Politechnika Łódzka Katedra Geotechniki i Budowli Inżynierskich

Badanie gruntów według PN-EN ISO 14688:2006 „Oznaczanie i klasyfikowanie gruntów.

Część 1: Oznaczanie i opis. Część 2: Zasady klasyfikowania”

Podstawą opisu gruntów według PN-EN ISO 14688:2006 są wyniki analizy makroskopowej, czyli oceny pewnych cech gruntów poprzez badanie, w którym przede wszystkim wykorzystuje się podstawowe zmysły człowieka: wzrok, dotyk, węch itd. Pomocniczo można korzystać również z prostych przyrządów takich jak papier milimetrowy, lupka (najlepiej z podziałką), ale również bardziej specjalistycznych, np. wzorzec barw gruntów i 10% HCl.

Opisowi podlega szereg cech gruntu, które w efekcie pozwalają na wstępną ocenę zachowania tego gruntu jako elementu podłoża budowli. Badania makroskopowe wykonuje się zarówno w terenie, podczas prac polowych mających na celu zbadanie podłoża, jak również w laboratorium, gdzie wykonuje się przede wszystkim oznaczenia ilościowe podstawowych cech gruntów. Badania najlepiej wykonywać w określonej kolejności, np. według schematu przedstawionego na rys. nr 1. Podane niżej kroki odpowiadają tej kolejności. Krok 1 – pochodzenie gruntu

Należy ustalić, czy grunt powstał w wyniku naturalnych procesów geologicznych (grunt naturalny, rodzimy), czy też został wytworzony w wyniku działalności człowieka (grunt antropogeniczny, nasypowy). Grunty antropogeniczne (symbol Mg – made ground) mogą być zbudowane z materiału naturalnego (gruntów mineralnych), np. różnego rodzaju nasypy drogowe czy kolejowe, zapory ziemne, wały przeciwpowodziowe itp., lub z materiału sztucznego, np. z odpadów poprodukcyjnych typu żużle i popioły, osady poflotacyjne. Czasami ustalenie czy mamy do czynienia z gruntem naturalnym czy antropogenicznym jest trudne. Zwykle na pochodzenie antropogeniczne wskazują domieszki, które nie są składnikami gruntów naturalnych, takie jak gruz, śmieci itp. lub nienaturalna struktura gruntu, np. występowanie w masie piaszczystej grudek gliniastych Krok 2 – określenie czy grunt należy do gruntów organicznych, czy mineralnych Grunty mineralne są zbudowane z ziarn i cząstek mineralnych, pochodzących z rozdrobnienia skał, np. piaski składają się głównie z ziarn kwarcu (SiO2) itp. W skład gruntów organicznych oprócz cząstek mineralnych wchodzą również cząstki organiczne pochodzące głównie z rozpadu obumierających roślin. Obecność substancji organicznej można poznać najczęściej po czarnej, ciemnoszarej lub ciemnobrunatnej barwie i charakterystycznym zapachu gnilno-pleśniowym. Intensywność zapachu może się nasilać po podgrzaniu próbki. Często gołym okiem są widoczne szczątki roślin. Po wysuszeniu posiadają wyraźnie niższą gęstość niż grunty mineralne. Po wymieszaniu z wodą najczęściej barwią ją na brunatny kolor. Wśród gruntów organicznych w zależności od genezy i zawartości części organicznych wyróżniamy: grunty próchniczne, namuły, gytie i torfy. Sposoby oznaczania i opisu gruntów organicznych są podane w punktach 5.11 i 5.12 normy.

