1. Klasyfikacja gruntów wg PN i EUEROCODE – 7

Wg EUROCODU

Kryterium	Grupa gruntów	Klasyfikacja	wydzielenie	Dalszy podział
Grunty suche sklejające się	Bardzo grube	Wymiary ziaren >200mm	Głazy, głazy kamienne	Wymagają badania specjalnego
		Wymiary ziaren >63mm	Kamienie, głazy kamienne, piaski
	Grube	>2mm	Gr, copr., SaGr, grSa,
		>0,063mm	Su, SiGr, siSa, dSa, dGr
Grunty suche sklejające się	drobne	Niskiej plastyczności bez dylatacji	Si, SaSi, sogrSi, Cl, ClSi, SiCl, SiOr, OrSi	Plastyczność, wilgotność, sztywność
Ciemny kolor mała gęstość	organiczne	-	Or, SuOr, SiOr, ClOr
Sztuczne	nasypy	Układane	Mg (wytwarzane przez ludzi)

	Oznaczenie	Domieszka
Bo	głazy	bo
Co	kamienie	co
Gr	żwiry	gr
Sa	piaski	sa
Si	pyły	si
Cl	iły	cl
Or	Grunty organiczne	or

Wg grubości frakcji

Opis rodzaju gruntu	Podział	Przedziały [mm]
Grube	Głazy, żwiry kamienne, grube głazy kamienne	63 i więcej
Grubo - ziarniste	Żwiry	Gruby 63 – 20
		Średni 20 – 6,3
		Drobny 6,3 – 2,0
	Piaski	Gruby 2,0 – 0,63
		Średni 0,63 – 0,2
		Drobny -,2 – 0,063
Grunty drobne	Pył gruby	0,063 – 0,02
	Pył średni	0,02 – 0,0063
	Pył drobny	0,0063 – 0,002
	Iły	<0,002

1. Kategorie geotechniczne

Kategorie geotechniczną ustala się w opinii geotechnicznej w zależności od stopnia skomplikowania warunków gruntowych oraz konstrukcji obiektu budowalnego, charakteryzujących możliwość przenoszenia odkształceń i drgań, stopnia zależności oddziaływań, stopnia zagrożenia życia i mienia awarią konstrukcji, jak również od wartości zabytkowej lub technicznej obiektu budowlanego i możliwości znaczącego oddziaływania tego obiektu na środowisko.

Rozróżnia się następujące kategorie geotechniczne obiektu budowalnego:

• I kategoria geotechniczna – obejmuje posadowienie niewielkich obiektów budowalnych o statycznie wyznaczalnym schemacie obliczeniowym w prostych warunkach gruntowych w przypadku których możliwe jest zapewnienie minimalnych wymagań na podstawie doświadczeń i jakościowych badań geotechnicznych, takich jak:

• 1- lub 2- kondygnacyjne budynki mieszkalne i gospodarcze

• Ściany oporowe i rozparcia wykopów, jeżeli różnica poziomów nie przekracza 2,0 m

• Wykopy głębokości 1,2 m i nasypy do wysokości 3,0 m wykonane w szczególności przy budowie dróg, pracach drenażowych oraz układaniu rurociągów.

• II kategoria geotechniczna – obejmuje obiekty budowlane posadowienie w prostych i złożonych warunkach gruntowych, wymagające ilościowej i jakościowej oceny danych geotechnicznych i ich analizy, takie jak:

• Fundamenty bezpośrednie lub głębokie

• Ściany oporowe lub inne konstrukcje oporowe utrzymujące grunt lub wodę

• Przyczółki i filary mostowe oraz nabrzeża

• Kotwy gruntowe i inne systemy kotwiące

• III kategoria geotechniczna – obejmuje ona:

• Obiekty zabytkowe i religijne

• Obiekty infrastruktury krytycznej

• Tunele w skałach

• Budynki wysokościowe projektowane w istniejącej zabudowie mieszkaniowej

• Obiekty budowalne, które zaliczane są do inwestycji mogących zawsze oddziaływać na środowisko

• Nietypowe obiekty budowalne niezależnie od stopnia skomplikowania warunków gruntowych, których wykonanie lub użytkowanie może stwarzać poważne zagrożenie dla użytkowników (np. energetyki, rafinerie itd.)

