Wyznaczanie gęstości właściwej i objętościowej szkieletu gruntowego
oraz gęstości objętościowe i wilgotności naturalnej gruntu
1. WSTĘP
Grunty składają się z oddzielnych ziarn i cząstek, które stanowią szkielet gruntowy.
Pomiędzy nimi znajdują się pory wypełnione wodą lub wodą z gazami (Rys.1).
Rys.1. Schemat opisujący ośrodek gruntowy:
1 - pęcherzyki powietrza, 2 - woda wolna, 3 - cząstki stałe, 4 - woda błonkowa
Cechy fizyczne gruntu można podzielić na:
- podstawowe, tj. gęstość właściwą, gęstość objętościową i wilgotność;
- pochodne, tj. gęstość objętościową szkieletu gruntowego, porowatość, wskaźnik
porowatości, wilgotność całkowitą, stopień wilgotności, stopień zagęszczenia, stopień
plastyczności i wskaźnik zagęszczenia.
Wielkości podstawowe wyznacza się na podstawie badań laboratoryjnych. Ich znajomość
pozwala na określenie cech pochodnych.
2. WYZNACZANIE GĘSTOŚCI WŁAŚCIWEJ GRUNTU
Gęstość właściwa szkieletu gruntowego jest to stosunek masy szkieletu gruntowego do
jego objętości
s
s
s
V
m
(1)
gdzie:
ρ
s
- gęstość właściwa szkieletu gruntowego [g/cm
3
],
m
s
- masa szkieletu gruntowego [g],
V
s
- objętość szkieletu gruntowego [cm
3
].
Przeznaczona do oznaczenia gęstości właściwej szkieletu gruntowego część pobranej
próbki gruntu o sprawdzonej makroskopowo jednorodności, po wysuszeniu do stałej masy
w temperaturze 105 ÷110°C powinna mieć masę:
a) dla piasków gliniastych, pyłów i pyłów piaszczystych 40÷50 g,
b) dla glin, glin piaszczystych i glin pylastych 35÷40 g,
c) dla glin zwięzłych, glin piaszczystych zwięzłych, glin pylastych zwięzłych, iłów i iłów
pylastych 25÷30 g.
Gęstość właściwą szkieletu gruntowego określa się na podstawie kolejnych pomiarów
masy kolby, masy kolby wraz z gruntem, masy kolby z gruntem wypełnionej wodą i masy
kolby wypełnionej wodą.
Pobraną próbkę gruntu po wysuszeniu w temperaturze 105÷110°C i ostudzeniu
w eksykatorze przenosi się do uprzednio wycechowanej i wysuszonej kolby, ważąc ją wraz
z gruntem, z dokładnością do 0,01 g. Następnie kolbę z zawartym w niej gruntem wypełnia
się do 2/3 objętości wodą destylowaną i gotuje jej zawartość na małym płomieniu przez pół
godziny, mieszając kilkakrotnie w czasie gotowania zawiesinę znajdującą się w kolbie.
Z kolei kolbę z zawiesiną gruntowo-wodną doprowadza się do temperatury otoczenia,
następnie dopełnia się wodą destylowaną do kreski na szyjce kolby i wstawia kolbę do
naczynia o pojemności około 2 litrów, wypełnionego wodą o temperaturze otoczenia.
Po upływie około 2 godzin mierzy się temperaturę wody w kolbie i naczyniu. Różnica
wskazań obu temperatur powinna być mniejsza od 0,5°C. Wówczas średnią arytmetyczną
obu temperatur przyjmuje się jako temperaturę, przy której ustalono objętość kolby oraz
masę kolby z wodą.
Następnie po osuszeniu ścian zewnętrznych kolby doprowadza się ponownie (za pomocą
pipety) poziom wody destylowanej do kreski na szyjce kolby i waży kolbę z zawartością z
dokładnością do 0,01 g. Po wykonaniu tych czynności należy za pomocą pipety odciągnąć
nieco wody z szyjki kolby i ponownie doprowadzić poziom wody do kreski, a następnie
ponownie zważyć kolbę z zawartością, z dokładnością do 0,01 g. Oba wyniki nie powinny
różnić się od siebie więcej niż 0,02 g. W przypadku większej różnicy należy badanie
powtarzać aż do otrzymania 2/3 wyników nie różniących się od siebie więcej niż 0,01 g.
Wszystkie czynności powinny być wykonywane tak szybko, aby podczas oznaczania nie
następowały zmiany temperatury w kolbie. Podczas wykonywania oznaczenia nie powinno
się dotykać gołą dłonią kolby.
Gęstość właściwą szkieletu gruntowego ρ
s
należy obliczyć według wzoru:
wg
t
g
wt
t
g
s
m
m
m
m
m
m
)
(
(2)
gdzie:
ρ
s
- gęstość właściwa szkieletu gruntowego [g/cm
3
],
m
g
- masa kolby i gruntu wysuszonego w temperaturze 105÷110°C [g],
m
wt
- masa kolby napełnionej do kreski wodą destylowaną w temperaturze, w której
oznaczono m
wg
[g],
m
wg
- masa kolby z gruntem i wodą wypełniającą kolbę do kreski [g],
m
t
- masa kolby wysuszonej przy temperaturze 105÷110°C [g].
