n Zmiana objętości porów w piaku w miarę jego zagęzczania: a) objętość piaku najbardziej luźnego, b) objętość w naturze (pośrednia), c) objętość piaku najbardziej zagęzczonego
I D max max Stopień zagęzczania I D oblicza ię ze wzoru: min pmax pmax p pmin pmax pmax p pmin e e max max e e min dmax d d dmax dmin dmin gdzie: e max - wkaźnik porowatości makymalnej obliczany dla gętości objętościowej dmin przy najbardziej luźno uypanym gruncie uchym, e min - wkaźnik porowatości minimalnej obliczany dla gętości objętościowej dmin przy możliwie najwiękzym zagęzczeniu gruntu uchego przez wibrację (bez znizczenia ziarn) e - wkaźnik porowatości naturalnej odpowiadający d.
Stopień zagęzczenia I D charakteryzuje tan gruntów niepoitych. Rozróżnia ię cztery tany gruntów niepoitych: grunt luźny 0 < I D 0,33 gruntśrednio zagęzczony 0,33 < I D 0,67 grunt zagęzczony 0,67 < I D 0,8 grunt bardzo zagęzczony I D > 0,8 Makymalna wartość topnia zagęzczenia I D 1,0