• Obiekty posadowione w skomplikowanych warunkach gruntowych

1. Minerały ekspansywne w budownictwie

Minerały ekspansywne – minerały, które przy pochłanianiu wody zwiększają swoją objętość, czyli pęcznieją.

Pęcznienie natomiast polega na zmianie objętości. Zdolność do pochłaniania wody związana jest z charakterem hydrofilnym minerałów ilastych wchodzących w skład gruntów spoistych oraz dużą powierzchnią właściwą. Pęcznienie prowadzi do ich rozpadu pod działaniem wody powodując rozmakanie gruntu, maleje również wytrzymałość gruntu a po przesuszeniu ulegają deformacją i skurczą, co przyczynia się do osiadania budynków.

Przykład:

• Skurcz iłów pod wpływem wysysania wody przez korzenie drzew (budynek osiada i tworzą się pod nią szczeliny)

• Pęcznienie powoduje przemieszczanie się ścian fundamentowych do wewnątrz budynku na skutek parcia poziomego ( przed zalaniem posadzki podziemni)

Głównymi czynnikami wpływającymi na charakter pęcznienia gruntów są:

1) skład i struktura gruntu (skład mineralny i granulometryczny)

2) skład kationów wymiennych (cechy strukturalno-teksturalne, wilgotność)

3) skład chemiczny i stężenie roztworu wodnego współdziałającego z gruntem

4) wartość obciążenia zewnętrznego

1. Rodzaje wody w gruncie

• Woda gruntowa grawitacyjna (poruszająca się swobodnie) – wpływa na szkielet gruntowy poprzez działanie chemiczne, mechaniczne, przekazywanie ciśnień hydrostatycznych i hydrodynamicznych (spływowych). Przekazywanie na szkielet gruntowy wiąże się z wywieraniem gruntu ku górze, co daje się szczególnie odczuć przy gruntach nieprzepuszczalnych i często ma miejsce w wykopach, gdy pod warstwą gruntu nieprzepuszczalnego znajduje się woda o napiętym zwierciadle (woda o ciśnieniu piezometrycznym)

• Woda przesączająca się od powierzchni do stałego zwierciadła (woda będąca w drodze infiltracji) - pochodzi z opadów, przesącza się przez całą strefę aeracji (między powierzchnią zwierciadła wody podziemnej, w tej strefie pory gruntowe zawierają powietrze) do strefy saturacji (strefa nasycenia wodą, występuje poniżej zwierciadła wody gruntowej, wolne przestrzenie w porach wypełnia woda wolna) pod wpływem sił ciężkości z góry w dół tak długo, aż napotyka warstwę gruntu o małej przepuszczalności – praktycznie warstwę wodoszczelną. Obecność tej wody w strefie aeracji wiąże się więc z częstotliwością i obfitością opadów atmosferycznych oraz przepuszczalnością utworów w tej strefie. W okresach suszy wody ta może całkowicie wyparować lub zużyta przez rośliny.

• Woda włoskowata kapilarna – może utworzyć się w gruncie o średnicy ziaren <6 mm. Wypełnia kanaliki istniejące w gruncie podnosząc się powyżej zwierciadła wody gruntowej w skutek działania sił molekularnych wody związanej, otaczającej cząstki gruntu i wody wolnej w skutek czego tworzą się meniski związane z przyczepnością cząstek wody do kanalików w gruncie (adhezja) i w skutek napięcia powierzchniowego wody. Występuje kapilarność czynna (podnoszenie się wody w kapilarach w stosunku do zwierciadła wody wolnej) i bierna (obniżenie się zwierciadła wody w stosunku do poziomu wody w kapilarach).

