1

CECHY FIZYCZNE GRUNTÓW

Ośrodek gruntowy składa się z oddzielnych ziarn i cząstek, między którymi występują pory, które są
wypełnione najczęściej wodą zawierającą pęcherzyki gazu (powietrza, pary wodnej, CO

2

).

Objętość poszczególnych składników przedstawiono na rysunku 1. Zgodnie z nim można
przedstawić następujące zależności:

Rys. 1. Schemat układu objętości poszczególnych składników w próbce gruntu.

p

s

a

w

s

V

V

V

V

V

V

+

=

+

+

=

w

s

m

m

m

m

+

=

gdzie:

V - objętość gruntu,
V

s

- objętość szkieletu gruntowego,

V

w

- objętość wody,

V

a

- objętość gazu,

a

w

p

V

V

V

+

=

- objętość porów,

m

m

- masa gruntu wilgotnego,

m

s

- masa szkieletu gruntowego,

m

w

- masa wody.

2

Gęstość właściwa gruntu,

ρρρρ

s

Stosunek masy suchego szkieletu gruntowego do jego objętości (bez porów).

s

s

s

V

m

=

ρ

[g

⋅

cm

-3

]

Większość gruntów mineralnych posiada gęstość właściwą w granicach 2,65÷2,78 g

⋅

cm

-3

.

Gęstość objętościowa gruntu,

ρρρρ

Stosunek masy próbki gruntu do jej objętości (łącznie z porami)

V

m

m

=

ρ

[g

⋅

cm

-3

]

gdzie;

m

m

- masa próbki gruntu, g,

V - objętość próbki, cm

3

.

Gęstość objętościowa gruntu jest wielkością zmienną, zależy od porowatości i wilgotności gruntu.

Wartość gęstości objętościowej gruntów niespoistych rośnie ze wzrostem zagęszczenia i wilgotności i
waha się w granicach

ρρρρ

= 1,50÷2,10 g

⋅⋅⋅⋅

cm

-3

, a gruntów spoistych maleje ze wzrostem wilgotności i

wynosi

ρρρρ

= 2,25÷1,70 g

⋅⋅⋅⋅

cm

-3

). Gęstość objętościowa gruntów organicznych (namułów i torfów) wynosi

około

ρρρρ

= 0,80÷1,60 g

⋅⋅⋅⋅

cm

-3

.

Ciężar objętościowa gruntu,

γγγγ

g

⋅

=

ρ

γ

[kN

⋅

m

-3

]

gdzie:

ρ

- gęstość objętościowa, t

⋅

m

-3

,

g - przyspieszenie ziemskie, 9,81 m

⋅

s

-2

.

3

Wilgotność gruntu, w

Stosunek masy wody zawartej w porach gruntu do masy szkieletu gruntowego, w procentach:

100

100

⋅

−

=

⋅

=

s

s

m

s

w

m

m

m

m

m

w

[%]

gdzie:

m

m

- masa próbki gruntu wilgotnego, g,

m

s

- masa próbki gruntu wysuszonej w temperaturze 105-110°C, g,

m

w

- masa wody w porach gruntu, g.

Tabela 4.1. Orientacyjne wartości wilgotności naturalnej gruntów w

n

.

Nazwa gruntów

W

n

, [%]

Grunty gruboziarniste

3-23

Grunty drobnoziarniste (niespoiste)

3-28

Grunty drobnoziarniste (spoiste)

5-50

Grunty próchnicze

5-40

Namuły

20-150

Torfy

25-1500

Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego,

ρρρρ

d

Stosunek masy szkieletu gruntowego w danej próbce do jej objętości (razem z porami):

w

V

m

s

d

+

⋅

=

=

100

100

ρ

ρ

[g

⋅

cm

-3

]

gdzie:

m

s

- masa próbki gruntu wysuszonej w temperaturze 105-110°C, g,

V - objętość próbki gruntu przed wysuszeniem, cm

3

,

ρ

- gęstość objętościowa gruntu, g

⋅

cm

-3

,

w - wilgotność gruntu, %.

4

Porowatość, n

Stosunek objętości porów w danej próbce gruntu do jej całkowitej objętości (szkieletu i porów),
czyli

V

V

n

p

=

[-]

gdzie:

V

p

- objętość porów w próbce, cm

3

,

V - objętość całkowita próbki (szkieletu gruntowego i porów), cm

3

.

W praktyce do obliczenia porowatości konieczne jest wcześniejsze oznaczenie gęstości właściwej gruntu

ρ

s

i gęstości objętościowej szkieletu gruntowego

ρ

d

:

s

d

s

s

d

s

s

s

p

V

m

V

V

V

V

V

n

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

−

=

−

=

−

=

−

=

=

1

1

[-]

gdzie

ρ

s

- gęstość właściwa gruntu, g

⋅

cm

-3

,

ρ

d

- gęstość objętościowa szkieletu gruntowego, g

⋅

cm

-3

.

Znając porowatość gruntu, możemy określić zależność między gęstością objętościową szkieletu
gruntowego a gęstością właściwą gruntu:

(

)

s

d

n

ρ

ρ

−

=

1

Porowatość zależy od struktury gruntu. Grunty o strukturze ziarnistej (piaski, żwiry) mają
przeważnie mniejszą porowatość niż grunty spoiste.

Porowatości gruntów:

piaski, pospółki, żwiry występujące w naturze – n = 0,20÷0,55,

grunty spoiste – n = 0,20÷0,70,

torfy – n = 0,76÷0,90,

gytia – n = 0,35÷0,95,

gleba – n = 0,37÷0,91.

5

Wskaźnik porowatości, e

Stosunek objętości porów V

p

w gruncie do objętości szkieletu gruntowego V

s

.

Znając porowatość gruntu n lub gęstość właściwą gruntu

ρ

s

i gęstość objętościową szkieletu

gruntowego

ρ

d

, można obliczyć wskaźnik porowatości e:

n

n

V

V

V

V

V

V

V

V

V

e

p

p

p

p

s

p

−

=

−

=

−

=

=

1

1

[-]

d

d

s

s

p

V

V

e

ρ

ρ

ρ

−

=

=

[-]

Wartości wskaźnika porowatości piasków i żwirów wahają się w granicach 0,25-1,22, a dla
gruntów spoistych są większe i dla iłów osiągają wartość powyżej 2.

Stopień wilgotności gruntu, S

r

Stosunek objętości wody w porach gruntu do objętości porów.

p

w

r

V

V

S

=

[-]

gdzie:

V

w

- objętość wody wypełniającej pory gruntu, cm

3

,

V

p

- objętość porów, cm

3

.

r

s

s

p

w

r

w

w

e

w

V

V

S

=

=

=

ρ

ρ

100

[-]

gdzie:

w - wilgotność gruntu, %,

p

s

- gęstość właściwa gruntu, g

⋅

cm

-3

,

e - wskaźnik porowatości gruntu w stanie naturalnym,

p

w

- gęstość wody (p

w

= 1,0 g

⋅

cm

-3

),

%

100

s

w

r

e

w

ρ

ρ

=

- wilgotność całkowita (wtedy S

r

= 1,0).

W zależności od stopnia wilgotności S

r

rozróżnia się następujące stany zawilgocenia gruntów

niespoistych:



suchy, S

r

= 0,



mało wilgotny, 0 < S

r

< 0,4,



wilgotny, 0,4 < S

r

< 0,8,



nawodniony, 0,8 < S

r

< 1,0.