1

WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE GRUNTÓW.

WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE GRUNTÓW

WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE GRUNTÓW.

ZAGĘSZCZALNOŚĆ GRUNTÓW

ZAGĘSZCZALNOŚĆ GRUNTÓW

MECHANIKA GRUNTÓW I FUNDAMENTOWANIE

MECHANIKA GRUNTÓW I FUNDAMENTOWANIE

Budownictwo              semestr 4

Budownictwo              semestr 4

Wykład

2

Niejednokrotnie  w  czasie  prowadzenia  robót  ziemnych  w  budownictwie 
powszechnym,  drogowym  czy  hydrotechnicznym  zachodzi  konieczność 
wykonywania różnego rodzaju 

nasypów

.  Przykładowo  może  to  mieć  miejsce w 

przypadku wymiany słabego gruntu w podłożu fundamentu na mocniejszy (tzw. 
poduszki  piaskowe  lub  żwirowe),  formowania  nasypów  drogowych  lub
kolejowych,  wykonywania  wałów  przeciwpowodziowych  lub  przy  budowie 
zapór  ziemnych  dla  zbiorników  wodnych,  itp.  W  każdym  z  tych  przypadków 
jako  materiał  do  wykonania  nasypu  jest  wykorzystywany  naturalny  grunt 
mineralny  (najczęściej  grunt  sypki:  piasek,  żwir,  ale  czasami  również  grunt 
spoisty,  np.  ił  do  formowania  rdzenia  przeciwfiltracyjnego w  zaporze  ziemnej 
lub  warstwy  izolacyjnej  składowiska  odpadów)  albo  materiał  pochodzenia 
antropogenicznego (żużel, popiół itp.). 
Każda konstrukcja ziemna musi zostać zaprojektowana i następnie wykonana w 
taki  sposób,  aby  osiągnięte  zostały  określone  parametry  dotyczące  wytrzy-
małości  czy  np.  wodoprzepuszczalności  gruntu  w  nasypie.  Powinna  być  zacho-
wana odpowiednia  technologia  (

zagęszczanie

warstwami)  wbudowywania 

gruntów o odpowiednim uziarnieniu (inne na elementy konstrukcyjne nasypu, a 
inne np.  na  element przeciwfiltracyjny),  zastosowane  odpowiednie  maszyny  do 

zagęszczania

itp.  W  trakcie  prowadzenia  tych  robót  niezbędna  jest  również 

kontrola stanu zagęszczenia

nasypu. Grunt wbudowywany w nasyp zawsze musi 

być 

zagęszczany

.

3

Przykłady nasypów wykonywanych z gruntów

1)

2)

1 – zapory ziemne,

2 – poduszka piaskowo-żwirowa,

3 – nasyp drogowy.

Grunt 
słaby

Grunt 
mocny

3)

poduszka

4

Zagęszczalność  gruntu

jest  to  cecha  polegająca  na  zmianie  jego  objętości  pod 

wpływem  oddziaływania  na  grunt  dynamicznych  impulsów  o  odpowiedniej 
energii w warunkach określonej wilgotności gruntu. 

Miarą  zagęszczenia 

gruntu  nasypowego

jest 

wskaźnik  zagęszczenia  I

s

.  Jest  to 

stosunek 

gęstości objętościowej szkieletu gruntu w nasypie

ρρρρ

dn

do 

maksymalnej 

wartości  gęstości  objętościowej  szkieletu  tego  gruntu

ρρρρ

ds

,  wyznaczonej  w 

warunkach laboratoryjnych w badaniu Proctora

ds

dn

s

I

ρ

ρ

====

Do  zagęszczania  gruntów  w  nasypach  wykorzystuje  się  różne  maszyny,  o 
różnym  sposobie  działania: 

ubijające

(płyty wolnospadowe,  ubijaki  mecha-

niczne typu “żabka”), 

ugniatające

(walce stalowe gładkie czy okołkowane oraz 

walce  pneumatyczne  wielokołowe)  i 

wibracyjne

(płyty  i  walce).  Pierwszy  typ 

maszyn stosuje się do różnych rodzajów gruntów, drugi typ do spoistych, trzeci 
do sypkich, chociaż ciężkie walce wibracyjne dają również bardzo dobre efekty 
przy zagęszczaniu spoistych gruntów kamienistych. 
Po zagęszczeniu warstwy nasypu, o grubości zależnej od zastosowanego sprzętu 
zagęszczającego,  pobiera  się  z  niej  próbki  NNS,  dla  których  wyznacza  się 
gęstość 

ρρρρ

n

i wilgotność 

w

n

, a następnie oblicza 

ρρρρ

dn

.

