Wprowadzenie
Zagęszczanie gleb jest procedurą, w której gleba wytrzymuje naprężenia mechaniczne i ulega zagęszczeniu. Gleba składa się z cząstek stałych i pustych przestrzeni wypełnionych wodą lub/i powietrzem. Bardziej szczegółowe wyjaśnienie trójfazowego charakteru gruntów przedstawiono w artykule Gleba jako układ trójfazowy. Pod wpływem naprężeń cząstki gruntu są ponownie rozmieszczane w masie glebowej, a objętość pustych przestrzeni zmniejsza się, co prowadzi do zagęszczenia. Naprężenia mechaniczne mogą być stosowane poprzez ugniatanie, metody dynamiczne lub statyczne. Stopień zagęszczenia określa się ilościowo poprzez pomiar zmiany suchego ciężaru jednostkowego gruntu γd.
W ramach zastosowań inżynierskich, zagęszczanie jest szczególnie przydatne, ponieważ powoduje:
- Zwiększenie wytrzymałości gruntów
- Zmniejszenie ściśliwości gruntów
- Zmniejszenie przepuszczalności gruntów
Czynniki te są kluczowe w konstrukcjach i zastosowaniach inżynierskich, takich jak zapory ziemne, nasypy, podparcie chodników lub podparcie fundamentów.
Stopień zagęszczenia zależy od właściwości gruntu, rodzaju i ilości energii dostarczonej w procesie zagęszczania oraz zawartości wody w gruncie. Dla każdego gruntu istnieje optymalna ilość wilgoci, przy której może on ulec maksymalnemu zagęszczeniu. Innymi słowy, przy danym wysiłku zagęszczania, grunt osiąga swój maksymalny suchy ciężar jednostkowy (γd,max) przy optymalnej zawartości wody (wopt).
Ściśliwość względnie suchego gruntu wzrasta wraz z ilością dodawanej do niego wody. Oznacza to, że przy zawartości wody na poziomie optymalnym (wopt) woda działa jak smar, umożliwiając cząstkom gruntu ślizganie się względem siebie, co prowadzi do zagęszczenia układu. Po przekroczeniu pewnego poziomu zawartości wody (wilgotność optymalna, w>wopt), nadmiar wody w glebie powoduje wzrost ciśnienia wody porowej, co powoduje rozsuwanie się cząstek gleby. Typową korelację pomiędzy suchym ciężarem jednostkowym a zawartością wody przedstawiono na rysunku 1. Warto również zwrócić uwagę na fakt, że jak wynika z rysunku 2, dla danego gruntu największą wytrzymałość uzyskuje się właśnie na sucho od optimum (rys. 2a), natomiast najmniejszą przewodność hydrauliczną uzyskuje się właśnie na mokro od optimum (rys. 2b). Wpływ siły zagęszczania na maksymalny ciężar jednostkowy w stanie suchym (γd,max) oraz optymalny poziom zawartości wody (wopt) można zaobserwować na rysunku 4. Wraz ze wzrostem siły zagęszczania wzrasta γd,max, natomiast wopt maleje. Oznacza to, że mniejszy poziom zawartości wody wystarcza do nasycenia gęstszej próbki.
Rysunek 1: Wpływ zawartości wody na suchy ciężar jednostkowy podczas zagęszczania gruntu
Rysunek 2: Wpływ zawartości wody na a) wytrzymałość gruntu, oraz b) przewodność hydrauliczną
Badanie zagęszczenia metodą Proctora
Najczęściej stosowanym badaniem laboratoryjnym do zagęszczania gruntów jest badanie zagęszczenia metodą Proctora.
Próba Proctora została wynaleziona w latach 30-tych XX wieku przez R.R. Proctora, inżyniera terenowego Biura Wodociągów i Zaopatrzenia w Los Angeles w Kalifornii. Metoda ta, symulująca procesy zagęszczania in-situ wykonywane podczas budowy zapór ziemnych lub nasypów, jest najbardziej rozpowszechnioną próbą laboratoryjną wykonywaną w celu określenia ściśliwości gruntu.Rodzaj zagęszczania oraz energia dostarczana do danej objętości gruntu są standardowe, dlatego też próba skupia się na zmianie wilgotności próbki w celu określenia optymalnej zawartości wody (wopt).
Standardowa próba Proctora obejmuje cylindryczną formę o pojemności 0,95 litra, w której umieszcza się masę gruntową i zagęszcza ją w 3 warstwach. Każda warstwa jest zagęszczana przez 25-krotne zrzucenie 2,5-kilogramowego ciężaru spadającego z wysokości 30 cm.
