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.