Ważna uwaga dotycząca bezpieczeństwa: To jest profesjonalny tekst archiwalny, a nie aktualny podręcznik laboratoryjny lub terenowy. Opisane procedury obejmują rtęć, otwarty ogień, ogrzewanie, parafinę i inny sprzęt i materiały, które mogą być obecnie niebezpieczne lub niedopuszczalne. Nie należy ich stosować bez obowiązujących norm, oceny ryzyka, kart charakterystyki, odpowiedniego nadzoru laboratoryjnego i fachowego. Tekst nie stanowi części aktualnej oferty produktów i usług Savo Kusić.
Wyznaczanie ciężaru objętościowego gruntu
Istnieje kilka metod wyznaczania masy objętościowej gleby, z których opiszemy najczęściej stosowane: metoda cylindryczna, metoda z zanurzeniem próbki w wodzie, metoda z zanurzeniem próbki w rtęci oraz metoda z piaskiem.
Procedura z cylindrem
Ta procedura jest najpowszechniej stosowana i jest wykonywana w terenie i w laboratorium. Nakłada się go na związaną i niezwiązaną glebę.
Metalowy cylinder o znanej objętości, z zaostrzoną dolną krawędzią, wciska się w grunt lub w nienaruszoną lub sztucznie zagęszczoną próbkę, tak aby całkowicie wypełnił się masą gruntową. Następnie powierzchnię próbki wyrównuje się nożem górną i dolną krawędzią cylindra, natychmiast zamyka metalowymi pokrywami i waży na wadze.
Jeśli W to masa próbki z butlą i nasadkami, W0 to masa samej butli z nakrętkami, V to objętość cylindra
gęstość gleby γ wynosi:
γ = (W - WP)/V
Procedura polegająca na zanurzeniu próbki w wodzie
Procedura ta opiera się na właściwości fizycznej, że objętość ciała zanurzonego w wodzie jest równa objętości wypartej wody. Stosuje się go tylko w przypadku gruntów związanych, gdy nie można uzyskać próbki o regularnym kształcie geometrycznym.
Z nienaruszonej gleby lub z większej próbki pobiera się kawałek próbki w kształcie makaka i mierzy się na wadze jego masę W w stanie naturalnym. Następnie próbkę pokrywa się roztopioną parafiną, która nie może być zbyt gorąca, ale tylko na tyle, aby się stopiła. Cienka warstwa parafiny 1-2 mm powinna całkowicie pokryć całą próbkę. Następnie próbkę z parafiną waży się na wadze i uzyskuje masę W’. Masa parafiny wynosi W’ – W.
Objętość parafiny VP, obliczona z postaci: VP * γP = W’ – W,
gdzie γP jest znaną masą objętościową parafiny i wynosi γP = 0,892 p/cm3.
Z powyższego równania mamy: VP = (W’ – W)/0,892 [cm3].
Rys. 1. Wyznaczanie masy objętościowej gleby poprzez zanurzenie próbki w wodzie
Następnie owiniętą w parafinę próbkę zawiesza się na wadze przewiązanej cienką jedwabną nitką (rys. 1), wagę wyrównuje się, a następnie natychmiast pod próbkę wciąga się pojemnik z wodą destylowaną, tak aby cała próbka zanurzyła się w wodzie. Ponieważ pozorna utrata masy próbki w wodzie powoduje zaburzenie równowagi na wadze, należy ją przywrócić poprzez zdjęcie odważników, tak aby uzyskać masę próbki z parafiną zanurzoną w wodzie W. Różnica masy próbki z parafiną w stanie niezanurzonym i zanurzonym daje masę wypartej wody, czyli jeżeli masa objętościowa wody YW = 1,00, to objętość wypartej wody Vw
Od objętości Vw odejmujemy objętość parafiny VP i otrzymujemy objętość próbki.
Gęstość gleby wynosi: γ = W/(Vw – VP)*m
gdzie m jest współczynnikiem korygującym wynikającym z różnicy temperatur wody, ponieważ Y = 1,0 dla temperatury wody przy 4 °C: m = γw,T / γw,4oC.