• Woda związana z powierzchnią cząstki (słabo związana (błonkowa) lub mocno związana (higroskopijna)) – woda błonkowa jest to woda przyciągana do powierzchni cząstki stałej siłą przyciągania molekuł wodnych, przylegających bezpośrednio do powierzchni cząstki (siła ta jest tak duża, że woda błonkowa przylegająca bezpośrednio do powierzchni cząstki zachowuje się jak ciało stałe). Grubość błonki wody związanej nie jest jednakowa na powierzchni całej cząstki, maleje ona wraz ze zmniejszeniem promienia krzywizny powierzchni cząstki. Ilość wody błonkowej w gruncie zależy od uziarnienia (im drobniejsze frakcja tym więcej wody błonkowej). Woda błonkowa nie generuje siły wyporu (w przeciwieństwie do wody wolnej). Zwartość wody błonkowej warunkuje niektóre właściwości gruntu:

1. Wodoprzepuszczalność (im więcej wody błonkowej tym mniejsza wodoprzepuszczalność)

2. Czas konsolidacji (im więcej wody błonkowej tym wolniejsza konsolidacja)

3. Współczynnik tarcia między cząsteczkami (im więcej wody błonkowej tym współczynnik tarcia mniejszy)

• Woda wchodząca w skład minerałów – wśród minerałów pierwotnych jest znaczna ilość bezwodnych, natomiast prawie wszystkie minerały wtórne zawierają w swoim składzie jakąś postać wody. Dlatego w gruntach spoistych woda wchodząca w siatkę krystaliczną minerałów odgrywa znacznie większą rolę niż w gruntach niespoistych

• Woda w postaci pary – stanowi około 0,001 % ciężaru gruntu. Jest jedyną postacią wody, która może przemieszczać się w gruncie przy nieznacznej jego wilgotności. W wyniku kondesacji pary na powierzchni cząstek gruntowych tworzą się inne postacie wody.

• Woda w stanie stałym w formie soczewek wodnych – przy temperaturze gruntu 0°C woda grawitacyjna zamarza i występuje w gruncie w postaci oddzielnych kryształów lub w postaci przewarstwień czystego lodu osiągając znaczne grubości. Kryształy lodu w większości przypadków odgrywają rolę lepiszcza spajającego cząstki mineralne. Obecność lodu wyraźnie zmienia właściwości gruntu. Kolejne zamarzanie i odmarzanie gruntu może doprowadzić do nieodwracalnych zmian struktury ich właściwości

• woda właściwa – stanowią ciągły poziom wodonośny, występują na większej głębokości i zalegają na znacznych obszarach. Są oddzielone od powierzchni terenu strefą aeracji, nieraz znaczniej miąższości. Wody te charakteryzują się znaczącymi wahaniami zwierciadła zależnie od warunków klimatycznych i termicznych.

• woda zaskórna – występują przejściowo blisko powierzchni terenu, na lokalnych soczewkach gruntowych mało przepuszczalnych leżących powyżej zwierciadła właściwej wody gruntowej. Wody te znajdują się pod bezpośrednim wpływem zmian atmosferycznych, a przede wszystkim temperatury i opadów. Wody powierzchniowe są z reguły zanieczyszczone substancjami organicznymi i najczęściej niezdatne do użytkowania

1. Zagadnienia przemarzania gruntu

w przypadku okresowego występowania temperatury powietrza poniżej 0°C następuje zamarzanie wody w gruncie, zwane przemarzaniem gruntu. Głębokość i prędkość przemarzania zależą nie tylko od temperatury powietrza i czasu trwania, ale także od takich czynników jak: osłona terenu, struktura i tekstura gruntu oraz skład granulometryczny gruntu. Po dłuższym trwaniu ujemnej temperatury powietrza granica przemarzania przesuwa się w dół. Ponad granicą przymarzania gruntu od powierzchni terenu tworzą się soczewki lodowe, które powiększają się wskutek podciągania wody od dołu. Nowe soczewki lodowe w sposób naturalny zwiększają wilgotność zamarzniętego gruntu. Bezpośrednio poniżej granicy przemarzania obserwuje się zmniejszenie wilgotności gruntu w porównaniu z wilgotnością gruntu przed zamarzaniem.

