Ministerul Educaţiei, Cercetării şi inovării

Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi

F A C U L T A T E A D E C O N S T R U C Ţ I I S I I N S T A L A Ţ I I

Investigarea Terenului si Exigente Geotehnice

Compozitia Granulometrica

Student:Ursachi Alexandru-Andrei

Introducere

Pământul ca teren de fundare reprezintă un sistem trifazic alcătuit din: faza solidă, faza lichidă şi faza gazoasă.

Funcţie de natura terenului, faza solidă este alcătuită din particule de mărimi diferite în anumite proporţii.

Definim noţiunea de fracţiune granulometrică ca fiind cantitatea de pământ cu dimensiunile particulelor cuprinse între două limite.

Compoziţia granulometrică (granulozitatea) reprezintă distribuţia conţinutului procentual pe fracţiuni ale particulelor (granulelor) care intră în alcătuirea pământurilor din terenul de fundare şi se poate determina prin analiza granulometrică.

Analiza granulometrică prin metoda cernerii

Consideraţii teoreticeSepararea diverselor fracţiuni în funcţie de diametrul acestora se realizează prin

metoda cernerii cu ajutorul sitelor şi a ciururilor.Se folosesc (conform STAS 1078/ 73 ) ciururi din tablă cu ochiuri rotunde: 20;10;5

mm şi site din sârmă(conform STAS 1077), cu ochiuri pătrate : 2;1; 0,5; 0,25; 0,1 ;0,08; 0,05 mm. Se pot folosi şi site şi ciururi intermediare.

Mărimea unei fracţiuni se determină prin cântărirea materialului rămas pe o sită, diametrele limită ale fracţiunii fiind, diametrele ochiurilor sitei (ciurului) pe care a rămas materialul, respectiv diametrele ochiurilor sitei (ciurului) imediat superioare.

Aparatură:- şublerul sau şabloane cu ochiuri rotunde pentru stabilirea diametrelor particulelor

cu dimensiuni mai mari decât ochiurile sitelor sau ciururilor;- etuvă sau instalaţia de uscare cu temperatura constantă de 105 20C;- balanţă de laborator cu sensibilitatea 0,01g;- set de site cu talger şi capac, din sârmă cu ochiuri pătrate ( d = 0,05…2,0 mm);- set de ciururi din tablă perforată cu ochiuri rotunde ( d = 5…20 mm);- maşină de cernut adaptată sitelor şi ciururilor.

Desfăşurarea determinarii

Încercarea se efectuează pe probe de material omogenizat în prealabil şi uscat în etuvă .

Conform tabelului 1 se analizează o cantitate de material uscat md ce depinde de natura pământului.

Tabelul1

Denumirea materialului Cantitatea de pământ luată în analiză, md

Bolovăniş 5,0 Kg

Pietriş 2,0 Kg

Pietriş cu nisip 1,0 Kg

Nisip mare şi mijlociu 0,5 Kg

Nisip fin 0,2 Kg

Nisip argilos 0,1 Kg

Argilă grasă 0,1 Kg

În cazul în care pământul analizat prezintă coeziune, proba se supune unei hidratări prin acoperire cu apă şi adăugarea unei soluţii de carbonat de litiu (0,2 g).Setul de site şi ciururi se aşează în ordine descrescătoare a ochiurilor, având talgerul

la partea inferioară.Numărul sitelor şi ciururilor trebuie să fie minim 6 iar raportul ochiurilor să fie

cuprins între 1,5…2,0.După aşezarea materialului pregătit pentru determinare pe sita cu diametrul ochiurilor

maxim şi acoperirea cu capacul se efectuează cernerea timp de 10 minute la maşina de cernut, variind frecvenţa vibraţiilor.

Se cântăresc fracţiunile rămase pe site şi pe talger. Dacă cantitatea de material cu diametrul particulelor cuprins între 0,05…0,08mm rămasă pe talger depăşeşte cu 10% din cantitatea totală, se va completa operaţia de cernere cu cea de sedimentare.

Dacă suma tuturor fracţiunilor (inclusiv cea de pe talger) diferă cu mai mult de 1% faţă de cantitatea iniţială luată pentru determinare md, operaţia de cernere trebuie repetată.

Interpretarea rezultatelorRezultatele măsurătorilor şi a calculelor se sintetizează în formularul standard.În prima coloană se trec dimensiunile ochiurilor sitelor sau ciururilor întrebuinţate ”d

“ în mm (20;10;5;2;1;0,5;0,25;0,08;0,05).

În coloana a II a se trec cantităţile de material rămase pe fiecare sită ” mi” în grame (m1, m2, m3………..mn).

În coloana a III-a se trec valorile procentuale ale acestor mase faţă de masa totală a materialului analizat md, inclusiv masa liantului şi a restului din cutie.

