Badanie edometryczne gruntów

Badanie edometryczne gruntów służy do oznaczania
parametrów ściśliwości, odprężenia i konsolidacji
gruntów. Umożliwia także oszacowanie naprężenia
prekonsolidacji i uplastyczniającego oraz współczynników
ściśliwości wtórnej, odprężenia lub pęcznienia.

Cylindryczna próbka, bez możliwości bocznej
rozszerzalności poddawana jest stopniowym przyrostom
obciążenia, a następnie odciążenia pionowego. Możliwe
jest odprowadzanie wody z górnej i dolnej powierzchni
próbki.

Założenia:
-ścieżka naprężenia odpowiada jednoosiowemu
odkształceniu
-drenaż próbki jest jednowymiarowy i osiowy
-grunt jest nasycony i homogeniczny,

Ściśliwością gruntu nazywamy zdolność gruntu do zmniejszania swojej
objętości pod wpływem obciążenia. W przypadku rozdrobnionych
gruntów mineralnych zmniejszanie się objętości gruntu pod wpływem
obciążenia jest wynikiem zmniejszania się objętości porów wskutek
wzajemnego przesuwania się ziaren i cząstek gruntu. W procesie tym
następuje wyciskanie wody i powietrza wypełniających pory gruntowe.

Ściśliwość gruntu zależy głównie od składu granulometrycznego gruntu,
porowatości, wilgotności, składu mineralnego (zwłaszcza frakcji iłowej).

Miarą ściśliwości gruntu jest moduł ściśliwości, który jest w pewnym
sensie odpowiednikiem modułu sprężystości ciał sprężystych. Grunt nie
jest jednak ciałem w pełni sprężystym i odkształcenia zachodzące w nim
pod wpływem przyłożonych obciążeń są sumą odkształceń sprężystych i
trwałych, dlatego wykres ściśliwości nie pokrywa się z wykresem
odprężenia.

Jest wiele możliwości badania ściśliwości gruntu zarówno w terenie jak i
w laboratorium. Badanie ściśliwości w laboratorium wykonuje się w
aparacie zwanym edometrem, dlatego też parametr uzyskany w wyniku
tego badania nazywa się edometrycznym modułem ściśliwości.
Zależność między obciążeniem a odkształceniem jest funkcją wyższego
rzędu, ilustracją której jest krzywa ściśliwości.

Wartość modułu ściśliwości pierwotnej określamy z krzywej ściśliwości
pierwotnej z wzoru, który przyjmuje się według prawa Hooke'a z
zastrzeżeniem, że stosuje się go dla niedużych zakresów obciążeń:
w którym:

- moduł ściśliwości pierwotnej [kPa, MPa],



- przyrost obciążenia jednostkowego próbki [kPa, MPa],

ε - odkształcenie względne próbki,



- przyrost obciążeń,





i-1

, [kPa, MPa],

i-1

- wysokość próbki w edometrze przed zwiększeniem naprężenia z 

i-1

do 

[mm],
h

- wysokość próbki w edometrze po zwiększeniu naprężenia z



i-1



[mm],

h

- zmniejszenie wysokości próbki w pierścieniu edometru po zwiększeniu

obciążenia o 



; h

= h

i-1

- h

[mm].

Ściśliwość pierwotna -  zjawisko, gdy grunt ulega ściśnięciu na
skutek wzrostu lub spadku naprężenia efektywnego w związku z
rozproszeniem nadwyżki ciśnienia wody w porach przy stałym
naprężeniu, któremu towarzyszy  odprowadzanie wody z porów.

Pęcznienie – rozprężanie w związku z redukcją naprężeń

efektywnych (obejmuje zarówno odprężanie, jak i odwrócenie

konsolidacji).

Konsolidacja- Proces zmiany objętości gruntu w czasie,

zachodzący w wyniku wypływania wody z porów pod wpływem

przyłożonego obciążenia

Czas trwania konsolidacji zależy głównie od przepuszczalności
gruntu. Grunty o niskiej przepuszczalności (np. grunty spoiste)
wymagają dłuższego czasu na zakończenie konsolidacji.
Dlatego grunty te osiadają znacznie wolniej niż grunty
niespoiste, i, co za tym idzie, proces ten trwa znacznie dłużej.
Proces ten ilustruje krzywa konsolidacji.

