uziarnienie gruntów – procentowa zawartość poszczególnych frakcji i ich wzajemny stosunek

frakcja – (f) zbiór wszystkich ziarn (cząstek) gruntu nieskalistego o średnicach zastępczych d znajdujących się w określonym zakresie wielkości

średnica zastępcza – jest to średnica cząstki kulistej o tej samej gęstości właściwej co cząstka gruntowa, opadającej w wodzie z taką samą prędkością jak rzeczywista cząstka gruntowa

Analizy granulometryczne:

1. analiza sitowa

2. analiza sedymentacyjna

• analiza areometryczna

• analiza pipetowa

1. inne analizy (np. podczerwień

agregat – zbiór ziarn i cząstek nietrwały w zawiesinie

mikroagregat – zbiór ziarn i cząstek ilastych, piaszczysto pyłowych trwały w zawiesinie przy braku dyspergatora, i zewnętrznych oddziaływań mechanicznych

dyspergator – stabilizator substancja powodująca dyspersje (rozproszenie) zawiesiny np.: amoniak (25%), szkło wodne, calgon, pirofosforan sodu.

minerały ilaste – grupa minerałów, będących przeważnie krystalicznymi uwodnionymi krzemianami glinu, niekiedy magnezu, o strukturze warstwowej lub wstęgowo warstwowej

Główne procesy doprowadzające do tworzenia minerałów ilastych

1. Krystalizacja stałych substancji bezpostaciowych

2. Hydroliza minerałów pierwotnych i wtórnych

3. Powstanie minerałów w warunkach hydrotermalnych

4. Powstawanie minerałów w wyniku izomorficznych podstawień

5. Synteza przy udziale roślin

6. Synteza w warunkach laboratoryjnych

Minerały ilaste o budowie krystalicznej są krzemianami warstwowymi zawierającymi warstwy uformowane z czworościanów krzemowo tlenowych ułożonych w sześcioboki, które są połączone z warstwami utworzonymi z ośmiościanów. Zwykle minerały ilaste, są bardzo drobnoziarniste i mają zdolność tworzenia z wodą mniej lub bardziej plastycznej masy.

Badania składu mineralnego

Analiza w SEM

Analiza termiczna

Analiza rentgenostrukturalna

Analizy pośrednie

Struktura – cechy budowy skał zależące od wymiarów, kształtu i wzajemnych stosunków elementów składowych skał.

Tekstura – rozmieszczenie i układ tych elementów w przestrzeni

Makrostruktura – wszystkie makroskopowe cechy budowy gruntów dobrze rozpoznawalne gołym okiem

Mezostruktura – charakteryzują wymiary, kształt, charakter powierzchni, ilościowe stosunki mezoagregatów, mezobloków, a także ziarn piasku i cząstek pyłu w gruntach spoistych

Mikrostruktura – wymiary, formy, charakter powierzchni i stosunki ilościowe, pierwotnych drobnych cząstek, tworzących w gruncie mikroagregaty

Cząstka wody jest polarna, czyli jest dipolem.
Jej polarność związana jest z przesunięciem elektronów w jedną stronę cząsteczki, gdyż pomiędzy atomami wodoru i atomem tlenu wytwarzają się wiązania kowalencyjne spolaryzowane w stronę atomu tlenu. Powoduje to, że atom tlenu ma pewien ładunek ujemny, a atomy wodoru odpowiadający mu ładunek dodatni. Ujemny ładunek atomu tlenu przyciąga dodatnio naładowane atomy wodoru sąsiedniej cząsteczki i pomiędzy nimi powstaje tzw. wiązanie wodorowe.

Skutkiem dipolowej budowy wody jest:

Rozpuszczalność – zdolność substancji do tworzenia roztworu z określonym rozpuszczalnikiem

Asocjacja cząstek – łączenie się cząstek związków chemicznych w zespoły

Dysocjacja – odwracalny proces rozpadu związków chemicznych na prostsze cząstki, atomy zachodzący pod wpływem temperatury

Magnetyczność – niewidoczna przy użyciu zwykłych magnesów

Rodzaje wód:

• Woda w postaci pary

• Woda związana

• Woda wolna

• Woda w stanie stałym

• woda krystalizacyjna

Woda związana – stanowi 42% wody zawartej w skorupie ziemskiej

Woda kapilarna:

Woda naroży porów – woda stykowa tworząca się w miejscach styków cząstek w postaci oddzielnych cząstek

