Treść profesjonalna w archiwum: artykuł zawiera historyczny przegląd koncepcji, wzorów i procedur laboratoryjnych geotechnicznych. Nie jest to badanie geotechniczne, projekt nasypu, specyfikacja zagęszczenia, plan kontroli jakości ani substytut obecnej normy. Parametry gruntu, sprzęt, energię zagęszczania, kryteria akceptacji i bezpieczne metody pracy ustalane są przez uprawnionego inżyniera geotechnika i akredytowane laboratorium na podstawie konkretnego gruntu i obiektu.
Savo Kusić koncentruje się dziś na oknach drewnianych, oknach drewniano-aluminiowych, oknach na wymiar, drzwiach i zapytaniach ofertowych. Artykuł ten ma charakter archiwum technicznego i nie stanowi oferty projektowania geotechnicznego, badań ani wykonywania robót ziemnych.
Zagęszczanie luźnej gleby
Zagęszczenie luźnej gleby zależy od wielkości i kształtu cząstek stałych, a także od jej struktury. W przypadku gruntu niezwiązanego istnieją pewne granice, w których poruszają się wartości porowatości n i współczynnika porowatości e dla najrzadszej i najgęstszej struktury.
Jeśli niezwiązany materiał wysuszy się i powoli wleje do zlewki, tak aby podczas zalewania nie uległ zagęszczeniu, uzyskuje się jego najrzadszą strukturę. Struktura ta odpowiada współczynnikowi porowatości emax, którego wartość dla piasku w tekście oryginalnym mieści się w granicach:
emax = 0,7–1,0.
Jeśli ten sam materiał wlewa się do zlewki cienkimi warstwami i każdą warstwę ubija się drewnianym młotkiem aż do uzyskania stałej objętości, tj. do chwili, gdy przestanie osiadać pod wpływem ubijania, uzyskuje się jego najgęstszą strukturę. Odpowiada to współczynnikowi porowatości emin, którego wartość dla piasku wynosi:
emin = 0,45–0,65.
Zagęszczenie gruntu niezwiązanego wyraża się za pomocą zagęszczenia względnego ID, współczynnika pokazującego stopień zagęszczenia gruntu w odniesieniu do największego zagęszczenia:
gdzie e jest współczynnikiem porowatości gleby w naturalnym stanie zagęszczenia. Ostateczne wartości gęstości względnej wynoszą:
- dla najrzadszej struktury e = emax; ID = 0;
- dla najgęstszej struktury e = emin; ID = 1.
Kryterium zagęszczenia gleby piaszczystej według Terzaghiego w tekście oryginalnym brzmi:
- piasek słabo zagęszczony: ID = 0–1/3;
- piasek średnio zagęszczony: ID = 1/3–2/3;
- piasek gęsto zagęszczony: ID = 2/3–1.
W przypadku nasypów na drogach i nasypów tekst wymaga ID = 2/3–1.
Zamiast poprzedniej formy można zastosować stosunek objętości:
gdzie V to objętość niezakłóconej próbki gruntu, Vmax to objętość tej samej ilości gruntu w stanie najmniejszego zagęszczenia, a Vmin to objętość tej samej ilości gruntu w stanie maksymalnego zagęszczenia.
Granica zastosowania: klasyfikacje i terminy historyczne nie mogą być bezpośrednio przenoszone na projekt lub plac budowy. Rodzaj gleby, metoda pobierania próbek, stan próbki, obowiązująca norma i wymagania projektu mogą zmienić metodę i kryteria.
Zagęszczanie związanego gruntu
W przypadku gruntu związanego zagęszczenie zależy nie tylko od wielkości i kształtu składników stałych oraz ich struktury, ale także od spójności. Ze względu na spójność cząstki stałe sklejają się ze sobą, dlatego wyciśnięcie wody z porów podczas zagęszczania jest znacznie trudniejsze niż w przypadku gruntu niezwiązanego, którego cząstki poruszają się łatwiej pod obciążeniem.