Zmodyfikowana wersja badania została wprowadzona po II wojnie światowej, w latach 50-tych, kiedy to ciężki sprzęt mógł powodować większe zagęszczenie. W nowym podejściu forma cylindryczna pozostaje taka sama, jednak ciężar zrzutu zwiększono do 4,5 kg, a wysokość zrzutu do 45 centymetrów. Dodatkowo, grunt zagęszczany jest w 5 warstwach po 25 uderzeń na warstwę.
Badanie przeprowadza się dla 5 wilgotności w celu uzyskania optymalnej zawartości wody (wopt), dla której wartość suchego ciężaru jednostkowego jest maksymalna (γd,max).
Sprzęt badawczy
Sprzęt wykorzystywany do przeprowadzenia badań obejmuje:
- Formę cylindryczną do zagęszczania o średnicy 10 cm wyposażoną w podstawę i kołnierz
- Ubijaczkę o masie 2,5 kg lub 4,5 kg w zależności od tego, czy przeprowadzana jest próba standardowa czy zmodyfikowana
- Sito nr 4. Sito
- Prostak stalowy
- Pojemniki na wilgoć
- Cylinder z podziałką
- Mieszarka
- Piec kontrolowany
- Taca metalowa i czerpak
Typowe cylindryczne formy do zagęszczania i ubijaki przedstawiono na rysunku 3.
Rysunek 3: Formy i ubijaki Proctora (ASTM/AASHTO) według Grupy Kontrolnej (więcej informacji znajdziesz tutaj)
Procedura badania
Procedura badania zagęszczenia metodą Proctora składa się z następujących etapów:
- Uzyskać około 3 kg gruntu.
- Przesiać grunt przez sito nr 4.
- Zważyć masę gruntu i formę bez kołnierza (Wm).
- Umieścić grunt w mieszarce i stopniowo dodawać wodę do osiągnięcia żądanej wilgotności (w).
- Nałożyć smar na kołnierz.
- Wyjąć grunt z mieszarki i umieścić go w formie w 3 lub 5 warstwach w zależności od zastosowanej metody (Proctor Standard lub Proctor Modified). Dla każdej warstwy należy rozpocząć proces zagęszczania, wykonując 25 uderzeń na warstwę. Obsypki wykonuje się ręcznie lub mechanicznie w stałym tempie. Masa gruntu powinna wypełnić formę i sięgać do kołnierza, ale nie więcej niż ~1 centymetr.
- Ostrożnie zdjąć kołnierz i przyciąć grunt wystający ponad formę za pomocą zaostrzonego prostego ostrza.
- Zważyć formę i zawierający ją grunt (W).
- Wytłoczyć grunt z formy za pomocą metalowej wytłaczarki, upewniając się, że wytłaczarka i forma znajdują się w jednej linii.
- Pomiar zawartości wody z górnej, środkowej i dolnej części próbki.
- Ponownie umieścić glebę w mieszalniku i dodać wody, aby uzyskać wyższą zawartość wody, w.
Obliczenia
Pierwsza, zawartość wody zagęszczania (w) próbki gleby jest obliczana przy użyciu średniej z trzech uzyskanych pomiarów (górna, środkowa i dolna część masy gleby).
Następnie oblicza się suchy ciężar jednostkowy (γd) w następujący sposób:
gdzie: W = masa formy i masa gleby (kg)
Wm = masa formy (kg)
w = zawartość wody w glebie (%)
V = objętość formy (m3, typowo 0,033m3)
Powyższą procedurę należy powtórzyć jeszcze 4 razy, biorąc pod uwagę, że wybrane zawartości wody będą zarówno niższe, jak i wyższe od optymalnej. Idealnie byłoby, gdyby wybrane punkty były dobrze rozłożone, a 1-2 z nich znajdowały się w pobliżu wilgotności optymalnej.
Wyznaczone suche masy jednostkowe wraz z odpowiadającymi im zawartościami wody nanosi się na wykres wraz z krzywą zero-voids, czyli linią obrazującą korelację suchego ciężaru jednostkowego z zawartością wody przy założeniu, że gleba jest w 100% nasycona. Bez względu na ilość energii dostarczonej do próbki nie jest możliwe zagęszczenie jej poza tą krzywą. Krzywą zerowych pustek oblicza się w następujący sposób:
gdzie: GS = ciężar właściwy cząstek gruntu (typowo, GS~2,70)
γW = nasycony ciężar jednostkowy gruntu (kN/m3)
Typowe krzywe uzyskane z badań Proctora Standardowego i Modyfikowanego oraz krzywą zerowych pustek powietrznych przedstawiono na rysunku 4.
Rysunek 4: Typowe krzywe uzyskane w badaniach Proctora Standardowego i Zmodyfikowanego. Pokazano również krzywą zerową pustki powietrznej