Procedura z zanurzeniem próbki w rtęci
Procedurę tę stosuje się dla gruntów związanych, także w przypadkach, gdy konieczna jest rezygnacja z pobierania próbki o regularnym kształcie geometrycznym, co ma miejsce np. przy określaniu granic skurczu gruntu.
Rys. 2. Oznaczanie masy objętościowej gleby poprzez zanurzenie próbki w rtęci
Próbkę zanurza się w naczyniu całkowicie wypełnionym rtęcią (rys. 2) i za pomocą szklanej płytki z cienkimi metalowymi kolcami dociska się ją tak, aby całkowicie zanurzyła się w rtęci. Sprasowaną rtęć wlewa się do większego naczynia, skąd pobiera się i mierzy jej masę. Jeżeli W jest masą próbki, Wz jest masą wypartej rtęci, γz jest masą objętościową rtęci, Vz=V jest objętością wypartej rtęci równą objętości próbki;
Vz * γz = Wz * Vz = Wz/ γz
wtedy ciężar objętościowy gleby wynosi:
γ =W*γz /Wz.
Procedura piaskowania
Badanie to przeprowadza się w terenie i najczęściej stosuje się je do gruntów niezwiązanych, żwirów, piasku żwirowego, materiału morenowego oraz w innych przypadkach, gdy nie jest możliwe wydobycie nienaruszonych próbek za pomocą cylindrów. Zasada tej procedury polega na wykopaniu dołu w ziemi, a następnie wypełnieniu go zwykłym piaskiem o znanej masie objętościowej, na podstawie której określa się objętość otworu. Ciężar objętościowy gleby określa się na podstawie ciężaru wydobytej masy i objętości otworu.
Powierzchnię gleby, której ciężar objętościowy należy określić, wyrównuje się do poziomu, po czym kładzie się na niej blachę blaszaną o wymiarach około 40 x 40 cm (rys. 3) z szablonem wyciętym w środku średnicy Ø = 20 cm i grubości 5 mm, do kopania dziury w ziemi. Blachę kładzie się płasko na ziemi i mocuje za pomocą kołków. Za pomocą narzędzia ręcznego (nóż, szpatułka, łyżka, dłuto) wykopuje się otwór o średnicy 20 cm i głębokości około 20 cm przez otwór szablonu, najlepiej o ściankach pionowych, ale nie na zewnątrz szablonu i dobrze go oczyszcza. Cały urobek układa się na płycie, a następnie bezpośrednio po wykopaniu, gdy ma jeszcze naturalną wilgotność, waży się go na wadze i określa się jego masę W. W celu późniejszego określenia wilgotności naturalnej próbkę umieszcza się w blaszanym pudełku z pokrywką, a po zakończeniu prac w terenie należy ją przenieść do suszarni. Zaraz potem do wykopanego otworu wsypuje się suchy piasek normalny, którego masę objętościową γd określa się poprzez pomiar, tj. z wcześniej wykonanego badania laboratoryjnego, poprzez przesypywanie piasku przez ten sam lejek i z tej samej wysokości, h opada jak w próbie polowej.
Rys. 3. Wyznaczanie ciężaru objętościowego gleby za pomocą próby piasku
Przed rozpoczęciem badania należy zmierzyć masę zwykłego piasku w zlewce, następnie po wypełnieniu tym piaskiem otworu w ziemi do górnej powierzchni blachy blaszanej, która jest wypoziomowana stalową linijką o długości 40 cm, odmierzyć resztę piasku w zlewce, tak aby uzyskać dokładną masę Wd suchego piasku normalnego w otworze aż do górnej powierzchni blachy. Objętość Vd wykopanego otworu do górnej powierzchni blachy określa się na podstawie wzoru Vd = Wd/γd.