2

3

Krok 3 – wydzielenie gruntów pochodzenia wulkanicznego Grunty takie praktycznie na terenie Polski nie występują. Rozpoznaje się je głównie po niskiej gęstości (nie należy ich mylić z gruntami organicznymi, które również charakteryzują się tą cechą). Krok 4 i 5 – wydzielenie gruntów bardzo gruboziarnistych Określenie rozmiarów ziarn gruntu jest podstawą do dalszego podziału gruntów mineralnych. Pod względem uziarnienia wyróżnia się grunty: bardzo gruboziarniste, gruboziarniste i drobnoziarniste. Podział taki jest związany z ustaleniem frakcji według tablicy 1 (załącznik). Według tego podziału gruntami podstawowymi są grunty o jednolitym uziarnieniu (tj. składające się z ziarn tylko jednej frakcji) np. żwir Gr , piasek drobny FSa, pył gruby CSi itp. Pierwsza litera skrótu (symbolu) frakcji gruntu jest pisana zawsze dużą literą. Opis uziarnienia gruntu należy rozpocząć od wydzielenia frakcji najgrubszych (głazów i głazików), powyżej 63 mm (oczywiście postępujemy tak wtedy, gdy takie kamienie występują w badanej próbie). Jeżeli ich łączna masa przekracza 50 % masy całej próby gruntu oznacza to, że mamy do czynienia we frakcji głównej z gruntem bardzo gruboziarnistym: LBo, Bo lub Co. Krok 6 – wydzielenie gruntów gruboziarnistych (sypkich) i drobnoziarnistych (spoistych) Kryterium wydzielenia gruntów gruboziarnistych i drobnoziarnistych jest ich podatność do zlepiania się w grudki w stanie wilgotnym. Zlepiają się grunty drobnoziarniste (pyły i iły), nie zlepiają się grunty gruboziarniste (piaski i żwiry). Krok 7 – wydzielenie piasków i żwirów Jeżeli badany grunt nie zlepia się w stanie wilgotnym, czyli jest gruntem gruboziarnistym, należy dokonać dalszego podziału na piaski i żwiry. W gruntach gruboziarnistych w większości przypadków poszczególne ziarna są widoczne gołym okiem. Jeżeli stwierdzamy, że ponad 50 % ziarn jest większych niż 2 mm (d50 > 2 mm) to mamy do czynienia ze żwirem Gr . Jeżeli jest przeciwnie (d50 ≤ 2 mm), oznacza to, że badanym gruntem jest piasek Sa. W obrębie żwirów dokonujemy dalszego podziału na: żwir gruby CGr, żwir średni MGr i żwir drobny FGr . Podobnie postępujemy z piaskami, wydzielając: piasek gruby Csa, piasek średni MSa, i piasek drobny FSa. Krok 8 – wydzielenie pyłów i iłów Grunty drobnoziarniste - pyły i iły - w stanie wilgotnym zlepiają się i tworzą grudki odkształcające się plastycznie. W gruntach tych cząstek frakcji głównych nie można dostrzec gołym okiem. Mogą również występować w nich domieszki frakcji grubszych. W zależności od wzajemnych proporcji składników frakcji głównych i drugorzędnych można tu, oprócz podstawowych: pyłów Si i iłów Cl, wyróżnić szereg gruntów o składzie mieszanym, np. pył piaszczysty, ił piaszczysty, ił pylasty itp. Szczegółową klasyfikację gruntów drobnoziarnistych dokonuje się na podstawie wzrokowej oceny plastyczności gruntu oraz zawartości piasku, pyłu i iłu, opisanej w dalszych krokach. Krok 9 i 18 – opis gruntów nasypowych Jeżeli nasyp zbudowany jest z gruntu naturalnego opisuje się go według tych samych zasad jak inne grunty naturalne. Gdy do jego budowy użyto materiały innego pochodzenia należy opisać proporcje, cechy i rodzaj poszczególnych składników. W obu przypadkach należy ustalić, czy mamy do czynienia z nasypem kontrolowanym, czyli wykonanym z odpowiednim zagęszczeniem czy jest to nasyp niekontrolowany będący przypadkowym składowiskiem zgromadzonego materiału.