Krzywe konsolidacji sporządza się dla wszystkich stopni
obciążeń.
Sporządzenie krzywej konsolidacji pozwala nam uchwycić
moment stabilizacji osiadań, co warunkuje przyłożenie
następnego stopnia obciążenia.

Sprzęt do badania

ważniejsze wyjątki z normy:

Pierścień edometru:
-    Oznaczony niezmywalnym numerem identyfikacyjnym
-    Wymiary
• średnica D: minimum 35 mm
• wysokość H: nie mniej nić 12mm
• stosunek D do H: nie mniejszy niż 2,5
-    Nie może zmieniać swoich wymiarów przy obciążeniu (max

0,05%)

- Powinien być wykonany z materiału odpornego na korozję i

mieć ostrą krawędź tnącą. Powierzchnia wewnętrzna
powinna być gładka i posmarowana cienką warstewką
smaru silikonowego, wazeliną itp.

Porowate płytki:
- Góra i dół powinny być płaskie, czyste i nieuszkodzone,

wykonane z odpornego na korozję metalu, nieściśliwego.

- Umożliwiają wolny odpływ wody uniemożliwiając dostawanie

się stałych cząstek do porów.

- Średnica górnej płytki powinna być o około 0,5 mm mniejsza

niż średnica wewnętrzna pierścienia edometru, może być

ścięta względem górnej powierzchni.

W gruntach miękkich, trzeba zmniejszyć podaną odległość do 2

mm, by uniknąć wyciskania preparatu.

- W przypadku pierścienia nieumocowanego, średnica dolnej

płytki powinna być o około 0,5mm mniejsza niż średnica

wewnętrzna pierścienia. Dolna płytka jest podobna do górnej,

ale ścięta względem dolnej powierzchni.

- Gdy pierścień jest umocowany do korpusu, dolna płytka musi

być wystarczająco duża, by utrzymać pierścień edometru.

W badaniu można użyć papierowego filtra w celu uniknięcia

dostania się gruntu do porów płytek, jednak powinien być

wystarczająco przepuszczalny, żeby nie hamował

odprowadzania wody z próbek.

Płytki przed użyciem powinny być umyte szczotką, po czym

nasącza się je poprzez gotowanie w destylowanej lub

dejonizowanej wodzie przez 20 min. Powinny być zanurzone w

wodzie do momentu ich użycia.

Korpus edometru:
- Wykonany z metalu odpornego na korozję lub innego

materiału.

- Wodoszczelny, utrzymujący wodę na takim poziomie, by

górna płytka była zanurzona.

Pokrywa obciążeniowa:
- Sztywna, dopasowana do centralnego gniazda

obciążeniowego, umożliwiająca swobodny odpływ wody

Czujnik:
- Skok przynajmniej 10mm z rozdzielczością i dokładnością

do 0,002mm

Norma dopuszcza niekonwencjonalny sprzęt.

Rama obciążeniowa:
- Powinna umożliwiać odpowiednie ustawienie edometru,

oprawne wykonanie badania i przyłożenie danego przyrostu
obciążenia w ciągu 2 s.

Przebieg badania

POBIERANIE PRÓBEK:
Próbki powinny być nasycone, homogeniczne i o nienaruszonej

strukturze. Średnica największych ziaren powinna być
dostosowana do wysokości pierścienia edometru.

Sposoby pobierania próbek:
- wyciskanie z rury o tej samej średnicy, co średnica

pierścienia edometru

- wyciskanie z rury o średnicy większej, niż średnica

pierścienia edometru

- wycinanie z bloków o nienaruszonej strukturze
- wycinanie z próby o nienaruszonej strukturze uzyskanej

metodą opróbowania ciągłego.

- sztuczne formowanie o strukturze naruszonej (gdy nie da się

uzyskać prób inaczej)

POMIARY
1. Przygotowaną próbkę i pierścień należy umieścić w

uprzednio zważonym naczyniu i zważyć z dokładnością do
0,01g. Pozwala obliczyć to masę próbki. Średnicę,
wysokość i objętość próbki można uznać, za równą
wymiarom pierścieniowi.

2. Gdy badanie nie może się zacząć bezpośrednio po

przygotowaniu próbki, należy ją owinąć w folię w celu
ochrony przed utratą wody i zmainą struktury.

