P O L I T E C H N I K A G D A Ń S K A
W y d zi a ł I n ży n i e r i i Lą d ow e j i Ś r od ow i s ka
Katedra Geotechniki, Geologii i Budownictwa Morskiego
80-233 Gdań sk, u l. G. Nar utowi cza 11/12
7.
Oznaczenie wilgotności optymalnej (w
opt
).
Wilgotność optymalna (w
opt
) jest to wilgotność gruntu, przy której jest możliwe uzyskanie
maksymalnego zagęszczenia tego gruntu, czyli uzyskanie maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu
gruntowego (
ρ
ds
).
Parametry w
opt
i
ρ
ds
są w praktyce bardzo przydatne przy wykonawstwie różnego rodzaju budowli
ziemnych: nasypów, wałów, wymian gruntów, podsypek, zasypek, podbudów itp. Zagęszczenie gruntu
w tego typu konstrukcjach określa się przez wskaźnik zagęszczenia:
ds
dn
s
I
ρ
ρ
=
gdzie:
ρ
dn
– gęstość objętościowa szkieletu gruntowego gruntu wbudowanego (tzw. naturalna),
ρ
ds
– maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntowego otrzymana przy w
opt
w badaniu
laboratoryjnym.
7.1
Metody oznaczania wilgotności optymalnej.
W zależności od wielkości ziaren badanego gruntu i programu badań należy wybrać jedną z czterech
metod, które przedstawia tablica 1.
Tab. 1. Metody oznaczania wilgotno
ś
ci optymalnej.
Metoda
Cylinder
liczba
warstw
liczba
uderzeń
ubijaka na
1 warstwę
Ubijak
Wysokość
opuszczania
[mm]
Jednostkowa
praca
zagęszczania
[J/cm
3
]
I
Mały
3
25
lekki
320±1
0,59
II
Duży
3
55
lekki
320±1
0,59
III
Mały
5
25
ciężki
480±1
2,65
IV
Duży
5
55
ciężki
480±1
2,65
7.2
Sprzęt do badania.
a)
Dwa cylindry stalowe, mały i duży (rys.1.) o wymiarach jak w tablicy 2.
1
– cylinder
2
– nasadka
3
– zamek łączący nasadkę z cylindrem
4
– podstawa
5
– śruba łącząca cylinder z podstawą
Rys. 1. Schemat budowy cylindra.
Dw
Dz
h
h
n
3
5
2
1
4
2
Tab. 2. Wymiary dla cylindrów.
Typ cylindra
Objętość
Ś
rednica
Wysokość
h = h
n
D
z
D
w
[dm
3
]
[mm]
[mm]
Mały
1 ± 0,003
112,8 ± 0,2
120 ± 0,5
100 ± 0,2
Duży
2,2 ± 0,006
152,4 ± 0,2
162 ± 0,5
120,6 ± 0,2
b)
Dwa ubijaki stalowe, lekki i ciężki (rys. 2.) o wymiarach jak w tablicy 3.
1
– ubijak (młot)
3
– pręt prowadzący
5
– ogranicznik wysokości spadu
2
– tzw. szklanka
4
– śruba ogranicznika wysokości spadu
Rys. 2. Schemat budowy ubijaka typu r
ę
cznego.
Tab. 3. Wymiary dla ubijaków
Typ ubijaka
Masa ubijaka
Wysokość
opuszczania
Hu
Ś
rednica
du
Typ cylindra
stosowanego
przy oznaczeniu
[kg]
[mm]
[mm]
Lekki
2,5 ± 0,005
320 ± 1
50,8 ± 0,2
Mały
76,8 ± 0,2
Duży
Ciężki
4,5 ± 0,005
480 ± 1
50,8 ± 0,2
Mały
76,8 ± 0,2
Duży
c)
Sita o boku oczka kwadratowego 6 i 10 mm.
d)
Waga o dokładności nie mniejszej niż 1 g.
e)
Przyrządy do oznaczania wilgotności.
f)
Linia stalowa z ostrą krawędzią lub duży nóż.
Ogólnie, sprzęt do badania wilgotności optymalnej nazywa się aparatem Proctora.
Obecnie powszechnie stosowane są automatyczne aparaty Proctora o napędzie elektrycznym.
7.3
Przygotowanie gruntu do badań.
