CECHY FIZYCZNE GRUNTÓW Ośrodek gruntowy składa się z

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, CO2).
Objętość poszczególnych składników przedstawiono na rysunku 1. Zgodnie z nim można
przedstawić następujące zależności:
Rys. 1. Schemat układu objętości poszczególnych składników w próbce gruntu.
V = Vs + Vw + Va = Vs + Vp
mm = ms + mw
gdzie:
V - objętość gruntu,
Vs - objętość szkieletu gruntowego,
Vw - objętość wody,
Va - objętość gazu,
Vp = Vw + Va - objętość porów,
mm - masa gruntu wilgotnego,
ms - masa szkieletu gruntowego,
mw - masa wody.
1
Gęstość właściwa gruntu, ρs
Stosunek masy suchego szkieletu gruntowego do jego objętości (bez porów).
ρs =
ms
[g⋅cm-3]
Vs
Większość gruntów mineralnych posiada gęstość właściwą w granicach 2,65÷2,78 g⋅cm-3.
Gęstość objętościowa gruntu, ρ
Stosunek masy próbki gruntu do jej objętości (łącznie z porami)
ρ=
mm
[g⋅cm-3]
V
gdzie;
mm - masa próbki gruntu, g,
V - objętość próbki, cm3.
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 ρ = 1,50÷2,10 g⋅cm-3, a gruntów spoistych maleje ze wzrostem wilgotności i
wynosi ρ = 2,25÷1,70 g⋅cm-3). Gęstość objętościowa gruntów organicznych (namułów i torfów) wynosi
około ρ = 0,80÷1,60 g⋅cm-3.
Ciężar objętościowa gruntu, γ
γ = ρ ⋅ g [kN⋅m-3]
gdzie:
ρ - gęstość objętościowa, t⋅m-3,
g - przyspieszenie ziemskie, 9,81 m⋅s-2.
2
Wilgotność gruntu, w
Stosunek masy wody zawartej w porach gruntu do masy szkieletu gruntowego, w procentach:
w=
m − ms
mw
⋅ 100 = m
⋅ 100 [%]
ms
ms
gdzie:
mm - masa próbki gruntu wilgotnego, g,
ms - masa próbki gruntu wysuszonej w temperaturze 105-110°C, g,
mw - masa wody w porach gruntu, g.
Tabela 4.1. Orientacyjne wartości wilgotności naturalnej gruntów wn.
Nazwa gruntów
Wn, [%]
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, ρd
Stosunek masy szkieletu gruntowego w danej próbce do jej objętości (razem z porami):
ρd =
ms
100 ⋅ ρ
=
[g⋅cm-3]
V
100 + w
gdzie:
ms - masa próbki gruntu wysuszonej w temperaturze 105-110°C, g,
V - objętość próbki gruntu przed wysuszeniem, cm3,
ρ - gęstość objętościowa gruntu, g⋅cm-3,
w - wilgotność gruntu, %.
3
Porowatość, n
Stosunek objętości porów w danej próbce gruntu do jej całkowitej objętości (szkieletu i porów),
czyli
n=
Vp
V
[-]
gdzie:
Vp - objętość porów w próbce, cm3,
V - objętość całkowita próbki (szkieletu gruntowego i porów), cm3.
W praktyce do obliczenia porowatości konieczne jest wcześniejsze oznaczenie gęstości właściwej gruntu
ρs i gęstości objętościowej szkieletu gruntowego ρd:
n=
Vp
V
=
V − Vs
m
ρ
ρ − ρd
[-]
= 1− s = 1− d = s
V
Vρ s
ρs
ρs
gdzie
ρs - gęstość właściwa gruntu, g⋅cm-3,
ρd - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego, g⋅cm-3.
Znając porowatość gruntu, możemy określić zależność między gęstością objętościową szkieletu
gruntowego a gęstością właściwą gruntu:
ρ d = (1 − n )ρ s
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.
4
Wskaźnik porowatości, e
Stosunek objętości porów Vp w gruncie do objętości szkieletu gruntowego Vs.
Znając porowatość gruntu n lub gęstość właściwą gruntu ρs i gęstość objętościową szkieletu
gruntowego ρd, można obliczyć wskaźnik porowatości e:
Vp
e=
Vp
Vs
=
Vp
=
V − Vp
e=
Vp
Vs
=
V = n [-]
Vp 1 − n
1−
V
ρs − ρd
[-]
ρd
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, Sr
Stosunek objętości wody w porach gruntu do objętości porów.
Sr =
Vw
[-]
Vp
gdzie:
Vw - objętość wody wypełniającej pory gruntu, cm3,
Vp - objętość porów, cm3.
Sr =
Vw
wρs
w
=
=
[-]
Vp 100eρ s w r
gdzie:
w - wilgotność gruntu, %,
ps - gęstość właściwa gruntu, g⋅cm-3,
e - wskaźnik porowatości gruntu w stanie naturalnym,
pw - gęstość wody (pw = 1,0 g⋅cm-3),
eρ
w r = w 100% - wilgotność całkowita (wtedy Sr = 1,0).
ρs
W zależności od stopnia wilgotności Sr rozróżnia się następujące stany zawilgocenia gruntów
niespoistych:
suchy, Sr = 0,
mało wilgotny, 0 < Sr < 0,4,
wilgotny, 0,4 < Sr< 0,8,
nawodniony, 0,8 < Sr< 1,0.
5