Należy to tłumaczyć tym, że soczewki lodowe przyciągają molekuły wodne od dołu ze swojego najbliższego otoczenia. Przyciąganie molekuł wodnych przez kryształy lodu następuje wskutek istnienia na ich powierzchni sił adsorpcji. Przyciągane molekuły uzupełniają siatkę krystaliczną lodu, po czym same przyciągają nowe molekuły wody z gruntów, co powoduje wzrost soczewek lodowych a więc i wzrost objętości gruntu – wysadziny.

Według Wiłuna wysadziny to podnoszenie powierzchni terenu czy nawierzchni drogowej w miejscach gdzie występuje grunt szczególnie wrażliwy na przemarzanie.

Badania wykazały, że wysadziny mogą występować tylko wtedy gdy:

• Ujemna temperatura powietrza utrzymuje się dość długo

• Grunt podłoża jest wysadzinowy

• Grunt podłoża jest bardzo wilgotny; a zwierciadło wody gruntowej zalega dość płytko.

Na drogach wysadziny są szczególnie widoczne pod koniec zimy lub wczesna wiosna na niskich nasypach przy przepustach po stopnieniu śniegu nawierzchni drogi. Uszkodzenia budynków wskutek przemarzania podłoża polegają najczęściej na podniesieniu fundamentów (posadowiony zbyt płytko ponad granicę przemarzania) w wyniku działania sił wysadzinowych.

Siły wysadzinowe działają prostopadle do podstaw fundamentu oraz stycznie na jego pobocznicę, jeśli zamarznięty grunt bezpośrednio dotyka do jego powierzchni bocznej i jest do niej przemarznięty.

Im bardziej drobnoziarnisty jest grunt tym mniejsze są wymiary porów, tym więcej porów jest prawie całkowicie wypełnionych wodą adsorbowana, a więc lepsze są warunki do tworzenia się wydzielonych soczewek lodowych i powstania wysadzin. Wynika stąd, że o wysadzinowości gruntu zasadniczo decyduje wymiar porów, a nie wymiar ziaren gruntu.

1. Tiksotropia gruntów i jej praktyczne znaczenia

Tiksotropia – zjawisko przechodzenia żelu w zol i odwrotnie na skutek oddziaływań mechanicznych.

Grunty zwierające bardzo drobne cząsteczki iłowe o różnych wymiarach koloidalnych (<0,002mm) odznaczają się również tiksotropią. Występują one nawet wtedy gdy szkielet tych gruntów składa się z częściowo z cząstek znacznie większych od koloidów np. z cząstek pyłowych lub z drobnego piasku. Cząstki iłowe i koloidalne, tworząc pomiędzy większymi ziarnami tiksotropowe spoiwo w postaci ciągłej siatki przestrzennej, nadają gruntowi spoistość i wytrzymałość. Struktura tiksotropowa spoiwa gruntu może być naruszona w skutek drgań i wibracji, co powoduje znaczne uplastycznienie gruntu a nawet jego upłynnienie. Zjawisko tiksotropii różni się od koagulacji tym, że w czasie koagulacji powstają oddzielnie kłaczki, nie połączone między sobą, natomiast tworzenie się żelu obejmuje wszystkie cząstki zawiesiny, z których po pewnym czasie powstaje ciągła struktura komórkowa.