Woda zawieszona – woda która nie ma styku z poziomem wód gruntowych

Właściwa woda kapilarna – woda podsiąkająca od poziomu wód gruntowych

Woda krystaliczna - biorąca udział w budowie siatek krystalicznych różnych minerałów np.: gipsu

CaSO₄·H₂O

Woda chemicznie związana wchodzi w skład hydratów typu

Ca(OH)₂

Konsystencja – stopień ruchliwości (spójności) cząstek w gruncie spoistym, zależny od ilości wody i stanu fizycznego tych cząstek

Wilgotności graniczne :

- granica skurczalności – pomiędzy stanem zwartym a półzwartym;

- granica plastyczności – pomiędzy stanem półzwartym a plastycznym (twardoplastycznym);

- granica płynności – pomiędzy stanem plastycznym (miękkoplastycznym) a płynnym.

granica skurczalności – wilgotność w procentach, przy której grunt pomimo dalszego suszenia nie zmniejsza swojej objętości i jednocześnie zaczyna zmieniać barwę na powierzchni na odcień jaśniejszy

granica plastyczności – wilgotność w procentach, jaką ma grunt, gdy przy kolejnym wałeczkowaniu wałeczek pęka po osiągnięciu średnicy 3 mm.

granica płynności – wilgotność w procentach, jaką ma masa gruntowa umieszczona w aparacie Casagrande’a, w momencie, gdy wykonana w niej bruzda zlewa się przy 25 uderzeniu miseczki o podstawkę, na długości 10 mm i wysokości 1 mm.

Stan gruntu zależy:

• Od ilości wody zawartej w gruncie

• Od właściwości wody

• Od składu cząstek stałych

• Od właściwości cząstek stałych

Wartość granic konsystencji kształtuje:

• Skład granulometryczny

• Skład mineralny

• Skład kationów wymiennych

• Kształt cząstek

• Domieszki substancji organicznej

Granice konsystencji

Metody wyznaczania:

1. granica skurczalności – aparatem do badania granicy skurczalności, według PN-88/B-04481

2. Granica plastyczności – metodą wałeczkowania

3. granica płynności – aparatem Casagrande’a; metodą stożka

Inne parametry określające plastyczność

Wskaźnik plastyczności

Stopień plastyczności

Stopień konsystencji

Wskaźnik konsystencji Ic – wilgotność pasty gruntowej określoną przy pomocy penetrometru stożkowego

Struktura – cechy budowy skał zależące od wymiarów, kształtu i wzajemnych stosunków elementów składowych skał.

Wiązania strukturalne – warunkują większość właściwości inżyniersko-geologicznych gruntu, wartości dochodzą do kilku tysięcy kPa, powstają w wyniku złożonych procesów fizykochemicznych, zależą od stanu gruntu.

Wiązania chemiczne – może powstawać przy bezpośrednim kontakcie mineralnych ziarn czy cząstek lub przy zapełnieniu przestrzeni międzycząsteczkowych substancją cementującą, najbardziej wytrzymały typ wiązania strukturalnego

Wiązania cząsteczkowe i cząsteczkowo-jonowo-elektrostatyczne – zachodzą pod wpływem istnienia sił cząsteczkowych spowodowane nieznaczną wzajemną polaryzacją powłok elektronowych, znaczny zasięg oddziaływań do kilku tysięcy Å

Wiązania o charakterze magnetycznym – związane z występowaniem w gruntach ferromagnetyków takich jak hematyt, geothyt

Wiązania spowodowane ładunkami powstającymi na styku cząstek mineralnych – przy bezpośrednim styku cząstek ich powierzchnie mogą otrzymywać ładunek na skutek kontaktowej różnicy potencjałów

Porowatość gruntów: Porowatość – stosunek objętości porów w gruncie do całkowitej objętości próbki

Wskaźnik porowatości – stosunek objętości porów do objętości szkieletu gruntowego

Porowatość gruntów zależy od:

1. uziarnienia

2. stopnia jednorodności uziarnienia

3. kształtu ziarn

4. wilgotności

stopnia ułożenia ziarn i cząstek

Porowatość:

• Międzykrystaliczna – porowatość skał krystalicznych ziarnistych (magmowych, metamorficznych i części skał osadowych scementowanych)

• Intergranularna – porowatość tworząca się przy niezupełnym przyleganiu do siebie ziarn i okruchów w gruntach gruboziarnistych i niespoistych