Jeżeli wynik oznaczenia ρ
s
różni się od wartości podanych w Tabeli 1 o więcej niż
0,02 g/cm
3
- dla piasków gliniastych, glin i glin zwięzłych, 0,03 g/cm
3
- dla iłów, to należy
wykonać dwa oznaczenia dodatkowe, a jako wartość ostateczną przyjąć średnią
arytmetyczną dwu wartości nie różniących się od siebie więcej niż o 0,02 g/cm
3
.
Tabela 1
Orientacyjne wartości gęstości właściwej szkieletu gruntowego
3. WYZNACZANIE GĘSTOŚCI OBJĘTOŚCIOWEJ GRUNTU
Gęstość objętościowa gruntu jest to stosunek masy próbki gruntu do jej całkowitej
objętości
V
m
(3)
gdzie:
ρ - gęstość objętościowa gruntu [g/cm
3
],
m - masa próbki gruntu [g],
V - objętość próbki gruntu [cm
3
].
Gęstość objętościową w zależności od rodzaju gruntu i wielkości próbki oznacza się
laboratoryjnie za pomocą jednej z następujących metod:
a) w pierścieniu - bada się próbki gruntów spoistych o strukturze nienaruszonej,
b) w cylindrze - bada się próbki gruntów sypkich,
c) w wodzie - bada się próbki gruntów spoistych,
d) w rtęci - bada się próbki gruntów bardzo spoistych, także o małej objętości.
Ad. a) i b) Oznaczanie gęstości objętościowej za pomocą pierścienia i cylindra.
Badanie polega na równomiernym wciskaniu pierścienia lub cylindra (o określonej
objętości) w grunt o strukturze nienaruszonej oraz wilgotności naturalnej. W przypadku
braku próbki gruntu o strukturze nienaruszonej można w celu uzyskania wartości
orientacyjnych wypełnić pierścień w drodze ugniatania czy też zagęszczania gruntu o
strukturze naruszonej, lecz o wilgotności naturalnej. Następnie zważony pierścień wraz z
wypełniającym go gruntem wyjmujemy, oddzielamy (płaskim narzędziem) grunt
znajdujący się poza obrysem pierścienia i ważymy.
Gęstość objętościową gruntu p obliczamy według wzoru:
p
t
mt
V
m
m
(4)
gdzie:
ρ - gęstość objętościowa gruntu [g/cm
3
],
m
mt
- masa pierścienia (cylindra) wraz z gruntem [g],
m
t
- masa pierścienia (cylindra) [g],
V
p
- wewnętrzna objętość pierścienia (cylindra) [cm
3
].
Za wynik ostateczny należy przyjąć średnią arytmetyczną wartości uzyskanych z badania
obu próbek, jeśli różnica wyników nie przekracza 5% wartości średniej. W przypadku
większej różnicy, należy wykonać oznaczenie na dwóch dodatkowych próbkach i jako
wynik przyjąć średnią arytmetyczną trzech najmniej różniących się wartości z czterech
wykonanych oznaczeń.
Ad. c) Oznaczanie gęstości objętościowej gruntu metodą wyporu hydrostatycznego
wody.
Do oznaczenia gęstości objętościowej wycina się dwie próbki gruntu o objętości 20÷30cm,
bez naruszenia ich struktury naturalnej. Do każdej próbki przywiązuje się nitkę, a
następnie próbki waży się. Próbki powleka się cienką warstwą parafiny (przez zanurzenie
ich w ciekłej parafinie). Ewentualne pęcherzyki powstałe pod powłoką parafinową należy
przekłuć i wyrównać.
Waży się próbki pokryte parafiną, a następnie waży sieje przy całkowitym zanurzeniu w
wodzie (pomiar wykonuje się podwieszając pokrytą parafiną próbkę na nitce do szalki
wagi i zanurzając ją w zlewce z wodą, dla określenia jej masy pod wpływem wyporu
działającego na próbkę).
Gęstość objętościową gruntu p obliczamy według wzoru:
p
m
p
w
pw
p
m
m
m
m
m
m
(5)
gdzie:
ρ - gęstość objętościowa gruntu [g/cm
3
],
m
m
- masa próbki w stanie wilgotnym [g],
m
p
- masa próbki pokrytej parafiną [g],
m
pw
- masa próbki pokrytej parafiną i zanurzonej w wodzie [g],
ρ
p
- gęstość parafiny [g/cm
3
],
ρ
w
- gęstość wody [g/cm
3
].
Oznaczenie wyników ostatecznych analogicznie, jak w pkt. Ad. a) i b).
Ad. d) Oznaczenie gęstości objętościowej gruntu w rtęci.