4

Krok 10 – określenie frakcji drugorz ędnych i domieszek, zawartości piasku, pyłu i iłu oraz zawartości węglanów w gruntach Frakcją główną nazywamy tą frakcję, która określa właściwości inżynierskie gruntu. W przypadku gruntów gruboziarnistych jest to frakcja o przeważającej masie. Drobne frakcje (pył lub ił) występujące w złożonych gruntach gruboziarnistych nie decydują o ich właściwościach inżynierskich. Dla gruntów drobnoziarnistych główną frakcją jest odpowiedni rodzaj gruntu drobnoziarnistego – pył lub ił – decydujący o właściwościach inżynierskich gruntu. Grunt należy nazwać ił lub pył w zależności od stwierdzonej plastyczności drobnej frakcji spoistej, a nie tylko od uziarnienia. Frakcje drugorzędne nie decydują o właściwościach inżynierskich danego gruntu, lecz mają na nie wpływ. Frakcje drugorzędne są opisywane w drugiej kolejności po rozpoznaniu i opisaniu frakcji głównej. Stosuje się spójnik „z” lub opisuje w formie przymiotnikowej, np. ił z pyłem lub ił pylasty. Określenie „domieszka” jest zarezerwowane dla ewentualnych frakcji trzeciorzędnych. Przykłady opisu i symboli gruntów:

- piasek średni z pyłem i domieszką żwiru drobnego – fgrsiMSa, - żwir piaszczysty – saGr, - żwir drobny z piaskiem grubym - fgrCSa, - pył z piaskiem średnim - msaSi, - piasek gruby ze żwirem drobnym – fgrCSa, - piasek drobny z pyłem (piasek drobny zapylony) – siFSa, - pył z piaskiem grubym i domieszką żwiru drobnego – fgrcsaSi, - ił z piaskiem średnioziarnistym – msaCl.

Jeśli w gruntach gruboziarnistych występują dwie frakcje w przybliżeniu w równych proporcjach umieszcza się pomiędzy ich symbolami ukośnik: żwir/piasek Gr/Sa lub piasek drobny/średni FSa/MSa.

Grunty stanowiące przewarstwienia pisze się małymi podkreślonymi symbolami PO frakcji głównej, np. ił pylasty przewarstwiony piaskiem –siClsa.

Obecność piasku, pyłu i iłu w gruntach stwierdza się przez próbę rozcierania w wodzie

lub rozcinania nożem. Próba rozcierania polega na umieszczeniu małej próbki gruntu pomiędzy palcami i

rozcieranie, najlepiej w wodzie. Ilość frakcji piaszczystej może być określona z wyczuwalnego stopnia szorstkości materiału.. Jeżeli wyczuwa się dużą ilość ziarenek piasku (duża szorstkość) mamy do czynienia z pyłem piaszczystym lub iłem piaszczystym. Gruby pył również może być podobnie wyczuwalny, lecz jego cząstki nie są widoczne gołym okiem. Grunt ilasty w dotyku przypomina mydło, przykleja się do palców i trudno go usunąć bez zmycia, nawet gdy jest w stanie suchym. Grunty pylaste wyczuwa się jako gładkie w dotyku, a suche cząstki gruntu przyklejone do palców w postaci mączki, mogą być łatwo zdmuchnięte lub usunięte przez pocieranie dłoni.

Próba rozcinania. Dla stwierdzenia obecności iłu lub pyłu wilgotną próbkę należy przeciąć nożem. Gdy powierzchnia przekroju jest błyszcząca – ił, gdy matowa – pył lub pył ilasto-pylasty o niskiej plastyczności. W celu dodatkowej oceny powierzchnię próbki można zarysować lub wygładzić paznokciem.

