Investigarea terenului şi exigenţe geotehnice

Indrumator: Intocmit: Prof. dr. ing. Dorel Platica Dima Razvan Apostu Iulian Lungociu Costel

Master anul I Inginerie Geotehnica

DETERMINAREA GREUTĂŢII VOLUMICE A PĂMÂNTURILOR

1.1. Introducere

Definită ca raportul dintre masa totală a unei probe de pământ în stare naturală de umiditate şi volumul total al acesteia, densitatea pământului se determină în laborator prin următoarele metode:

Metoda cu ştanţa Metoda prin cântărire hidrostatică după parafinare Metoda prin imersare in mercur. Utilizand picnometru (greutatea unitătii de volum a scheletului)În calculele inginereşti şi la caracterizarea terenului de fundare se foloseşte

mărimea vectorială a densităţii denumită greutatea volumică a pământului () determinată cu relaţia:

= g

unde: g = 9,81 m/s2,reprezintă valoarea acceleraţiei gravitaţionale = densitatea pământului

Metodele amintite se pot aplica pământurilor care nu conţin materii organice în procent mai mare de 5%. Pentru alte pământuri (humus, turbă, etc.) valorile determinate sunt orientative.

Metoda prin ştanţare se utilizează la pământurile coezive de consistenţă vârtoasă care nu prezintă particule mai mari de 2 mm (argile, prafuri argiloase, nisipuri prăfoase-argiloase, nisipuri slab cimentate, etc.).

Metoda prin cântărire hidrostatică după parafinare şi metoda prin imersare în mercur se aplică pământurilor cu o consistenţă plastic-vârtos-tare (pământuri coezive şi cu o cimentare mai puternică).

1.2. Metoda cu ştanţa

Această metodă poate fi utilizată atât pentru pământuri coezive cât şi pentru cele fără coeziune.

1.2.1. AparaturăŞtanţa este realizată dintr-un inel cilindric din oţel inoxidabil prevăzut cu un guler şi

cu un cuţit (fig. 1.1).

b)

Fig. 1.1

Atât gulerul cât şi cuţitul au acelaşi diametru cu inelul ştanţei; cuţitul are peretele ascuţit la partea inferioară pentru a uşura pătrunderea ştanţei în pământ.

Dimensiunile orientative utilizate pentru ştanţă sunt: D i mai mare de 40 mm pentru pământuri coezive; Di mai mare de 70 mm pentru pământuri semicoezive; D i mai mare de 100 mm, pentru pământuri fără coeziune şi determinări „in situ”, unde:

- Di = diametrul interior- h = (0,6 -1,3)·Di; înălţimea ştanţei- g = 1,5 -3,00 mm; grosimea pereteluiNu se vor folosi ştanţe cu un inel având un volum mai mic de 50 cm3.

1.2.2. Desfăşurarea lucrăriiSe introduce ştanţa, prevăzută cu guler şi cuţit în proba de pământ netulburată

(monolit, ştuţ, strat „in situ”).

În prealabil se realizează ungerea ştanţei cu vaselină sau ulei de parafină pentru recoltarea corectă a probelor fără deranjarea structurii naturale a pământului.

Dacă pământul este vârtos-tare se uşurează înaintarea ştanţei, răzuind pământul înaintea cuţitului până la un diametru apropiat de al acestuia.

În cazul pământurilor fără coeziune se folosesc două plăci din sticlă sau tablă, perfect plane pentru susţinerea materialului în ştanţă.

Se detaşează cuţitul şi prelungitorul şi se nivelează la ambele feţe, urmând ca volumul probei de pământ să fie acelaşi cu volumul ştanţei.

Iniţial se determină volumul ştanţei V şi masa m0. După recoltarea pământului se efectuează o nouă cântărire, se determină masa m1 ce va reprezenta greutatea totală - greutatea ştanţei (plus placa pentru pământurile fără coeziune) cu material.