3. Montaż urządzenia polega na przytwierdzeniu płytek

porowatych w komorze konsolidacyjnej, razem z
ewentualnymi papierowymi filtrami. Kopułę umieszcza się
centralnie na górnej płytce porowatej. Wyróżnia się dwie
sytuacje:

• Gdy grunt jest nasycony, lub nie przyjmuje wody, należy

pozwolić, by z powierzchni płytek woda wolna była łatwo
odprowadzana. Pory w płytkach powinny być nasycone.

• W przypadku gruntów łatwo absorbujących wodę, płytki

porowate należy wysuszyć na wolnym powietrzu przed ich
zastosowaniem.

4. Należy zastosować niewielkie miejscowe, nie

przekraczające 3kPa obciążenie na próbkę, uwzględniając
wagę pokrywy i płytki.

1. Urządzenia pomiaru różnicy wysokości i sekundomierz

powinny być wyzerowane.

2. Przykłada się obciążenie.
• Wartość początkowa powinna być ustalona w zależności od

rodzaju gruntu.

• W gruntach miękkich należy stosować mniejsze naprężenia

niż w gruntach sztywnych. Dla gruntów pęczniejących
pierwszy stopień obciążenia powinien być większy od
ciśnienia pęcznienia.

• Każdy kolejny nacisk powinien być 2 razy większy od

poprzedniego

• Zalecane stopnie nacisków: 6, 12, 25, 50, 100, 200, 400,

800,
1600, 3200 kPa

7. Wymagane obciążenie należy przykładać ostrożnie , bez

wstrząsów, przez 2s. W tym samym czasie należy włączyć

sekundomierz i usunąć niewielkie miejscowe obciążenie.
8. Komora konsolidacyjna powinna być wypełniona wodą , aż do

krawędzi górnej płytki porowatej.
9. Odczyt pomiaru przemieszczeń (różnica w wysokości próbki)

powinien być dokonywany po odpowiednim czasie od rozpoczęcia

pomiaru (10, 20, 30, 40, 50 sekund, 1, 2, 5 min etc.; do 24

godzin), takich samych dla każdego przyrostu obciążenia. Odczytu

należy dokonywać co 24 godziny.
10. Pionowe naciski należy utrzymywać do momentu, w którym

odczyty pokazują, że konsolidacja początkowa została

zakończona.

Konsystencja

gruntu

Nacisk początkowy

Twardoplastyczny

Równy σ‘

lub następny wyższy zalecany nacisk powyżej σ‘

jeśli jest mniejszy niż σ‘

Plastyczny

Trochę mniejszy niż σ‘

lepiej następny niższy zalecany

Miękkoplastyczny

Dużo mniejszy niż σ‘

, zazwyczaj 25kPa lub mniej.

Miękkoplastyczny

na granicy

płynnego

Bardzo mały, zazwyczaj 6kPa lub 12kPa. Początkowa

ściśliwość przy niewielkim obciążeniu da dodatkową

siłę , zapobiegającą zgniataniu przy następnym

obciążeniu.

1. Odczyt czujnika d

powinien być notowany w momencie

zakończenia etapu przyrostu obciążenia. Staje się on

odczytem początkowym dla kolejnego etapu.

2. Nacisk pionowy należy zwiększyć do kolejnej wartości,

czynności powtórzyć.

3. Kolejnym etapem badania jest odciążanie próbki, które

polega na ostrożnym redukowaniu nacisku pionowego do

wybranej wartości, jednocześnie włączając sekundomierz.

Odczytów zmian wysokości dokonujemy w tych samych

przedziałach czasu, które stosowane były przy dociążaniu

próbki.

4. Odczyt czujnika przemieszczeń należy zapisać na końcu

ostatniego stopnia obciążenia . Staje się on początkowym

odczytem dla etapu zmniejszania obciążenia.

5. Odciążanie przebiega do momentu uzyskania ciśnienia

pęcznienia.

6. W uzasadnionych przypadkach można zastosować kolejny

cykl obciążenia i odciążenia, wg podanego przepisu.

7. Urządzenie należy zdemontować, a z próbki gruntu, po

dołączeniu wszystkich okruchów i przylegających cząstek,

należy oznaczyc gęstość i wilgotność.