Podczas zagęszczania związanej gleby ilość wody ma ogromne znaczenie. Poprzez ubijanie woda jest wypychana z porów i zmniejsza się grubość filmu wodnego; porowatość maleje, a wytrzymałość na ścinanie i gęstość nasypowa wzrastają. Im wyższa gęstość, tym więcej ciał stałych i mniej porów na jednostkę objętości. Wskaźnik ten przyjęto jako podstawę do oceny zagęszczenia związanego gruntu. Kontrola zagęszczenia w tekście odbywa się za pomocą suchego ciężaru objętościowego:
γd = Wd / V [N/cm3]
gdzie Wd to masa całkowicie wysuszonej próbki gleby w N, a V to objętość tej samej próbki w stanie zagęszczonym przed suszeniem, w cm3.
Proces Proctora
Próba Proctora służy do określenia zależności pomiędzy ilością wody w glebie a jej zagęszczeniem. Określa optymalną wilgotność, tj. wilgotność, przy której zagęszczony grunt daje maksymalną suchą masę objętościową przy danej energii zagęszczania.
Historycznie opisywany aparat Proctora (rysunek 1) składa się z metalowego cylindra o średnicy wewnętrznej Ø = 10 cm i wysokości 12 cm (rysunek 1_a_), przedłużenia cylindra o tej samej średnicy i wysokości 10 cm (rysunek 1_b_) i ubijak metalowy o średnicy 5 cm i masie 2,5 N, w cylindrycznej prowadnicy o nieco większej średnicy. Prowadnica jest otwarta na dolnym końcu i zamknięta na górnym końcu, z nieco szerszym otworem, przez który przechodzi uchwyt siłownika (rysunek 1_c_). Dolny koniec cylindra umieszcza się na większej metalowej płycie i mocuje podczas ubijania.
Próbkę suszy się zgodnie z pierwotną procedurą i przesiewa przez otwór sita 5 mm, aby uniknąć wpływu dużych ziaren. Następnie miesza się go z taką ilością wody, która nie może być zbyt duża, aby próbka stała się papkowata, ani tak mała, aby próbka nie mogła zostać przetworzona. Najpierw w cylindrze z nadstawką w stanie niezagęszczonym umieszcza się warstwę o wysokości około 8 cm i zagęszcza się równomiernie rozłożonymi na powierzchni przedmuchami 25. Uderzenie następuje poprzez swobodny spadek młotka z wysokości 30 cm. Nakładana jest nowa warstwa o grubości 8 cm, ubijana nowymi stemplami 25 i czynność powtarza się z trzecią warstwą. Po zakończeniu usuwa się przedłużenie, powierzchnię próbki wyrównuje się z krawędzią dolnego cylindra i usuwa się nadmiar gleby. Następnie pobiera się próbkę zagęszczonego gruntu i określa się jego gęstość nasypową w stanie suchym γd i wilgotność w.
Zdjęcie 1 — Eksperyment Proctora
Doświadczenie powtarza się 5 do 6 razy, zawsze ze świeżym, nietraktowanym materiałem z tej samej próbki, ale z inną ilością wody, w celu uzyskania różnych wartości dla γd i w. Wilgotność gleby w nanoszona jest na odciętą wykresu, a ciężar objętościowy suchej masy γd na rzędnej (rysunek 2). Połączone punkty tworzą krzywą pokazującą, że gęstość nasypowa suchej masy najpierw wzrasta wraz z wilgocią do maksimum, a następnie maleje. Wilgotność wopt odpowiadająca maksymalnej gęstości nasypowej suchej masy max γd nazywana jest wilgotnością optymalną. W tekście przyjęto, że przy tej wilgotności osiąga się największe zagęszczenie przy danej energii zagęszczania. Tak przeprowadzony test nazywany jest standardowym testem Proctora.
Rysunek 2 — Diagram Proctora.
Bezpieczeństwo i standard laboratorium: Wymiary aparatu, masa i spadek ubijaka, liczba warstw i uderzeń oraz przygotowanie próbki są przesyłanymi tutaj danymi historycznymi, a nie samodzielną instrukcją. Obowiązująca procedura musi definiować odpowiedni standard i plan laboratorium. Suszenie, przesiewanie i ubijanie niesie ze sobą ryzyko związane z kurzem, latającymi cząstkami, uszczypnięciem i obrażeniami w wyniku uderzenia; wymagany jest odpowiedni sprzęt, ochrona i przeszkolony operator.