5

Równocześnie z gruntu, z którego formowany jest nasyp, pobiera się większą, kilku- lub 
kilkunastokilogramową próbę do badania zagęszczalności w laboratorium.
Zagęszczalność gruntu  bada  się  według  metody  opracowanej  przez  amerykańskiego 
badacza Proctora. Istota tej metody polega na ubijaniu gruntu w odpowiednim cylindrze, 
w  znormalizowany  sposób,  przy  zwiększającej  się  w  kolejnych  próbach  wilgotności 
gruntu. Proctor stwierdził, że istnieje zależność pomiędzy 

wilgotnością gruntu - w, 

a jego

gęstością objętościową szkieletu -

ρρρρ

d

.

Wyniki badania Proctora przedstawia się w postaci 

krzywej zagęszczalności

, w układzie 

współrzędnych  w  -

ρρρρ

d

.  Na  wykresie  widać,  że  początkowo  ze  wzrostem  wilgotności 

gruntu,  przy  ubijaniu,  wzrasta  gęstość  objętościowa  szkieletu  gruntowego.  Jednak  po 
przekroczeniu  pewnej  wilgotności,  przy  której  gęstość  ta  jest  największa,  następuje 
spadek gęstości szkieletu gruntowego.

Wilgotność, przy której dany grunt osiągnął najlepsze zagęszczenie (mierzone wartością 
gęstości  objętościowej  szkieletu)  nazywamy 

wilgotnością  optymalną 

i  oznaczamy 

symbolem

w

opt

,  zaś  odpowiadającą  jej 

maksymalną  gęstość  objętościową  szkieletu

oznaczamy jako 

ρρρρ

ds

.

Znajomość wilgotności optymalnej gruntu ma praktyczny sens, bowiem jeżeli na budowie 
będziemy  zagęszczali  ten  grunt  przy  wilgotności  równej  lub  zbliżonej  do  optymalnej, 
wówczas  mamy  największą  szansę,  aby  uzyskać  najlepsze  zagęszczenie  tego  gruntu. 
Dlatego na placu budowy niezbędna jest kontrola wilgotności gruntu wbudowywanego w 
nasyp i w miarę potrzeby jego podsuszanie lub zwiększanie zawartości wody.

6

Parametry zagęszczalności badanego gruntu: w

opt

= 11,8 %, ρ

ds

= 1,890 g/cm

3

7

Schemat aparatu Proctora

1- podstawa,  2  - cylinder,  3  - nadstawka,  4  - grunt 
ubijany  warstwami,  5  - ubijak,  6  - podstawa  ubijaka,    
7 - prowadnica ubijaka

Grunt  w  cylindrze  jest  ubijany  w  kilku  war-
stwach 

N

przy  pomocy  ubijaka  o  masie 

m [kg]

spadającego  z  wysokości 

h [cm]

.  Na  każdą 

ubijaną  warstwę  przypada 

n

uderzeń.  Objętość 

cylindra  wynosi 

V[cm

3

]

.  Zagęszczanie  wymaga 

wykonania  określonej  pracy,  którą  mierzy  się 
jednostkową  energią  zagęszczania  gruntu 

E

[J/cm

3

].

Można ją obliczyć z zależności:

V

N

n

h

g

m

E

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

====

W Polsce  stosuje  się  4  metody  badania,  różniące  się  powyższymi  parametrami 
(m,  h,  n,  N,  V),  podzielone  na  dwie  grupy  o  jednostkowych  energiach 
zagęszczania wynoszących 0,59 J/cm

3

oraz 2,65 J/cm

3

.