Zastosowanie tiksotropii:

• Zawiesiny tiksotropowe przy wykonywaniu przepon szczelinowych i wierceń

• Jako domieszka do piasków formierskich z betonu (jest to grunt klasycznie tiksotropowy)

1. Właściwości fizyczne gruntów istotne z punktu widzenia inżynierskiego

• Uziarnienie – określenie ilości poszczególnych frakcji w danym gruncie określa się, czyli tzw. składu granulometrycznego. Tak więc uziarnienie określa się procentową zawartością poszczególnych frakcji w stosunku do ciężaru całej próbki badanego gruntu. Szkielet gruntowy składa się z ziaren (d> 0,05 mm) i cząstek (d<0,005 mm) różnej wielkości i kształtu. Ziarna większa od 0,05 mm można rozróżnić okiem nieuzbrojonym lub przy pomocy lupy. Natomiast cząstki o mniejszych wymiarach można rozróżnić pod mikroskopem.

Ziarna i cząstki gruntu dzielone są wg wielkości na grupy zwane frakcjami. Według normy PN-86/B-02480 wyróżniamy pięć następujących frakcji:

• Wilgotność – (ang. water content) jest to stosunek wody zawarty w gruncie do masy szkieletu gruntowego (masa ziarna, bez porów) wyrażony w procentach:

$$\mathbf{w =}\frac{\mathbf{m}_{\mathbf{d}}}{\mathbf{m}_{\mathbf{w}}}$$

Wilgotność jest czynnikiem kształtującym wile fizyczno-mechanicznych właściwości gr gruntów, zwłaszcza gruntów spoistych i zmienność jej będzie powodowała znaczną fluktuację tych właściwości.

Wyróżnia się następujące rodzaje wilgotności

• Wilgotność naturalna (w_n) – (ang. water content) wilgotność charakteryzująca zawartość wody w gruncie w warunkach naturalnych. Do jej oznaczenia powinny być użyte próbki o wilgotności naturalnej strukturze. Wilgotność jest parametrem o wysokiej zmienności. Jego wartość zależy od szeregu czynników (opady atmosferyczne, pora roku, stan wód gruntowych itd.).

• Wilgotność całkowita (w_sr) – (ang. total water content) grunt ma wilgotność całkowitą gdy jego pory są całkowicie wypełnione wodą. Właściwość jest związana z gruntami niespoistymi. Jest maksymalną (graniczną) wartością wilgotności – nie zależy od jej zmian

• Wilgotność optymalna ( w_opt) – przy zagęszczeniu tego samego gruntu w jednakowy sposób i z jednakową energią uzyskuje się różne zagęszczenie, zależne od wilgotności gruntu. W przypadku gruntów spoistych i niektórych gruntów niespoistych można znaleźć taką wilgotność przy której uzyskuje się największe zagęszczenie

• Ciężar objętościowy (γ) – (ang. unit weight of soil) jednostką jest kN/m³. Ciężar objętości gruntu, liczony ze wzoru:

γ = ρ * g

Gdzie ρ – gęstość objętościowa gruntu, a g – przyspieszenie ziemskie. Ciężar objętościowy jest wrażliwy na zmiany wilgotności. Wrażliwość ta jest analogiczna jak w przypadku gęstości objętościowej.

Gęstość objętościowa – (ang. bulk density of soil) stosunek masy gruntu (M) do jego objętości (V) wyznaczona na próbce gruntu o wilgotności naturalnej. Zależy ona od ciężaru właściwego szkieletu gruntowego, porowatości i wilgotności. Służy do obliczenia między innymi parcia gruntu na ścianki oporowe.

$$\rho = \frac{M}{V}\lbrack\frac{\text{kg}}{m^{3}}\rbrack$$

• Ciężar właściwy - (ang. unit weight of soil particles) stosunek ciężaru szkieletu gruntowego do jego objętości:

γ_s=ρ_s*g

Gęstość właściwa szkieletu gruntowego (ρ_S) – (ang. density of solid particles) stosunek masy szkieletu gruntowego do objętości tego szkieletu.