1.2.3. Exprimarea rezultatelor

Se calculează densitatea volumică a pământurilor în stare naturală de umiditate cu relaţia:

Greutatea volumică a probei de pământ se determină cu relaţia: =9,81 (kN/m3) Rezultatul final se stabileşte ca medie aritmetică a cel puţin trei determinări pentru

care diferenţa este mai mică de 1% decât valoarea cea mai mică şi se înregistrează în formulare.

În cazul in care diferenţele sunt mai mari, se va face o a patra determinare.Pentru aflarea densităţii în stare uscată d, se procedează în felul următor:- se scoate epruveta din inel cu ajutorul pistonului şi se pune la uscat în etuvă;- după uscare şi răcire în exicator, epruveta se cântăreşte din nou şi se obţine masa

netă de pământ uscat md.

Relaţia de calcul pentru d este :

1.3. Metoda prin cântărire hidrostatică

1.3.1 Aparatura necesară Desfăşurarea lucrării

ρ=mV

=m1−m0

V

ρd=mdV

=mV

- balanţă cu dispozitiv pentru cântărire sub apă, cu precizie de 0,01g;- vas de capacitate de 3…4 l;- fir de mătase sau nylon;- termometru 0…500C, cu precizie de 0,10C.

1.3.2. Desfăşurarea lucrării Se taie cu grijă o bucată de formă geometrică regulată din proba de pământ, cu o greutate de aproximativ 80-150 g, fără a deranja structura naturală a pământului studiat. Se cântăreşte epruveta înregistrându-se în formularul tip masa m0.

Se leagă epruveta cu un fir de mătase sau nylon, pe muchie, fig. 1.2. şi se introduce 1-2 secunde într-un vas cu parafină topită (57-600C).

Operaţia se repetă de mai multe ori, până se formează pe suprafaţa laterală a probei o peliculă ermetică de parafină fără bule de aer. Se lasă să se răcească, se cântăreşte şi se notează cu m1 masa probei parafinate.

Legându-se proba de un braţ al balanţei hidrostatice se efectuează cântărirea probei parafinate scufundate în apă, figura 1.2, obţinându-se masa m2.

Fig. 1.2

Se usucă epruveta cu hârtie de filtru şi se cântăreşte din nou. În cazul în care învelişul de parafină nu a fost ermetic, apa pătrunzând în epruvetă, se modifică masa m1, ceea ce impune reluarea determinării pe altă epruvetă.

1.3.3. Interpretarea rezultatelor

Cântăririle efectuate se înregistrează într-un formular, calculul densităţii volumice stabilindu-se cu relaţia:

unde p este densitatea specifică a parafinei care se poate lua 0,9 g/cm3.

Rezultatul final se determină ca medie aritmetică a cel puţin trei determinări, ale căror valori nu diferă între ele cu mai mult de 1%.

Greutatea volumică a pământului se determină cu relaţia: =9,81 (kN/m3)

În cazul în care după parafinare se utilizează pentru determinare volumul de apă dezlocuit de proba parafinată introdusă într-un cilindru gradat, densitatea volumică se va determina cu relaţia:

ρ=mV

=m0

m1−m2

ρw−m1−m0

ρp

=m0 ρw ρp

(m1−m2) ρp−(m1−m0 ) ρw

Greutatea volumică a pământului se determină cu relaţia: =9,81 (kN/m3)

unde V2 este diferenţa de volum lichid, dezlocuit prin scufundarea probei într-un cilindru gradat.

1.4. Metoda imersării în mercur

1.4.1. Aparatura necesara

Aparat de sticlă, cu mercur ( fig. 1.3 ) alcătuit din: Recipient cilindric pentru proba cu diametru de 80 mm, adâncime de 45 mm, din

sticla de 3mm grosime, cu gura şlefuită (1);

Fig. 1.3 Aparat de sticlă cu mercur

Capac pătrat cu latura de 120 mm (2) din sticlă de plexiglas de cel puţin 10 mm grosime şlefuit pe o faţă pe care are 3 colţi metalici (5) de 10 mm;

Vas de colectare din sticlă (3) a surplusului de mercur scurs la introducerea epruvetei;

Vas de protecţie din sticlă (4); Sticlă de ceas; Termometru de laborator cu o precizie de 0,10C.