Masa próbki gruntu w stanie powietrzno suchym potrzebna do badania powinna wynosić 2,5 ÷ 3 kg na
1 dm
3
objętości cylindra użytego do oznaczenia. Do badania należy pobrać trzy próbki gruntu
i wysuszyć je do stanu powietrzno suchego. Następnie grunt trzeba rozdrobnić i przesiać przez sito
6 mm gdy do badania stosujemy cylinder mały, lub 10 mm gdy do badania stosujemy cylinder duży.
Pozostałość na sicie ważymy i oznaczamy jej procentową zawartość w próbce x. Do przesianej części
materiału należy dodać wodę destylowaną w ilości 60 cm
3
dla gruntów sypkich, lub 100 ÷ 150 cm
3
dla
gruntów spoistych na 1 dm
3
objętości użytego cylindra. Następnie należy próbkę dokładnie wymieszać
i w szczelnie zamkniętym naczyniu pozostawić na 15 h.
7.4
Wykonanie badania.
W zależności od przyjętej metody badania należy ubijać próbkę stosując liczbę uderzeń i liczbę
układanych warstw jak w tablicy 1. Po ułożeniu drugiej warstwy w przypadku metody I i II lub czwartej
warstwy dla metod III i IV należy nałożyć nasadkę. Na wykonanie każdej warstwy należy wykorzystać
taką ilość gruntu, aby po ubiciu ostatniej warstwy grunt wystawał nie więcej niż 10 mm ponad górną
krawędź cylindra. Każdą kolejną warstwę po zagęszczeniu należy wyrównać, ugnieść i zdrapać jej
powierzchnię ostrzem noża. Po zagęszczeniu ostatniej warstwy, nadmiar gruntu należy ściąć nożem lub
stalową linią, prowadząc cięcie od środka ku krawędziom cylindra. Następnie należy zważyć grunt
z cylindrem (m
mt
) i oznaczyć gęstość objętościową gruntu (
ρ
). Po wyjęciu gruntu z cylindra należy
oznaczyć jego średnią wilgotność pobierając grunt z 10 miejsc w cylindrze. Masa gruntu do badania
wilgotności powinna być zgodna z pkt. 2.1. Na podstawie wartości
ρ
, w i
ρ
s
oblicza się gęstość
objętościową szkieletu gruntowego
ρ
d
. Pozostały grunt należy wydobyć z cylindra, rozdrobnić i dodać
d
u
Hu
2
3
5
4
1
3
do niego tyle wody, aby wilgotność wzrosła o 1-2 %. Następnie należy powtórzyć czynności
zagęszczania. Kolejne cykle zwiększania wilgotności i ubijania należy powtarzać do momentu, aż masa
gruntu z cylindrem (m
mt
) zacznie spadać. Tę samą próbkę gruntu można zagęszczać nie więcej niż
pięciokrotnie. Gdy z gruntu wycieka grawitacyjnie woda lub woda pokrywa powierzchnię gruntu
w cylindrze nie należy przeprowadzać badania.
7.5
Wyniki badań.
Sposób analizy wyników badania wilgotności optymalnej metodą Proctora przedstawiono w schemacie
blokowym poniżej.:
Rys. 3. Wykres zale
ż
no
ś
ci
ρρρρ
d
od w.
Dane:
w – wilgotność gruntu w kolejnym
badaniu [%]
ρ
s
– gęstość właściwa szkieletu
gruntowego [g/cm
3
]
ρ
d
– gęstość objętościowa szkieletu
gruntowego w kolejnym badaniu [g/cm
3
]
x– stosunek masy usuniętych grubszych
ziaren do masy całej próbki [%]
Sporządzamy wykres
ρ
d
w zależności od w (patrz Rys. 3)
Jako w’
opt
przyjmujemy wilgotność odpowiadającą
maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu
gruntowego
ρ
'
ds.
(patrz Rys. 3)
jeśli
5% < x < 25%
jeśli
x ≤ 5%
opt
opt
w
x
w
'
)
1
(
⋅
−
=
)
'
(
'
ds
s
s
ds
s
ds
x
ρ
ρ
ρ
ρ
ρ
ρ
−
⋅
−
⋅
=
opt
opt
w
w
'
=
ds
ds
'
ρ
ρ
=
0
2
4
6
8
10
12
14
1,65
1,70
1,75
1,80
1,85
1,90
1,95
2,00
2,05
wilgotno
ść
w, %
g
ę
s
to
ś
ć
o
b
j
ę
to
ś
c
io
w
a
s
z
k
ie
le
tu
g
ru
n
to
w
e
g
o
ρ
d
,
g
/c
m
3
w'
opt
ρ
'
ds