P O L I T E C H N I K A G D A Ń S K A
Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska
Katedra Geotechniki, Geologii i Budownictwa Morskiego
80-233 Gdańsk, ul. G. Narutowicza 11/12
2.
Podstawowe cechy fizyczne gruntu
Do podstawowych cech fizycznych gruntów należą: wilgotność naturalna, gęstość objętościowa i gęstość właściwa
szkieletu gruntowego. Znajomość tych wartości umożliwia analityczne obliczenie pozostałych cech fizycznych oraz
jakościowy opis niektórych właściwości mechanicznych gruntu poprzez zastosowanie zależności empirycznych.
2.1. Wilgotność naturalna gruntu
Wilgotność naturalna gruntu określa stosunek masy wody zawartej w badanej próbce gruntu w stanie naturalnym do
masy jej szkieletu. Wilgotność naturalną oblicza się ze wzoru:
s
w
n
m
m
w
=
gdzie:
w
n
− wilgotność naturalna gruntu [-]
m
w
− masa wody w próbce gruntu [g]
m
s
− masa szkieletu gruntowego próbki [g]
Najczęściej wartość wilgotności wyrażamy w [%]. Badanie wilgotności naturalnej gruntu przeprowadza się na
próbkach o naturalnej wilgotności (NW), mogą być również użyte próbki o nienaruszonej strukturze (NNS), które
zostały pobrane i przechowywane w sposób zachowujący naturalną wilgotność gruntu.
2.1.1. Sprzęt do badania
a) parowniczki,
b) waga techniczna,
c) suszarka,
d) eksykator.
2.1.2. Wykonanie badania
Należy zważyć dwie puste parowniczki (m
t
).
Próbkę gruntu do badania wilgotności umieścić w zważonych wcześniej parowniczkach i zważyć całość (m
mt
).
Badanie należy przeprowadzić dla dwóch próbek analizowanego gruntu.
Zważone próbki wstawić do suszarki i w temperaturze 105-110°C wysuszyć do stałej masy.
Całkowicie wysuszone próbki wyjąc z suszarki, ostudzić w eksykatorze i zważyć(m
st
).
2.1.3. Wynik badania
Wilgotność naturalna gruntu obliczyć z następującego wzoru
t
st
st
mt
n
m
m
m
m
w
−
−
=
gdzie:
w
n
− wilgotność naturalna gruntu [-]
m
t
− masa pustych parowniczek [g]
m
mt
− masa parowniczek z gruntem w stanie naturalnym [g]
m
st
− masa parowniczek z wysuszonym gruntem [g]
Jako wynik końcowy podaje się średnią wartość arytmetyczną dwóch oznaczeń dla próbek tego samego gruntu, jeżeli
różnica wyników uzyskanych z poszczególnych oznaczeń nie przekroczy 5% wartości średniej. W przeciwnym razie
badanie należy powtórzyć.
2
2.2. Gęstość objętościowa gruntu
Gęstość objętościowa gruntu określa stosunek masy próbki gruntu w stanie naturalnym do jej objętości. Gęstość
objętościową ρ wylicza się ze wzoru:
V
m
=
ρ
gdzie:
ρ − gęstość objętościowa gruntu [g/cm
-3
]
m
− masa próbki gruntu w stanie naturalnym [g]
V -objętość badanej próbki [cm
3
]
Gęstość objętościową gruntu wyznacza się na próbkach o strukturze nienaruszonej (NNS) stosując się jedną
z czterech metod:
1) metodę pierścienia tnącego,
2) metodę rtęciową,
3
)
metodę wyporu hydrostatycznego wody lub cieczy organicznych,
4) metodę oznaczania gęstości objętościowej w cylindrze.
Metodę pierścienia tnącego stosuje się przy badaniu próbek gruntów spoistych.
Metodę rtęciową stosuje się przy badaniu gruntów o dużej spoistości oraz gruntów skalistych, których próbki nie
rozkruszają się w czasie badania.
Oznaczenie w wodzie (i parafinie) stosuje się przy badaniach próbek gruntów spoistych, których objętość lub stan nie
pozwalają na wycięcie próbki za pomocą pierścienia, a także do gruntów skalistych.
Metodę oznaczania gęstości objętościowej w cylindrze stosuje się przy badaniu gruntów sypkich.
Do celów porównawczych i badań zagęszczalności gruntów mogą być formowane sztucznie bryły gruntu z których
pobiera się próbki typu NNS do badania ciężaru objętościowego odpowiadającego danemu stanowi zagęszczenia.
2.2.1. Sprzęt do badania metodą pierścienia tnącego
a) pierścień metalowy,
b) waga techniczna,
c) nóż,
d) suwmiarka.
2.2.2. Wykonanie badania metodą pierścienia tnącego
Należy zważyć pusty pierścień (m
t
).
Za pomocą suwmiarki zmierzyć wysokość (H) oraz średnicę wewnętrzną (d) pierścienia i obliczyć jego objętość
(V) ze wzoru:
4
2
H
d
V
⋅
⋅
=
π
Pierścień z nasadką ustawić na wyrównanej powierzchni próbki gruntu i równomiernie naciskając nasadkę
wcisnąć pierścień w grunt, tak, aby pomiędzy krawędzią pierścienia a wycinaną próbką gruntu nie powstała
szczelina.