1.4.2. Desfăşurarea lucrării

ρ=m0

V 2−m1−m0

ρp

=m0 ρpV 2 ρp−(m1−m0)

Epruveta este special confecţionată dintr-un bulgăre de pământ din interiorul probei, aceasta trebuie să fie cât mai rotunjită fără colţuri, intrânduri sau goluri şi păstrată într-un recipient cu capac etanş până la efectuarea propriu-zisă a lucrării.

Se cântăreşte epruveta în stare umedă, obţinându-se masa m1 după ce masa recipientului m0 a fost stabilită în prealabil.

Masa epruvetei de pământ m, este: m = m1 – m0

Pentru a determina densitatea in stare uscata se aşează epruveta pe o sticla de ceas, se cântăreşte si se introduce la uscat in etuvă. După uscare si răcire , epruveta se cântăreşte din nou obţinându-se masa in stare uscata md.

Volumul epruvetei se stabileşte după cum urmează: Se aşează recipientul pentru proba (1) în vasul de colectare (3) se umple cu

mercur, se îndepărtează impurităţile existente pe suprafaţa mercurului. Pe recipientul cu mercur pentru proba se fixează capacul de sticlă (2) astfel încât

cei trei colţi (5) ai capacului să fie complet afundaţi în mercur; surplusul de mercur se colectează cu o perie de nylon în vasul de colectare (3).

Se ridică capacul de pe recipientul pentru probă, se aşează epruveta pe suprafaţa mercurului şi se apăsa cu cei trei colţi până se afundă în mercur, având grijă să nu rămână aer sub capac. Mercurul deversat în vasul de colectare se cântăreşte şi se măsoară temperatura.

1.4.3. Interpretarea rezultatelor

Densitatea pământului în stare umedă se calculează cu relaţia:în care :

m0 - masa recipientului, gm1 - masa recipientului cu epruveta de pământ, gmHg - masa mercurului dislocuit de epruvetă, gHg = 13,55 g/cm3.

Pentru a evita intoxicaţiile cu mercur, se vor respecta instrucţiunile legale in vigoare de protecţia muncii pentru păstrarea si operaţiile cu mercur.

După determinare, stabilirea densităţii pământului in stare uscata se face ca in cazul aplicării metodei cu ştanţa.

1.5. Utilizand picnometru (greutatea unitătii de volum a scheletului)

ρ=mV

=m 1−m0

mHg13 ,55

Densitatea fazei solide a unui pământ se defineşte ca fiind raportul dintre masa particulelor solide şi volumul propriu al acestora, fără goluri, la temperatura de referinţă de 200.

Pentru determinarea densităţii fazei solide a pământurilor care conţin: argilă sub

50%, materii organice sub 2%, săruri solubile în apă sub 0,2% şi care la examinarea

vizuală prezintă aspect omogen, se foloseşte apa ca fiind lichid de referinţă. Pentru

celelalte pământuri, se va folosi ca lichid de referinţă un lichid nepolar (benzen, petrol

lampant)

Metoda folosită în laborator constă în determinarea masei particulelor solide prin cântărire şi a volumului acestora, folosind picnometru ( fig. 1.4).

1.4.1. Aparatura necesara Mojar cu pistil din ceramică dură; Sită cu ţesătură din sârmă cu ochiuri de 2mm; Etuvă electrică cu termostat, cu posibilitate

de reglare a temperaturii la 105 ± 20C; Fiole de cântărire de aproximativ 100cm3; Picnometru de aproximativ 100cm3 , cu termometru ( fig. 1.4.a) sau cu tub capilar( fig.1.4.b); Pâlnie din sticlă cu diametru de 50mm, Meşină; Baie de nisip electrică; Răzătoare, Termometru; Exicator cu clorură de calciu; Balanţă analitică; Apă distilată; Benzen; Petrol lampant fiert şi filtrant.

Fig.1.4.

1.5.2. Pregatirea aparaturii

Picnometrul se curăţă bine pentru a nu avea pete de grăsime sau resturi de

material pământos şi se usucă. Capilarul dopului trebuie să fie liber şi lipsit de strangulări.