• Stan gruntu – cecha charakterystyczna gruntu, którą określa się na różne sposoby w zależności od tego czy grunt jest spoisty czy nie:

• Stany gruntów niespoistych: zależy od I_D

Stan gruntu niespoistego wg Wiłuna	Stopień zagęszczenia ID
Grunt luźny	ID ≤ 0, 33
Grunt średnio zagęszczony	0, 33 < ID ≤ 0, 67
Grunt zagęszczony	0, 67 < ID ≤ 1, 0

Stan gruntu niespoistego wg Eurokodu – 7	Stopień zagęszczenia ID
Grunt bardzo luźny	ID ≤ 0, 25
Grunt luźny	0, 25 < ID ≤ 0, 33
Grunt średnio zagęszczony	0, 33 < ID ≤ 0, 67
Grunt zagęszczony	0, 67 < ID ≤ 0, 80
Grunt bardzo zagęszczony	0, 80 < ID ≤ 1, 0

Stopień zagęszczenia I_D - (ang. relative density) wyrażamy w ułamku dziesiętnym w zakresie zmienności od 0 do 1. Wyraża on stosunek zagęszczenia gruntu do istniejącego w warunkach naturalnych do największego możliwego zagęszczenia danego gruntu. Jego wartość zależy od składu granulometrycznego gruntu, porowatości, kształtu ziaren oraz od wielu innych czynników. Stopień gruntu luźno usypanego jest równy 0. A stopień zagęszczenia gruntu maksymalnie zagęszczonego jest równy 1 stopień zagęszczenia liczymy ze wzoru:

$$I_{D} = \frac{e_{\max} - e}{e_{\max} - e_{\min}}$$

gdzie  : e − wskaznik porowatosci w warunkach naturalnych 

e_max – wskaźnik porowatości przy najluźniejszym ułożeniu

e_min – wskaźnik porowatości przy największym zagęszczeniu ziarna (przez wibracje), najmniej porów

Wskaźnik porowatości (e) – (ang. void ratio) określa średni statyczny rozstaw (elementów) ośrodka w przestrzeni, jest więc jedną z geometrycznych charakterystyk struktury ośrodka. Wraz ze średnim rozmiarem ziarna (cząstki) pozwala on określić stopień wypełnienia przestrzeni zajętych przez ośrodek. Wskaźnik objętości odnosi objętość porów do objętości szkieletu.

$$e = \frac{n}{1 - n}$$

Gdzie n – porowatość

Porowatość (n) – (ang. porosity) stosunek objętości porów w próbce gruntu do całkowitej objętości tej próbki. Porowatość charakteryzuje więc sumaryczna objętość porów w gruncie niezależnie od ich wielkości. Porowatość gruntu może być charakteryzowana także przez wskaźnik porowatości:

$$n = \frac{e}{e + 1}$$

Na ogół porowatość wzrasta ze zmniejszeniem się wymiarów ziarna.

• Stan gruntu niespoistych : zależy od stopnia plastyczności I_L oraz wilgotności w_n

Stan gruntu wg Wiłuna	Wartość IL i wn	Skrót
Zwarta	IL <0 oraz wn <wS	zw
Półzwarta	IL ≤0 oraz ws <wn<wp	pzw
Twardoplastyczny	0<IL ≤0,25 oraz wp <wn<wL	tpl
Plastyczny	0,25<IL ≤0,5 oraz wp <wn<wL	pl
Miękkoplastyczny	0,5<IL ≤1,0 oraz wp <wn<wL	mpl
Płynny	IL >1,0 oraz wn>wL	pł

Stopień plastyczności (I_L) – (ang. water-plasticity ratio) jeden z parametrów gruntu, za pomocą którego można wyznaczyć stan gruntu spoistego. Wskaźnik stosunkowego zawilgocenia, wskaźnik liczbowy konsystencji – stosunek różnicy wilgotności naturalnej danego gruntu i granicy plastyczności do jego wskaźnika plastyczności.