Objętość V otworu w ziemi oblicza się odejmując objętość v otworu szablonu blaszanego:
Masa objętościowa gleby γ wynosi: γ = W/V, gdzie W to masa wydobytej gleby z otworu zmierzona bezpośrednio po wykopaniu. Należy zauważyć, że zamiast piasku stosuje się tynk, olej lub zimny asfalt, które są mniej wrażliwe na deszczową pogodę. Dodatkowo dostępne są także specjalne urządzenia umożliwiające łatwiejszą i szybszą pracę na próbie z piaskiem.
Przybliżone wartości ciężarów objętościowych gleby podano w tabeli 1, z zastrzeżeniem, że w analizach geomechanicznych w każdym przypadku ciężar objętościowy gleby powinien być określony eksperymentalnie w laboratorium lub w terenie.
Oznaczanie wilgotności gleby
Badanie oznaczania wilgotności gleby przeprowadza się na kilka sposobów, a mianowicie metodą laboratoryjną z wykorzystaniem suszarki elektrycznej, metodami terenowymi z wykorzystaniem suszenia na otwartym ogniu, przy użyciu węglika, pomiarem pod wodą oraz przy użyciu piknometru powietrznego. Tutaj opiszemy tylko dwie pierwsze metody, które są najczęściej stosowane w naszym kraju.
Metoda laboratoryjna z wykorzystaniem suszarki elektrycznej
Ta metoda jest najbardziej niezawodna i najczęściej stosowana do wszystkich rodzajów gleby. Kawałek gleby z nienaruszonej próbki umieszcza się pomiędzy dwiema wklęsłymi szkiełkami, zwanymi klepsydrami, które mocuje się metalowym zaciskiem i wspólnie waży na wadze analitycznej, a następnie umieszcza w suszarce elektrycznej, gdzie jest suszony w temperaturze 105°C do uzyskania stałej masy (rys. 4). Różnica temperatur w czasie suszenia nie powinna być większa niż ±2°C, gdyż w niższej temperaturze nie następuje całkowite suszenie, a w wyższej mogą dojść do spalenia składników organicznych w próbce. Przybliżony czas suszenia próbki klepsydrą w suszarce wynosi około 6 godzin dla piasku i około 12 godzin dla gliny. Po wysuszeniu próbkę zamkniętą w klepsydrach z zaciskiem umieszcza się w eksykatorze do ostygnięcia do temperatury pokojowej, po czym dokonuje się ponownego pomiaru.
Rys. 4. Suszenie próbki w klepsydrach z zaciskiem
Jeśli W to masa próbki w stanie naturalnym z klepsydrą i zaciskiem, Ws masa próbki w stanie suchym z klepsydrą i zaciskiem, Wt masa klepsydry i zacisku, to wilgotność gleby w według definicji Atterberga to masa wody podzielona przez masę gleby w stanie suchym, czyli: w = W-Ws / Ws-Wt * 100 [%].
Oznaczanie porowatości gleby i współczynnika porowatości
Badanie wykonuje się na nienaruszonej próbce, pod warunkiem, że w stanie nienaruszonym można określić jej objętość.
W nienaruszony grunt lub w próbkę o większych wymiarach wciskamy metalowy cylinder o znanej objętości, wyrównujemy górną powierzchnię próbki z krawędziami cylindra i suszymy na 105°C do momentu, aż masa się ustabilizuje, następnie pozostawiamy do ostygnięcia do temperatury pokojowej i ponownie zważymy na wadze razem z butlą.
Jeśli V to wewnętrzna objętość cylindra, Vm to objętość nieporowatych ciał stałych gleby, Wd to sucha masa próbki, γs to objętość objętościowa cząstek stałych, porowatość gleby n wynosi
Objętość Vm określa się na podstawie suchej masy próbki Wd:
tj. procent całkowitej objętości gleby
Ponieważ γd = Wd/V, czyli sucha masa objętościowa gruntu, można wyliczyć
n = 100* (1 – γd/ γs) [%].
Współczynnik porowatości oblicza się ze wzoru e = n/(1-n).
Przy projektowaniu, kontroli jakości lub wykonywaniu robót należy stosować aktualne przepisy, znormalizowane metody badawcze i autoryzowane laboratorium. Tekst ten zachował się jako historyczny zasób edukacyjny.