Fiecare picnometru trebuie asortat cu dopul său (acelaşi număr de reper). Picnometrele se

manevrează cu mâna curată, bine degresată.

După pregătire, picnometrele se cântăresc la balanţa analitică, iar masele acestora

m0 se scriu într-un tabel, ordonate după numărul de repere, propriu fiecărui picnometru.

Se presupun cunoscute masele m2 ale picmonetrelor umplute cu lichidul de referinţă folosit până la reper, la diverse temperaturi din intervalul temperaturilor uzuale (150….300).

1.5.3. Pregatirea materialului

Fragmentele din blocuri, bolovănişuri şi pietrişuri se sfarmă, cu mijloace adecvate, până la trecerea materialului prin sita de 2,00mm.

Proba brută din nisipuri uscate, se omogenizează prin amestecare şi se alege o probă reprezentativă de 100g, se mojorează într-un mojar de ceramică, astfel ca întreg materialul să treacă prin sita de 0,2mm. Materialul astfel obţinut se usucă în etuvă la 1050

până la masa constantă, după care se păstrează în exicator la temperatura mediului ambiant. Din pământurile coezive se răzuieşte o cantitate de aproximativ 100g care apoi se usucă; în continuare se procedează ca mai sus.

1.5.3. Desfasurarea lucrarii

Din materialul pregătit se introduce în picnometru, cu ajutorul pâlniei o cantitate de 12…20g(limita inferioară pentru materialele argiloase, limita superioară pentru materiale nisipoase), după care se cântăreşte la balanţa analitică; cunoscând masa picnometrului gol, prin diferenţă se obţine masa m1 a materialului luat în determinare.

Se toarnă în picnometru lichidul de referinţă ales, până la umplerea aproximativ a jumătate din capacitatea picnometrului, lichidul trebuie să acopere pământul cu minimum 2 cm. Lichidul trebuie introdus cu grijă pentru a se evita fenomenul de plutire a particulelor.

Determinarea se execută în paralel în trei picnometre cu material din aceeaşi probă.

Se aşează picnometrele pe baia de nisip şi se încălzesc până la fierbere, se fierb 15 minute. La sfârşitul fierberii, pământul din picnometru trebuie să rămână acoperit cu minimum 1 cm lichid. Se completează picnometru cu lichid de referinţă şi se lasă să se răcească la temperatura mediului ambiant. După răcire se aplică dopul având grijă ca lichidul de referinţă să fie până la reper, se şterge exteriorul picnometrului cu o hârtie de filtru şi apoi cu o meşină curată, după care se cântăreşte la balanţa analitică, determinând masa m3. Imediat după ce s-a efectuat această cântărire se ia temperatura lichidului de referinţă.

1.4.3. Exprimarea rezultatelor

Densitatea fazei solide a pământului se calculează cu relaţia:

unde: ρt - densitatea lichidului de referinţă la temperatura t0c, în g/cm3 ;ψL- factor de corecţie pentru dilatarea lichidului de referinţă la temperatura t0C;ρ20 - densitatea lichidului de referinţă la temperatura de 200CGreutatea volumică a fazei solide a pământului se determină cu relaţia :Rezultatul final este media aritmetică a trei determinări care nu diferă între ele cu

mai mult de 1%.Rezultatul determinărilor se trece în formular tip prezentat în caietul de

geotehnică.La pământurile obişnuite greutatea volumică a fazei solide a pământului variază între limite foarte restrânse şi anume între ( 26,0….29,0)kN/m3.

În tabelul 1.1 sunt date valorile orientative ale greutăţii volumice a fazei solide a pământului şi a densităţii fazei solide, pentru unele categorii de pământuri:

Tabelul 1.1

Felul pământului

s

kN/m3ρs

g/cm3

Nisipuri prăfoaseNisipuri argiloase 26 2,65

Praf, prafuri nisipoase

Prafuri argiloase26,2 2,67

Argile, argile nisipoase,

Argile prăfoase26,7 2,72

ρ s=msV s

=m1

m1+m2−m3

ρLt Ψ L

γ s=9 ,81 ρs