      W przypadku, gdy próbka wykonana jest z gruntu
pęczniejącego,  w trakcie wykonywania punktu 8 należy
oznaczyć ciśnienie pęcznienia.  Wykonuje się to dolewając
wody do próbki i zwiększając pionowe obciążenie o wartość
pozwalającą utrzymać stałą wysokość próbki. Wielkość nacisku
powinna być odnotowana w skali czasu.

WYNIKI
W momencie uzyskania równowagi należy obliczyć
pionowy nacisk σ’

, jakiemu poddana jest próbka. Jest to

szukane ciśnienie pęcznienia. Zbliżanie się do owego punktu
można zaobserwować sporządzając wykres zależności
pionowego nacisku na próbkę  od pierwiastka drugiego stopnia
czasu działania kolejnych stopni obciążeń.
      Po oznaczeniu ciśnienia pęcznienia należy powrócić do
normalnego toku badania.  Nie należy ponownie nastawiać
czujnika.

Pomiary masy początkowej, objętości oraz wilgotności

skrawków próbki można zastosować do obliczenia wskaźników
porowatości w trakcie badania.

Charakterystykę ściśliwości można zilustrować poprzez

naniesienie na wykres pomiarów osiadań próbki jako rzędnej,
a zastosowanego nacisku jako odciętej w logarytmicznej lub
liniowej skali. Wartości powinny odnosić się do tego samego
czasu, od początku przyrostu obciążenia.

Alternatywne pomiary ściśliwości próbki zawierają np.
odczyt czujnika [mm], osiadania [mm], wskaźnik porowatości
lub objętość itp.

Odkształcenia pionowe:

–odkształcenia pionowe

– wysokość na początku badania

– wysokość próbki na końcu przyrostu

Wskaźnik porowatości:

Ef – wskaźnik porowatości
Hs – równoważnik wysokościowy gruntów, obliczany ze wzoru:
                          md – masa szkieletu gruntowego
                          ρs – gęstość właściwa
                          A – pole przekroju, na który działa siła

Na podstawie badania, można obliczyć również inne

parametry, charakterystyczne dla gruntu:

1. Stopień wilgotności:
w

– wilgotność naturalna (początkowa)

– współczynnik porowatości początkowej (na

początku

badania

– gęstość właściwa

2. Współczynnik ściśliwości

objętościowej:

– wysokość pierwotna, na początku

badania

– wysokość próbki na końcu przyrostu

σ’

– naprężenie przed zmianą

obciążeni [kPa]

σ’

– naprężenie po zmianie obciążenia

[kPa]

Moduł edometryczny:
δσ’

– przyrost efektywnego naprężenia

pionowego,

czyli różnica pomiędzy

całkowitym ciśnieniem

pionowym, a

ciśnieniem wody w porach
δε

– przyrost odkształcenia pionowego

Wskaźnik ściśliwości:

δe – zmiana
wskaźnika

porowatości

wzdłuż wybranej

części

krzywej ściśliwości
δlogσ’

- zmiana

logarytmu

zadanego nacisku

wzdłuż

wybranej liniowej

części

krzywej ściśliwości

Współczynnik konsolidacji:
f

– poprawka temperaturowa

L – długość ścieżki odpływu wody, jaką
dopuszcza

się dla zmiany wysokości próbki

– czas do 50% konsolidacji

Wskaźnik odprężenia:

δe – zmiana wskaźnika porowatości wzdłuż wybranej części
krzywej ściśliwości

δlogσ’

- zmiana logarytmu zadanego nacisku wzdłuż

wybranej liniowej części krzywej ściśliwości

Czas

[min]

Naprężen

[kPa]

Wskazania czujników

Wysokoś

ć próbki

[m]

PYTANIA
KONTROLNE:

1. Podać definicję ściśliwości gruntu i wymienić
czynniki wpływające na ściśliwość gruntu.
2. Jaki rodzaj próbki gruntu stosuje sie w badaniach
ściśliwości gruntu?
3. Narysować wykres ściśliwości gruntu i wymienić
krzywe ściśliwości.
4. Wymienić rodzaje modułów gruntu i podać
związki miedzy nimi.
5. Podać definicje edometrycznych modułów
ściśliwości gruntu i sposób ich określania na
podstawie wykresu
ściśliwości.
6. Wymienić zastosowania modułów gruntu w
obliczeniach z dziedziny mechaniki gruntów i
fundamentowania.
7. Co to są i do czego służą krzywe konsolidacji
gruntu?

Document Outline