În ultima coloană se înscriu valorile procentuale ale fracţiunilor de granule cu dimensiuni mai mici decât dimensiunea ochiurilor sitei sau ciurului respectiv, calculat faţă de masa iniţială a probei uscate.

Analiza granulometrică prin metoda sedimentării Aspecte teoretice

Această metodă se bazează pe aplicarea legii lui Stokes care permite determinarea vitezei de cădere a particulelor intr-un lichid funcţie de diametrul acesta:

v = viteza de cădere a particulelor (cm/s);g = acceleraţia gravitaţională (cm/s2);s = densitatea materialului solid (g/cm3);l = w = densitatea lichidului (apă) l = w = vâscozitatea lichidului (apă);d = diametrul particulelor (cm).Pentru încercare, când se foloseşte apa ca mediu de dispersare, în care caz (w = 1,0

g/cm3 ), putem determina diametrul particulelor cu relaţia următoare:

H= adâncimea la care au ajuns particulele d, în timpul t (cm)A = coeficient;t = timpul ( sec); d = diametrul particulelor.Densitatea se exprimă ca raportul între masa unui volum de suspensie şi masa

aceluiaşi volum de lichid (apă):

l = w = 1,0 (g/cm3);s = densitatea suspensiei;V = volumul total al suspensiei (cm3);ms = masa materialului solid din suspensie.Pentru două măsurători consecutive t1-t2 se obţine mărimea fracţiunii de pământ care

are particulele cuprinse intre diametrele d1 -d2.Rezultă: m = ms1 - ms2 = fV( 1 - 2) = f( R1 - R2 ) (2.5.)

R = ( - 1 ) 1000 (2.7.) Volumul suspensiei se ia V = 1000cm3

Fig.2.1

Adâncimea parcursă de particulele şi densitatea suspensiei se măsoară cu ajutorul areometrului.

Deoarece calibrarea areometrului a fost făcută în apă distilată la temperatura de 200C, sunt necesare corecţii ale citirilor densităţii şi anume:

Cm – corecţia de menisc ca efect al diferenţei existente între nivelul meniscului în jurul tijei areometrului şi nivelul liber al suspensiei.

Cm = 1000 (2.8)

Fig.2

Ct – corecţia de temperatură, datorită temperaturii la care se face determinarea, diferită de temperatura de 200C (temperatura calibrării), vâscozitatea lichidului variind cu temperatura. Această corecţie se determină cu ajutorul nomogramei din figura.3.

În consecinţă citirea ( densitatea ) de calcul va fi : Rc = R + Cm + Ct (2.9)

Rc = R’+Ct (2.10)

Fig.3

Adâncimea până la care ajung particulele cu diametrul d în timpul t se determină ca valoare de calcul cu relaţia:

H = - ( - 1)1000 = - R (2.11)unde şi sunt constante ale areometrului, determinate pentru fiecare areometru folosit conform STAS 1913/ 5-85.

Conţinutul procentual în granule mp cu dimensiuni mai mici decât diametrul granulei determinat pentru o citire pe areometru la un anumit timp raportat la masa iniţială a probei md, se poate calcula în două moduri :

- prin însumarea fracţiunilor m corespunzătoare;- direct cu relaţia:

Aparatura necesară:- sticle de ceas cu diametrul de 100mm;- perii de sârmă;- exicator;- etuvă cu temperatură constantă la 1050C;- areometru de tip Casagrande pentru 1000cm3 cu diviziuni între 0,995 si 1,030;- termometru ( precizie 0,50C);- capsule de porţelan sau sticlă ( capacitate de 500cm3);- cilindri gradaţi cu volumul de 1000cm3;- agitator cu tijă şi disc perforat;- agitator electric;- balanţă analitică;- balanţă de laborator ( precizie de 0,5 g) Fig.4

Desfăşurarea determinarii

Se ia o cantitate de material cuprinsă între 50 -100g, uscată până la masă constantă în etuvă ( minim 12 ore ), la temperatura de 1050C , se cântăreşte, obţinându-se masa totală de pământ uscat md.

Dacă se determină iniţial umiditatea materialului, uscarea nu mai este necesară, masa materialului calculându-se cu relaţia:

în care:m = masa materialului luat în analiză la umiditatea -ww = umiditatea materialului luat în analiză (% ).Pentru pământuri care conţin materii organice se realizează iniţial oxidarea (cu circa

100cm3, concentraţie 6% de apă oxigenată) apoi se produce agitarea prin încălzire la 600C. Determinarea conţinutului de materii organice se realizează conform STAS 7107/1-85.

Proba de pământ se pune într-o capsulă cu apă, pentru desfacere chimică, având ca agent dispersant ( Li2CO3; Na2SiO3), în cantitate de 1-5 g şi se lasă 8-10 ore sau se fierbe timp de 1/2 ore, pentru a înlesni desfacerea pământului. Operaţia nu este necesară în cazul nisipurilor.

Pământul astfel obţinut se amestecă într-un agitator electric cu o cantitate de apă (5-10 minute) pentru desfacerea pământului.