8

Charakterystyka metod ubijania gruntu w badaniu Proctora wg 
PN-88/B-04481

M

et

o

d

a

M

a

sa

u

b

ij

a

k

a

 m

,

k

g

W

y

so

k

o

ść

o

p

a

d

a

n

ia

 h

,

c

m

L

ic

zb

a

w

a

rs

tw

 N

L

ic

zb

a

u

d

er

ze

ń

 n

a

w

a

rs

tw

ę

 n

O

b

ję

to

ść

cy

li

n

d

ra

 V

,

d

m

3

M

a

x

.

w

ie

lk

o

ść

zi

a

rn

, 

m

m

E

n

er

g

ia

je

d

n

o

st

k

o

w

a

E

, 

J

/c

m

3

I

25

1,0

6

II

2,5

32

3

55

2,2

10

0,59

III

25

1,0

6

IV

4,5

48

5

55

2,2

10

2,65

Dobór do badania odpowiedniej metody zależy przede wszystkim od dwu czynników, od uziarnienia 
gruntu  (pyły,  iły  oraz  piaski  bada  się  w  małym  cylindrze,  żwiry  w  cylindrze  dużym)  oraz  od 
zastosowanych  na  budowie  nasypu  maszyn  zagęszczających  (lekkie  maszyny  – E  =  0,59  J/cm

3

, 

ciężkie  – E  =  2,65  J/cm

3

).  Grunty  kamieniste,  stosowane  np.  przy  budowie  zapór,    bada  się  w 

wielkowymiarowych  urządzeniach, budowanych indywidualnie dla danego zadania.

9

Przykładowo parametry ubijania w metodzie I wynoszą: m = 2,5 kg, h = 32 cm, 
n = 25, N = 3, V = 1000 cm

3

. Energia jednostkowa jest więc równa:

3

2

3

cm

J

   

59

,

0

s

cm

m

m

kg

1000

3

25

32

,

0

81

,

9

5

,

2

E

====

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

====

Po  wyznaczeniu  w  badaniu  Proctora  maksymalnej  gęstości  objętościowej 
szkieletu gruntowego 

ρρρρ

ds

oraz obliczeniu gęstości objętościowej szkieletu, jaką 

uzyskano w zagęszczanym na budowie nasypie 

ρρρρ

dn

, można obliczyć wskaźnik 

zagęszczenia 

I

s

i porównać otrzymany wynik z wartością minimalną, ustaloną 

przez projektanta nasypu. Powinna być spełniona nierówność:

proj

s

obl

s

I

I

≥≥≥≥

Wartości  minimalnych  wskaźników  zagęszczenia  są  podane  w  normach doty-
czących

robót  ziemnych.  Przykładowo  w  normie  PN-B-06050:1999 

„Geotechnika.  Roboty  ziemne”  znajduje  się  wymóg  mówiący,  że  „wskaźnik 
zagęszczenia  nasypów,  na  których  mają  być  posadowione  fundamenty
konstrukcji,  nie  powinien  być  mniejszy  niż  0,97”.    Dane  dla  innego  rodzaju 
budowli  ziemnych  zawarte  są  w  odpowiednich  normach  lub  instrukcjach. 
Istnieją  odpowiednie  normy  dotyczące  budowy  nasypów  drogowych  (vide 
następny slajd) lub np. zasypek wykopów instalacyjnych, itp. 

10

Przy  kontrolowaniu  zagęszczenia  nasypów  drogowych,  jako  wymagane,  minimalne 
wartości  wskaźnika  zagęszczenia I

s

(oraz  wtórnego  modułu  odkształcenia  E

2

[MPa]) 

przyjmuje się dane pokazane na powyższym rysunku  z  normy  PN-S-02205:1998  ‘’Drogi 
samochodowe.  Roboty  ziemne’’ uzależnione,  jak  widać,  od  rodzaju  gruntu  i  klasy 
obciążenia drogi ruchem. 