• Wewnątrzgranularna – porowatość składników mineralnych

• Interagregatowa – porowatość występująca pomiędzy agregatami cząstek mineralnych

• Wewnątrzagregatowa – porowatość występująca między elementami tworzącymi agregat

• Wyługowania – tworząca się przy rozpuszczaniu i wymywaniu soli

Pęcznienie – proces polegający na wzroście objętości gruntu na skutek oddziaływania wody (roztworów o różnym chemizmie), głównie na pęczniejące minerały ilaste z grupy smektytu (montmorillonit, beidelit), minerały mieszanopakietowe (smektyt/illit) oraz illit.

Czynniki wpływające na intensywność pęcznienia:

• rodzaj gruntu i jego skład granulometryczny,

• procentowa zawartość frakcji iłowej

• skład mineralny frakcji iłowej,

• procentowy udział minerałów ilastych,

• chemizm wód (roztworów) nasycających,

• skład kationów wymiennych (Na⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>Al³⁺>Fe⁺³⁺)

• procentowa zawartość substancji organicznej,

• procentowa zawartość węglanów,

• procentowa zawartość anhydrytu, pirytu,

• stopień nasycenia,

• struktura i mikrostruktura,

• rodzaj próbki,

• gęstość objętościowa, gęstość objętościowa szkieletu gruntowego

• przemiany zachodzące w strefie hipergenezy,

• metody badań i inne.

ekspansywność - wyraża zmiany objętościowe, zachodzące w całym masywie gruntowym bądź skalnym, gdy naturalne warunki panujące w środowisku ulegają zmianie w wyniku: długotrwałych ulewnych deszczów, awarii kanalizacji, zmiany naturalnego ustroju wód podziemnych, w przypadku budownictwa hydrotechnicznego, budowy różnego typu tuneli, sztolni, wkopów fundamentowych i innych.

Zjawisko to zachodzi w wyniku zmiany naturalnych warunków panujących w środowisku np.:

- długotrwałych ulewnych deszczy lub susz

- awarii kanalizacyjnych

- zmian naturalnego ustroju wód podziemnych.

Odkształcalność gruntów:

odkształcenia trwałe – plastyczne, powstające pod wpływem przyłożonych naprężeń, lecz nie znikające po ustąpieniu naprężeń;

odkształcenia odwracalne – sprężyste, natychmiastowe i lepko-sprężyste, które powstają pod wpływem przyłożonych naprężeń i zanikają po ustąpieniu tych naprężeń

Ściśliwość – zdolność gruntu do zmniejszania objętości pod wpływem obciążenia

Zmniejszanie objętości jest wynikiem:

Zmniejszanie objętości porów na skutek wzajemnego przesuwania się cząstek gruntu;

Zmniejszanie się grubości warstwy podwójnej;

Zagęszczanie lub (i) usuwanie powietrza;

Odkształcanie się cząstek

Wielkość ściśliwości zależy od:

• Składu granulometrycznego

• Porowatości

• Wilgotności

• Składu mineralnego

• Skład kompleksu wymiennego

• Skład chemiczny wody

• Stopień mineralizacji wody porowej

• Tekstura gruntu

• Proces zmiany objętości gruntu w czasie, zachodzący w wyniku wypływania wody z porów pod wpływem przyłożonego obciążenia nazywamy konsolidacją.
  Czas trwania konsolidacji zależy głównie od przepuszczalności gruntu. Grunty o niskiej przepuszczalności (np. grunty spoiste) wymagają dłuższego czasu na zakończenie konsolidacji. Dlatego grunty te osiadają znacznie wolniej niż grunty niespoiste, i, co za tym idzie, proces ten trwa znacznie dłużej. Proces ten ilustruje krzywa konsolidacji.