Z gruntu o nienaruszonej strukturze przeznaczonego do badań należy bez naruszenia
naturalnej struktury wyciąć nożem dwie próbki gruntu o objętości po około 10 cm
3
i nadać
im kształt bryłek o gładkich powierzchniach. Naczynie pomiarowe ustawione na talerzu
należy całkowicie wypełnić rtęcią, nadmiar rtęci wycisnąć z naczynia przez przyłożenie
płytki z kółeczkami skierowanymi do wnętrza naczynia, a wypchniętą z naczynia rtęć
usunąć z talerza.
Następnie, przygotowane próbki gruntu należy oddzielnie zważyć i zanurzyć w rtęci,
wciskając je za pomocą płytki z kółeczkami. Rtęć wypchniętą podczas zanurzenia próbki
gruntu należy przenieść do zważonej parowniczki zgarniając dokładnie pędzelkiem, a
parowniczkę z rtęcią zważyć. Następnie należy próbkę wyjąć z naczynia pomiarowego i
ponownie zważyć dla sprawdzenia, czy rtęć nie dostała się w jej szczeliny (ewentualny
przyrost należy dodać do masy wypchniętej rtęci). Wszystkie wymienione wyżej
czynności należy wykonywać w warunkach zgodnych z odpowiednimi przepisami BHP.
Gęstość objętościową gruntu należy obliczyć według wzoru
r
h
m
m
m
(6)
gdzie:
ρ - gęstość objętościowa gruntu [g/cm
3
],
m
m
- masa próbki w stanie wilgotnym [g],
ρ
h
- gęstość właściwa rtęci przyjmowana w zależności od temperatury [g/cm
3
],
m
r
- masa rtęci wypchniętej przez grunt [g],
Oznaczenie wyników ostatecznych analogicznie, jak w pkt. Ad. a) i b).
4. OBLICZANIE GĘSTOŚCI OBJĘTOŚCIOWEJ SZKIELETU GRUNTOWEGO
Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego jest to stosunek masy szkieletu gruntu w
danej próbce do jej objętości całkowitej (objętość szkieletu gruntowego wraz z objętością
porów). Gęstości tej nie można wyznaczyć w badaniach bezpośrednich. Aby wyznaczyć tę
wielkość, należy określić gęstość objętościową gruntu i wilgotność naturalną tego gruntu.
Gęstość objętościową szkieletu gruntowego ρ
d
należy obliczyć według wzoru:
w
V
m
s
d
100
100
(7)
gdzie:
ρ
d
- gęstość objętościowa szkieletu gruntowego [g/cm
3
],
m
s
- masa szkieletu gruntowego [g],
V
p
- objętość próbki gruntu [cm
3
].
ρ - gęstość objętościowa gruntu [g/cm
3
],
w – wilgotność naturalna próbki gruntu [%].
5. WYZNACZANIE WILGOTNOŚCI NATURALNEJ GRUNTU
Wilgotność naturalna gruntu jest to stosunek masy wody zawartej w porach gruntu
w stanie naturalnym do masy jej szkieletu gruntowego, wyrażony w procentach
100
s
w
m
m
w
(8)
gdzie:
m
w
- masa wody zawartej w porach gruntu [g],
m
s
- masa szkieletu gruntowego [g],
Wilgotność wyznacza się laboratoryjnie metodą suszenia w temperaturze 105÷110°C.
Czas suszenia do stałej masy wynosi od kilku do kilkunastu godzin, w zależności od
rodzaju gruntu.
Do oznaczania wilgotności gruntu powinny być użyte dwie próbki o naturalnej
wilgotności NW. Masa próbki zależy od rodzaju gruntu:
- co najmniej 50 g - dla gruntów gruboziarnistych po wydzieleniu z nich ziaren większych
niż 25 mm,
- co najmniej 50 g - dla piasków i pyłów,
- co najmniej 30 g - dla pozostałych gruntów drobnoziarnistych.
Bezpośrednio po pobraniu obu próbek gruntu należy umieścić je w parowniczkach o
znanych masach m
t
zważyć grunt z parowniczką m
mt
a następnie poddać suszeniu w
temperaturze 105÷110°C do stałej masy. Po wysuszeniu należy ostudzić w eksykatorze
nad bezwodnym CaCl
2
i ponownie zważyć m
st
.
Jeżeli łączna masa badanej części gruntu wraz z parowniczką wynosi więcej nii 250 g,
lecz nie jest większa od 750 g, ważymy ją z dokładnością do 0,1 g, a gdy wynosi mniej niż
250 g - ważymy z dokładnością do 0,01 g.
Wilgotność gruntu w % należy obliczyć według wzoru
100
t
st
st
mt
m
m
m
m
w
(9)
gdzie:
m
mt
- masa wilgotnego gruntu z parowniczką [g],
m
st
- masa wysuszonego gruntu z parowniczką [g],
m
t
- masa parowniczki [g].
Sposób ustalenia wyników ostatecznych analogicznie, jak w pkt. Ad. a) i b).