Wpływ wielkości ziarna na 5 mm
W tekście oryginalnym stwierdza się, że ziarna większe niż 5 mm nie mają znaczącego wpływu, jeśli stanowią do 25% masy całkowitej. Jeżeli jest ich więcej niż 25%, należy uwzględnić ich wpływ obliczając suchą masę objętościową mieszanki metodą proporcjonalności lub zmodyfikowanym testem Proctora.
Obliczenia metodą proporcjonalności
Według tej metody suchy ciężar objętościowy mieszanki materiałów gruntowych γdm jest obliczany w oparciu o proporcjonalne przedstawienie ziaren powyżej i poniżej 5 mm:
gdzie jest:
- γd — sucha masa objętościowa materiału, który przeszedł przez sito otwierające 5 mm;
- γsc — ciężar objętościowy cząstek stałych pozostałych na otworze ekranu 5 mm;
- m — procent wagowy materiału pozostałego na otworze sita 5 mm w stosunku do całej masy.
Zmodyfikowany test Proctora
Zgodnie z doświadczeniami US Bureau of Reclamation cytowanymi w tekście oryginalnym, jeśli ziarna większe niż 5 mm stanowią więcej niż 1/3 do 2/3 całkowitej masy gruntu, badanie należy przeprowadzić na masie całkowitej. Ponieważ nie da się tego z powodzeniem wykonać w cylindrze o średnicy 10 cm, w tak zwanym zmodyfikowanym teście Proctora wykorzystuje się cylinder o większej średnicy. Tekst opisuje cylinder o średnicy 15,2 cm i wysokości 23,2 cm, w którym próbka 5,5 kp jest zagęszczana w trzech w przybliżeniu równych warstwach za pomocą mniejszych uderzeń 50, każdy o masie 4,53 kp i wysokości spadku 45,7 cm. Jeżeli próbka zawiera ziarna do 20 mm, badanie przeprowadza się na materiale nienaruszonym. Jeżeli zawiera ziarna większe niż 20 mm, ilość 5,5 kp próbki przesiewa się przez sito 20 mm, a resztę na sicie zastępuje się materiałem o wielkości 5–20 mm.
Oprócz opisanej w ten sposób procedury, w tekście każda metoda wykonania różniąca się od standardowej nazywana jest także zmodyfikowanym testem Proctora.
Energia zagęszczania
Energię zagęszczenia próbki w cylindrze Proctora można wyrazić równaniem, gdzie N to liczba uderzeń młotka, h wysokość młotka w m, W ciężar młotka w Mp (megapond) i V objętość próbki w m3.
Wraz ze wzrostem energii zagęszczania osiąga się większe zagęszczenie próbki, zmniejsza się jej porowatość, czyli ilość wody w glebie, a wzrasta masa objętościowa suchej masy. Dla energii zagęszczania E1, E2, E3 i E4 odpowiednie wykresy Proctora znajdują się na rysunku 3. Wszystkie wykresy asymptotycznie przybliżają wykres nasycenia, który nazywany jest także wykresem 0% porów powietrza, gdy wszystkie pory są wypełnione wodą, lub 5% porów powietrza, gdy pory 95% są wypełnione wodą.
Figure 3 — Diagramy Proctora dla różnych energii zagęszczania.
Wykres nasycenia można skonstruować, jeśli na odciętej zastosuje się w = wz = n / γs(1-n) oraz γd = γs(1-n) na rzędnej, gdzie n to porowatość gleby i γs to masa objętościowa cząstek stałych danej gleby. Wynika z tego, że energię zagęszczania można regulować w celu uzyskania pożądanego zagęszczenia. Aby kontrolować zagęszczenie gruntu naturalnego lub zagęszczonego nasypu, często przyjmuje się w tekście wskaźnik zagęszczenia Iz, stosunek suchej masy objętościowej danej gleby lub nasypu γd do masy objętościowej uzyskanej przez Proctora γp:
Iz = γd / γp.
Projektowanie i kontrola w terenie: sama krzywa laboratoryjna nie potwierdza jakości otrzymanej warstwy. W projekcie i planie kontroli należy uwzględnić pobieranie próbek, grubość warstwy, rodzaj i liczbę przejść maszyny, wilgotność, pomiary terenowe, nośność, drenaż, przyległe konstrukcje i instalacje podziemne. Nie zbliżaj się do obszaru pracy walca lub innych maszyn bez zorganizowanej sygnalizacji i kontroli dostępu.