Wypełniony pierścień wyjąć z gruntu, oczyścić z zewnątrz. Za pomocą noża wyrównać górną i dolną
powierzchnię gruntu równo z krawędziami pierścienia i zważyć pierścień z gruntem (m
mt
).
2.2.3. Wynik badania
Gęstość objętościowa gruntu obliczyć z następującego wzoru
V
m
m
t
mt
−
=
ρ
gdzie:
ρ − gęstość objętościowa gruntu [g/cm
-3
]
m
t
− masa pustego pierścienia [g]
m
mt
− masa pierścienia z gruntem w stanie naturalnym [g]
3
Jako wynik końcowy podaje się średnią arytmetyczną wartość dwóch oznaczeń dla próbek tego samego gruntu, jeżeli
różnica wyników uzyskanych z poszczególnych oznaczeń nie przekroczy 0,02 g/cm
-3
.
2.3. Gęstość właściwa szkieletu gruntowego
Gęstość właściwa szkieletu gruntowego określa stosunek masy szkieletu gruntowego do objętości wszystkich ziaren
i cząstek szkieletu gruntowego. Gęstość właściwa szkieletu gruntowego ρ
s
wylicza się ze wzoru:
s
s
s
V
m
=
ρ
gdzie:
ρ
s
− gęstość objętościowa właściwa szkieletu gruntowego [g/cm
-3
]
m
s
− masa szkieletu gruntowego [g]
V
s
− objętość szkieletu gruntowego, tj. wszystkich ziaren i cząstek stałych [cm
3
]
Gęstość właściwą można oznaczać dwiema metodami:
1) metodę piknometru
,
2
)
w aparacie Le Chatelier’a
.
Metodę piknometru przy użyciu wody stosuje się tylko do gruntów, które nie zawierają soli rozpuszczalnych
w wodzie.
Aparat Le Chateliera stosuje się przypadku badania gruntów zawierających sole rozpuszczalne w wodzie lub gruntów
organicznych.
2.3.1. Sprzęt do badania metodą piknometru
a) piknometr
lub
kolba,
b) waga techniczna,
c) pipeta,
d) suszarka.
2.3.2. Wykonanie badania metodą piknometru
Próbkę gruntu wysuszyć do stałej masy w suszarce w temperaturze 105-110°C, a następnie ochłodzić
w eksykatorze.
Zważyć pusty, suchy piknometr lub kolbę (m
t
).
Do zważonego piknometru/kolby wsypać próbkę wysuszonego gruntu i zważyć całość (m
g
).
Piknometr z gruntem napełnić do około 2/3 objętości wodą destylowaną. Przez pół godziny gotować go na
małym płomieniu w celu usunięcia powietrza z gruntu i z wody. W czasie gotowania zawartość kilkakrotnie
wymieszać.
Piknometr ochłodzić do temperatury otoczenia, uzupełnić wodę destylowaną do poziomu kreski na szyjce
i zważyć (m
wg
).
Opróżnić piknometr, dokładnie wypłukać i jeśli piknometr nie był wcześniej wycechowany przeprowadzić jego
cechowanie (wlać do niego wodę destylowaną do kreski, doprowadzić do temperatury 20°C i po starannym
wytarciu z zewnątrz zważyć (m
wt
)).
2.3.3. Wynik badania
Objętość szkieletu gruntowego (V
s
) wyznacza się ze wzoru:
(
)
w
wg
t
g
wt
s
m
m
m
m
V
ρ
−
−
+
=
Gęstość właściwą szkieletu gruntowego (
ρ
s
) wyznacza się ze wzoru:
s
t
g
s
V
m
m
−
=
ρ
4
gdzie:
ρ
s
− gęstość właściwa szkieletu gruntowego [g/cm
-3
]
m
t
− masa pustego piknometru [g]
m
g
− masa piknometru z gruntem [g]
V
s
− objętość szkieletu gruntowego [cm
3
]
W tabeli poniżej podano wartości gęstości właściwej szkieletu gruntowego niektórych gruntów (wg PN-88B-04481 oraz PN-81/B-
03020). Uzyskane wyniki oznaczenia
ρ
s nie powinny różnić się od wartości podanych wartości więcej niż o 0,02 g · cm
-3
dla
gruntów mało spoistych, średnio spoistych i zwięzło spoistych oraz o 0,03 g · cm
-3
dla gruntów bardzo spoistych. W przypadku
uzyskania większych różnic należy wykonać dodatkowo co najmniej dwa oznaczenia.
Gęstość właściwa
szkieletu gruntowego
ρ
s
Nazwa gruntu
g/cm
-3
Piaski 2,65-2,67
Piaski pylaste 2,65-2,66
Pyły i pyły piaszczyste 2,66-2,67
Piaski gliniaste
2,66-2,68
Gliny, gliny piaszczyste i gliny pylaste
2,67-2,70
Gliny zwięzłe, gliny piaszczyste zwięzłe,
gliny pylaste zwięzłe
2,69-2,72
Iły, iły pylaste, iły piaszczyste
2,71-2,78
Piaski i pyły próchniczne
2,30-2,64
Namuły organiczne
2,15-2,60
Torfy 1,40-1,70
5