Se trece materialul prin sita de 0,05-0,08 mm, cantitatea rămasă uscându-se, se obţine masa m1. Dacă masa m1 reprezintă un procent mai mare de 10% din masa totală de material uscat, atunci se va executa şi operaţiunea de cernere în completare.

Cantitatea de pământ m2 trecută prin sită, se toarnă într-un cilindru gradat, suspensia completându-se cu apă distilată până la diviziunea 1000 cm3. Se menţionează că pentru desfacere se va folosi o cantitate de apă limitată, pentru a nu depăşi în final cantitatea totală de suspensie de 1000 cm3. În caz contrar se va lăsa suspensia să se evapore (apa), până la volumul de 1000 cm3.

Pentru omogenizarea suspensiei se astupă cilindrul cu podul palmei şi se agită de câteva ori, apoi se introduce agitatorul cu disc perforat.

Imediat după terminarea omogenizării se introduce areometrul în suspensie şi se fac citirile la următoarele intervale de timp : 30 sec., 1 min., 2 min., 4 min., 30 min., 60 min., 120 min., 240 min.

Reprezentarea grafică şi interpretarea rezultatelor

Folosind nomograma din figura 5 şi relaţiile de calcul prezentate anterior se determină diametrul granulei corespunzătoare unei citiri.

Cu rezultatele obţinute evidenţiate de formularele tip din anexă se realizează două reprezentări grafice: curba granulometrică şi histograma.

Pentru trasarea curbei granulometrice, se utilizează o reprezentare grafică pe o diagramă semilogaritmică în care pe axa absciselor se înscriu la scară logaritmică, dimensiunile particulelor d(mm) crescătoare de la stânga la dreapta, cu valorile corespunzătoare ale cantităţilor procentuale. Astfel pe axa ordonatelor se înscriu cantităţile procentuale mp în procente cu dimensiuni mai mici sau egale cu diametrul considerat.

Fig.5. Nomograma pentru calculul diametrelor particulelor la analiza prin sedimentare

STAS-ul 1243/88 permite determinarea cu ajutorul curbelor granulometrice a unui coeficient de neuniformitate Un:

în care: d60% – diametrul particulelor corespunzătoare procentului de 60% din curba granulometrică; d10% – diametrul particulelor corespunzătoare procentului de la 10% din curba granulometrică, denumit şi diametrul efectiv.

Histograma reprezintă grafic procentele de particule solide cu diametru cuprins între două site consecutive.

Fig.6

Clasificarea pământurilor după granulozitate se efectuează conform STAS 1243/88, prin intermediul căruia sunt stabilite principalele fracţiuni granulometrice care alcătuiesc o anumită stratificaţie.

Tabel.2Granulozitatea pământului UnGranulozitate foarte uniformă Un ≤ 5

Granulozitate uniformă 5 ≤ Un ≤ 10Granulozitate neuniformă Un 15

Pentru identificarea pământurilor se poate folosi diagrama ternară, reprezentarea grafică ( fig.7) în care pe cele trei laturi ale unui triunghi echilateral sunt trecute cantităţile procentuale ale fracţiunilor componente, iar în interiorul triunghiului sunt fixate zone cu denumirea pământului. Diagrama ternară cuprinde două criterii de identificare a pământului: criteriul granulometric şi criteriul de plasticitate.

Fig.7

În cazul existenţei unei neconcordanţe între valorile indicelui de plasticitate Ip şi ale conţinutului de fracţiuni granulometrice, criteriul de plasticitate este apreciat ca factor esenţial, conţinutul de fracţiuni granulometrice fiind ales cu valoarea aproximativă cea mai apropiată.

Analiza Granulometrica conform SR-EN 1997-2-2008

Anexa M.5

(1) Pentru pamanturi granulare (alcatuiite in majoritate din particule de pietris si/sau nisip) curba granulometrica se determina prin cernere dupa spalare iar analiza prin sedimentare nu este in general necesara. La pamanturile fine (compuse majoritar din particule de praf si/sau argila) se utilizeaza analiza prin sedimentare, combinata cu analiza prin cernere pentru particulele de nisip eventual prezente. Pentru pamanturile mixte (cuprinzand particule de toate dimensiunile) se utilizeaza atat cernerea cat si sedimentarea.

(2) Este indicat sa se acorde o atentie speciala la incecarile effectuate asupra argilelor si pamanturilor organice. De exemplu, particulele de argila pot avea un effect de cimentare care poate deveni ireversibil in cursul uscarii la 105 ºC, iar materiile organice se pot oxide in timpul uscarii la aceiasi temperature.

(3) Pot fi de asemenea utilizate metode modern care incorporeaza sisteme de detectare cu raze X, fascicule laser, masuratori de mase volumice si senzori de particule. Este indicat ca acestea sa fie etalonate prin raportare la metodele recomandate in (2).