Zawartość węglanów (głównie węglanu wapnia CaCO3) określa się przy użyciu 10 % roztworu HCl. Po skropieniu powierzchni próbki kwasem należy obserwować reakcję i jej intensywność; grunt jest:

- bezwapnisty (0) – brak reakcji z kwasem, - wapnisty (+) – lekko się pieni pod wpływem kwasu, - silnie wapnisty (++) – występuje intensywne pienienie

5

Krok 11 – określenie plastyczności gruntu – podział na pyły i iły Oznaczenie plastyczności (spoistości) przeprowadza się wykonując próbę

wałeczkowania, próbę wytrzymałości w stanie suchym i próbę dylatancji (rozszerzalności). Próba wałeczkowania. W tym celu pobieramy niewielką próbkę wilgotnego gruntu

w postaci kuleczki o średnicy około 8 mm i wałeczkujemy ją na gładkiej powierzchni tak, aby otrzymać z kulki wałeczek o średnicy około 3 mm. Po wykonaniu tej czynności formujemy z wałeczka ponownie kulkę i znowu ją wałeczkujemy. Powtarzamy to aż do chwili, gdy kolejny wałeczek kruszy się (pęka) lub rozwarstwia i można go zlepić, ale nie da się już wałeczkować. Zmiany następują na skutek utraty wody przez grunt podczas wałeczkowania. Grunt osiąga w ten sposób tzw. granicę plastyczności. W wyniku tej próby stwierdza się, że grunt ma:

- małą plastyczność – gdy próbka wykazuje zwięzłość, ale nie daje się wykonać wałeczka o średnicy 3 mm,

- dużą plastyczność – gdy próbka daje się wielokrotnie wałeczkować do cienkich wałeczków (ok. 1 mm). Mała plastyczność wskazuje na dużą zawartość pyłu, a duża plastyczność świadczy o

dużej zawartości iłu . Próba wytrzymałości w stanie suchym. Do badania próbkę gruntu należy wysuszyć

w suszarce, mikrofalówce lub na powietrzu. Opór próbki podczas próby ściskania pomiędzy palcami jest miarą wytrzymałości w stanie suchym. Rozróżnia się następujące rodzaje wytrzymałości:

- mała – próbka wysuszonego gruntu rozpada się pod lekkim lub średnim naciskiem palców,

- średnia – grunt rozpada się pod wyraźnym naciskiem palców na bryłki, które nadal wykazują spoistość,

- duża – grunt nie daje się rozdrobnić pod naciskiem palców; można go rozłamać. Pył charakteryzuje się niską wytrzymałością w stanie suchym. Wysoką wytrzymałość

wykazuje ił . Mieszanina pyłu i iłu wykazuje na ogół średnią wytrzymałość w stanie suchym. Próba dylatancji. Próba polega na przerzucaniu z jednej dłoni do drugiej wilgotnej

próbki w postaci bryłki 20-30 mm. Próbka staje się błyszcząca po pojawieniu się wody na jej powierzchni. Po naciśnięciu próbki palcami połysk znika. Zawartość pyłu i iłu może być określona na podstawie czasu potrzebnego na pojawienie się wody przy wstrząsaniu i jej zaniku przy nacisku.

W przypadku pyłu woda pojawia się i szybko znika. Wstrząsanie i nacisk nie dają efektu w ile. Im wolniej pojawia się woda na powierzchni próbki, tym mniejsza jest zawartość pyłu i tym większa iłu .

Dokładne określenie plastyczności jest możliwe jedynie po przeprowadzeniu

oznaczeń laboratoryjnych. Można dodać, że im wyższa zawartość frakcji iłowej tym większa spoistość.

Krok 12 – zawartość części organicznych Małe ilości rozproszonej materii organicznej w gruncie mogą wytwarzać wyraźny

zapach oraz zabarwiać grunt. Intensywność zapachu i barwy wskazuje na zawartość substancji organicznej i należy ją uwzględnić w opisie gruntu (vide krok 2).

Krok 13 – struktura gruntu Przy ocenie struktury gruntu stwierdza się czy ma budowę ciągłą (jednorodną),

nieciągłą (niejednorodną) czy warstwową. Niezbędna jest próbka NNS (o nienaruszonej

6

strukturze). Nieciągłości w obrębie próbki objawiają się nagłymi zmianami barwy, osłabieniami oraz nagłymi zmianami plastyczności. Nieciągłości chaotyczne i nieregularne mają zwykle pochodzenie mechaniczne (w wyniku uskoków tektonicznych, osunięć, ścięć itp.). nieciągłości regularne w postaci warstwowań mają pochodzenie sedymentacyjne.