11

Porównanie parametrów zagęszczalności piasku 
gliniastego przy różnych energiach zagęszczania:

1 - dla energii E

1

= 0,59 J/cm

3

: w

opt

= 11 % ; 

ρ

ds

= 1,93 

g/cm

3

, 

2 - dla energii E

2

= 2,65 J/cm

3

: w

opt

= 8,5 % ; 

ρ

ds

= 2,08 

g/cm

3

.

Powyższy  rysunek  przedstawia  dwie  krzywe  zagęszczalności,  uzyskane  dla  tego 
samego gruntu, przy dwu różnych energiach zagęszczania.

Na  podstawie  tego  rysunku  można  stwierdzić,  że  zagęszczalność gruntu  jest  również 
uzależniona od jednostkowej energii zagęszczania:

dla   

E

2

> E

1

mamy    

w

opt2

< w

opt1

oraz   

ρρρρ

ds2

> 

ρρρρ

ds1

12

Schemat postępowania dla oznaczenia I

s

:

a) pobranie w terenie z kontrolowanej warstwy formowanego nasypu
próbki NNS – oznaczenie 

ρρρρ

dn

NNS

ρρρρ

, w              

ρρρρ

dn

b) badanie w laboratorium w

opt

i 

ρρρρ

ds

ρρρρ

ds

w

opt

w

ρρρρ

d

S

r

= 1

I

s

=

ρρρρ

dn

ρρρρ

ds

aparat Proctora

krzywa zagęszczalności

13

Wskaźnik  zagęszczenia  I

s

jest  parametrem,  który  służy  do  oceny  zagęszczenia 

nasypów wykonanych 

zarówno z gruntów sypkich jak i spoistych

. Dla nasypów z 

gruntów  spoistych  jest  to  podstawowy  sposób  kontroli  zagęszczenia. 
Zagęszczenie  nasypów  z  gruntów 

sypkich

można  również  kontrolować  przez 

wyznaczenie 

stopnia  zagęszczenia I

D

.  Jest  to  szczególnie  wygodne,  gdy  ma  się 

do dyspozycji sondę dynamiczną, która pozwala szybko przeprowadzić pomiar. 
Pomiędzy  wskaźnikiem  zagęszczenia,  a  stopniem  zagęszczenia  dla  gruntów 
grubnoziarnistych 

piaszczystych 

(FSa, 

MSa, 

CSa) 

istnieje, 

ustalona 

doświadczalnie, następująca zależność korelacyjna

I

s

= 0,855 + 0,165

⋅⋅⋅⋅

I

D

Mając  zatem  ustalony  wynik  sondowania  w  postaci  I

D

można  łatwo  obliczyć 

odpowiadającą mu wartość I

s

dla nasypu.

14

Dla uzyskania realnych wartości I

s

ważne jest, aby jednostkowa energia zagę-

szczania  stosowana  w  badaniu  laboratoryjnym  była  porównywalna  z  energią 
wydatkowaną  przez  sprzęt  stosowany  na  budowie  do  zagęszczania  nasypu. 
Można  przyjąć,  że  stosowana  w  laboratorium  energia  0,59  J/cm

3

odpowiada 

warunkom  zagęszczania  lekkim  sprzętem  (lekkie  walce  drogowe,  walce  na 
pneumatykach  o  masie  do  10  t,  lekkie  ubijaki  itp.),  natomiast  energia  2,65 
J/cm

3

odpowiada  pracy  ciężkiego  sprzętu  (walce  o  masie  20  - 30  t,  ciężkie 

walce wibracyjne powyżej 4 t, ciężkie ubijaki o masie powyżej 2 t itp.).

15

Rozścielenie gruntu z rów-
noczesnym, wstępnym za-
gęszczeniem; grubość war-
stwy 15 - 20 cm

Polewanie wbudowywane-
go gruntu wodą dla osiąg-
nięcia wilgotności opty-
malnej

16

walec gładki

walec okołkowany

Walce statyczne lub wibracyjne

Maszyny do zagęszczania gruntu

Walec na pneumatykach

17

Wgłębienia (kratery) uzyskane po 

ubijaniu, h = 0,5 m

Zagęszczanie gruntu metodą 

udarów o dużej energii

Urządzenie do ubijania gruntu

H = 15 m, Q = 55 kN,