OSIADANIE ZAPADOWE - Zdolność gruntu, znajdującego się pod określonym obciążeniem, do szybkiej zmiany objętości pod wpływem nasycenia wodą

Cechy warunkujące osiadanie zapadowe lessów:

• Skład granulometryczny (przewaga frakcji pyłowej z małą ilością części koloidalnych)

• Skład mineralny

• Wapnistość

• Zasolenie powyżej 0,3%

• Wilgotność naturalna niższa od granicy plastyczności

• Makroporowatość dobrze widoczna

• Porowatość powyżej 45%

• Pozycja stratygraficzna

Mechanizm zjawiska osiadania zapadowego sprowadza się do uznania, że wyniku zetknięcia się z wodą zostają przerwane wiązania istniejące między elementami szkieletu (pierwotnymi cząstkami i ziarnami oraz agregatami), a wobec dużej porowatości następuje załamanie się całej struktury szkieletowej lessów

Co powoduje powstanie tych zjawisk i jakie typy wiązań zostają przerwane:

Niszczenie wiązań krystalizujących utworzonych z różnych soli nietrwałych w obecności wody oraz wypłukiwanie pierwotnych ziaren tych soli

• Woda która filtruje w utwory lessowe o dużej porowatości rozpuszcza częściowo bądź całkowicie sole znajdujące się w strefach kontaktowych z cząstkami gruntowymi.

• Dzięki temu więzi między cząsteczkami gruntowymi zostają naruszone. Naruszenie więzi powoduje wzajemne przemieszczenie się cząstek gruntowych do momentu osiągnięcia przez nie nowego stanu równowagi, odpowiadającego danemu stanowi naprężeń

• Wyniku tego procesu zmniejsza się porowatość gruntu oraz powstaje osiadania zapadowe

Przyczyną załamania struktury „ są tzw mostki ilaste dające wiązania typu punktowo-koagulacyjnego między elementami strukturalnymi, które są uwarunkowane siłami o charakterze jonowo-elektrostatycznym”

• Należy brać pod uwagę, że siła wiązań koagulacyjnych wzrasta ze wzrostem nacisków zew prowadzących do zagęszczenia próbki przed badaniem osiadania zapadowego, a więc raczej zwiększenia ich trwałości

• Istniejące mostki ilaste pod wpływem wody, powodującej zmniejszenie tarcia wewnętrzkrystalicznego ułatwiają przesuwanie się cząstek i zmianę trwałości struktury.

• Nie znaleziono jednak wyraźnej zależności między zawartością frakcji iłowej w próbkach osiadających zapadowo a wartością wskaźnika osiadania zapadowego

Ilaste połączenia

• Między ziarami i mikroagregatami maja różne morfologiczne formy np. mostki ilaste, podpory ilaste, łańcuszki ilaste

• Połączenia musiały powstać we wczesnym etapie przemian postsedymentacyjnych

• Jeżeli przyjmiemy że wyniku eolicznej akumulacji lessów równomiernemu rozsypaniu ulegają również i cząstki ilaste, wówczas należy przypuszczać, że głównym czynnikiem który mógłby wpłynąć na ich wzajemną orientację będzie cykliczny ruch wody w porach osadu

• Trwałość tych połączeń wynika z działania sił Van der Wasala, Coulomba między cząstkami ilastymi

• Badania różnowiekowych ogniw lessów wykazały, że ilaste połączenia są obecne jedynie w niezwietrzałych lessach młodszych LM

• W poziomach lessów starszych LS i zwietrzałych młodszych LM musiały one natomiast ulec trwałemu zniszczeniu wskutek intensywnego oddziaływania procesów wietrzeniowych i kompakcji pochodzącej od nadkładu warstw lessów młodszych

• Połączenia ilaste obecne w eolicznych niezwietrzałych lessach młodszych występujących In situ są odpowiedzialne za osiadanie zapadowe lessów

Żelazisto-krzemionkowe połączenia

• Mostki stwierdzone w poziomach lessów zwietrzałych LM i głównie w lessach starszych LS

• Proces rozpuszczania kwarcu, a następnie wytrącania się krzemionki w zwietrzałych bądź starszych ogniwach stratygraficznych, przebiegał z różną intensywnością i prędkością w określonych fizyczno-chemicznych warunkach środowiska, a obecność różnych form wytrąceń krzemionkowych jest miernikiem stopnia zaawansowania procesów wietrzeniowych

ZAPOBIEGANIE OSIADANIU ZAPADOWEMU:

• wzmacnianie metodami chemicznymi

• wgłębne wypalanie

• dodatkowe zagęszczenie mechaniczne

• wstępne zamaczanie

Inżyniersko-geologiczna charakterystyka gruntów spoistych Polski:

Grunty trzeciorzędowe

• Iły mio-plioceńskie serii poznańskiej

• Iły mioceńskie zapadliska przedkarpackiego

a) iły niezwietrzałe

b) iły zwietrzałe

c) bentonity i iły bentonitowe

3. Iły oligoceńskie (septariowe) okolic Szczecina

Grunty czwartorzędowe

Iły mio-plioceńskie (poznańskie) : W obrębie basenu wyróżniono 3 strefy:

• centralną, o najpełniej rozwiniętym profilu litostratygraficznym

• brzeżną (przedsudecką)

• przyległą do bloku przedsudeckiego, piaszczysto-żwirową

• Główne:

Kwarc we frakcji piaszczystej i pylastej

Minerały ilaste beidellit, mieszanopakietowe beidellit-illit, beidellit-kaolinit

• Podrzędne

Kaolinit, illit, chloryt

Skalenie, łyszczyki

• Sporadyczne:

Piryt, markasyt, goethyt, hematyt

Tlenki żelaza, wapnia, magnezu, sodu, potasu

• Miąższość na zachodzie Polski wynosi około 100 metrów (w Poznaniu), a na wschodzie 150 metrów (w Warszawie) .Średnia wartość to 40 – 60 metrów.

Iły szare – od kilku do kilkudziesięciu metrów

Iły zielone i płomieniste – kilkadziesiąt metrów

• Mikrostruktura:

Iły rejonu A i B – matrycowa

Iły zielone i płomieniste – turbulentna, matrycowa i matrycowo-turbulentna

Iły mioceńskie zapadliska przedkarpackiego:

• Główne:

Kwarc, minerały ilaste, montmorillonit, illit, węglany

• Podrzędne

chloryt, kaolinit

Skalenie, łyszczyki

• Sporadyczne:

Substancja organiczna, siarczki żelaza, glaukonit, baryt

• Miąższość największa w osi zapadliska dochodząca do 3-4km malejąc na północ w okolicach gór Świętokrzyskich osiągają do kilku metrów

Mikrostruktura:

Iły niezwietrzałe – laminarna, matrycowo-turbulentna

Iły zwietrzałe – mikrostruktura pierwotna zmieniona

Iły bentonitowe – laminarna

Iły oligoceńskie (septariowe) okolic Szczecina:

• Główne:

montmorillonit, illit,

• Podrzędne

Substancja organiczna, kaolinit, kwarc

• Sporadyczne:

Tlenki żelaza, chloryt, glaukonit, baryt

• Miąższość dochodzi do 400m na ogół występują pod nadkładem innych utworów w rejonie Szczecina około 60m

Mikrostruktura:

Iły septeriowe ze względu na silne zaburzenia glacitektonicznie mogą charakteryzować się mikrostrukturą turbulentną

Grunty czwartorzędowe: Miąższość jest zróżnicowan od kilku do kilkudziesięciu metrów

We frakcjach grubszych (od 0,002mm) dominują:

kwarc

skalenie

łyszczyki

minerały ciężkie

Frakcję iłową reprezentują:

hydrołyszczyki (częściowo zmontmorillonityzowane)

Podrzędnie

montmorillonit, kaolinit i haliozyt.

• Iły warwowe: Osady warstwowane powstałe w zbiornikach zastoiskowych

• Cykliczność powtarzająca się w sekwencji zima-lato

• Warwa:

- warstwy jasne-piaszczyste lub mułowcowe, letnie,

- warstwy ciemne-iłowe, zimowe

Warwochronologia

• Skład mineralny iłów warwowych Mazowsza: Warstwy jasne:

-minerały główne: kwarc, węglany, minerały ilaste (hydromiki),

-minerały poboczne: tlenki i wodorotlenki żelaza, minerały ilaste- montmorillonit i kaolinit,

-minerały dodatkowe: skalenie (plagioklazy), niewielkie ilości glaukonitu i minerałów ciężkich (granat, hornblenda, staurolit, dysten, cyrkon, rutyl i turmalin)

• Warstwy ciemne:

-minerały główne: ilaste (hydromiki), tlenki i wodorotlenki żelaza,

-minerały poboczne: kwarc, węglany, minerały ilaste (montmorillonit i kaolinit)

-minerały dodatkowe: skalenie, minerały ciężkie

• Skład granulometryczny iłów warwowych Warstwy ciemne: są iłami lub iłami pylastymi

-zawartość frakcji iłowej:32-82%

-zawartość frakcji piaskowej:0-12%

• Warstwy jasne: są glinami pylastymi, glinami pylastymi zwięzłymi rzadziej pyłami

-zawartość frakcji iłowej: 4-29%

-zawartość frakcji piaskowej: 2,5-38%