Krok 14 – określenie barwy gruntu Barwę gruntu należy określić na próbce NW (o naturalnej wilgotności), na świeżym

przełamie, po przełamaniu próbki. Wskazane jest wykorzystanie ujednoliconego wzorca barw (póki co nie jest dostępny w Polsce). Barwa zależy od zawartości związków chemicznych, głównie tlenków. Opisując barwę należy podać najpierw odcień, barwę uzupełniającą i na końcu barwę zasadniczą, np. jasnoszaro-żółty, brązowo-szary itp. Zwykle w gruntach występują takie barwy jak: żółta, brązowa, szara w różnych kombinacjach i odcieniach. Można jednak spotkać również grunty, szczególnie spoiste, zabarwione na czerwono, zielono czy niebiesko. Czasami występuje duża zmienność barw i taki grunt można określić jako pstry. W gruntach organicznych dominuje kolor czarny.

Krok 15 – określenie konsystencji (stanu) gruntu Wyróżnia się następujące konsystencje (stany) gruntów spoistych, określając grunt

jako: - miękkoplastyczny – grunt wydostaje się pomiędzy palcami przy ściskaniu porcji

gruntu, - plastyczny – jeżeli grudka gruntu daje się formować przy lekkim nacisku palców, - twardoplastyczny – jeżeli grunt nie może być formowany palcami, lecz może być

wałeczkowany w dłoniach do postaci wałeczka o średnicy 3 mm bez spękań i rozdrabniania,

- zwarty – jeżeli rozpada się i pęka podczas wałeczkowania, lecz jest ciągle dostatecznie wilgotny, aby ponownie uformować z niego bryłkę,

- bardzo zwarty – jeśli grunt jest wysuszony (jego barwa najczęściej jest jaśniejsza niż w stanie wilgotnym); nie można z niego uformować bryłki, lecz rozdrabnia się pod naciskiem i daje się zarysować paznokciem.

Krok 16 – określenie składu granulometrycznego W celu określenia uziarnienia gruntu gruboziarnistego należy próbkę gruntu

rozpostrzeć najlepiej na kartce papieru, może to być papier milimetrowy lub wykorzystując dodatkowo lupkę z podziałką ustalić zawartości frakcji głównej, drugorzędnej i domieszek. Podany sposób nie jest możliwy do zastosowania w przypadku pyłów i iłów. Ich uziarnienie określa się według sposobów podanych wyżej (patrz krok 8, 10 i 11).

Krok 17 – ustalenie genezy gruntu Ustalenie genezy gruntu jest bardzo istotne z punktu określenia jego właściwości i ich

zmienności. Geneza powinna być ustalona przede wszystkim podczas badań terenowych, należy również wykorzystać inne dostępne informacje o podłożu, np. mapy geologiczne.

7

Załączniki

Tablica 2. Podział gruntów ze względu na uziarnienie Uziarnienie Średnice zastępcze ziarn, mm

Drobnoziarniste d50 < 0,063 Gruboziarniste d90 ≥ 0,063 d50 < 63

Bardzo gruboziarniste d50 ≥ 63 Tablica 3. Podział gruntów gruboziarnistych piaszczystych ze wzgl. na uziarnienie Nazwa gruntu Symbol Zakres uziarnienia, mm Piasek gruby Csa d50 > 0,63 Piasek średni MSa 0,63 ≥ d50 > 0,2 Piasek drobny FSa d50 ≤ 0,2

dx (d50, d90)– średnica ziarna, od którego w badanej próbce jest x[%] ziarn mniejszych Frakcje do tablicy 4 (określone na podstawie krzywej uziarnienia) Kamienista (fk) 63,0 – 630 mm Żwirowa (fż) 2,0 – 63,0 mm Piaskowa (fp) 0,063 – 2,0 mm Pyłowa (fπ) 0,002 – 0,063 mm Iłowa (fi) ≤ 0,002 mm

8