$$I_{L} = \frac{w_{n}{- w}_{P}}{w_{L} - w_{P}}$$

Granica płynności (w_L) – (ang. liquid limit) wyrażany w procentach. Jedna z granic konsystencji gruntów spoistych określająca graniczną wilgotność między stanem miękkoplastycznym a płynnym. Oznacza się ją w laboratorium metodą Casagrande’a lub metodą stożka

Granica skurczalności (w_S) – (ang. shrinkage limit) 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 (w_p) – (ang. plastic limit) jedna z granic konsystencji gruntów spoistych, określająca graniczą wilgotność między stanem twardoplastycznym a półzwartym. Jest to największa procentowa zawartość wody w gruncie mierzona w stosunku do masy jego szkieletu przy której grunt rozwałeczkowany z kulki o średnicy 7-8 mm w wałeczki do średnicy 3 mm, zaczyna się kruszyć lub pękać

• Kapilarność – kanaliki utworzone z porów gruntu uważać można za kapilary. Wysokość kapilarnego podniesienia się wody zależy od średnicy rurki, im węższa, tym wyżej podnosi się woda. Kapilarność jest wynikiem dwóch zjawisk: przyczepności (adhezji) wody do ścianek rurki oraz napięcia powierzchniowego wody. Po wstawieniu kapilary do wody wskutek przyciągania molekularnego woda błonkowa pokrywa całą zewnętrzną i wewnętrzną powierzchnię ścianki rurki do pewnej wysokości ponad zwierciadła wody wolnej, przez co zwiększa się powierzchnia graniczna pomiędzy wodą i powietrzem. Zwiększeniu powierzchni granicznej przeciwdziała napięcie powierzchniowe wody. Napięcie to przeciwdziała dalszemu powiększaniu się krzywizny menisku.

Zjawisko podnoszenia się w kapilarze do góry w stosunku do zwirciadła wody wolnej nazywa się kapilarnością czynną. Jeżeli chodzi o obniżenie się poziomu zwierciadła wody w kapilarach mamy do czynienia z kapilarnością bierna.

• Wodoprzepuszczalność – filtracja, zdolność gruntu do przepuszczania wody siecią kanalików utworzonych z porów w nim występujących. Czynnikiem powodującym przepływ wody w warunkach naturalnych są siły grawitacji ziemskiej. Wodoprzepuszczalność zależy od:

• uziarnienia gruntu

• porowatości gruntu

• składu mineralnego szkieletu gruntowego i rodzaju kationów wymiennych

• temperatury wody (lepkości)

• Wskaźniki umowne:

• Wskaźnik porowatości e – nazywamy stosunek objętości porów V_p do objętości cząstek gruntu (szkieletu gruntowego) V_s. wskaźnik ten oblicza się ze wzoru:

Pomiędzy wskaźnikiem porowatości a porowatością istnieje zależność, które ilustruje rysunek:

Wskaźnik porowatości gruntów niespoistych waha się w granicach 0,-1,0 a w gruntach spoistych może być znacznie większy.

• Wskaźnik plastyczności I_P – (ang. plasticity index) różnica pomiędzy granica plastyczności a granicą płynności. Oznacza on, ile wody w procentach (w stosunku do masy szkieletu) wchłania dany grunt przy przejściu ze stanu półzwartego w stan płynny:

I_p = w_L − w_P

Wskaźnik plastyczności pozwala określić spoistość gruntu:

Spoistość gruntu	Wskaźnik plastyczności %
Sypkie	<1
Mało sypkie	1-10
Średnio sypkie	10-20
Zwięzło spoiste	20-30
Bardzo spoiste	>30

• Wskaźnik zagęszczenia I_s – (ang. degree of compaction) miara zagęszczenia gruntu nasypowego, stosunek gęstości objętościowej szkieletu badanego gruntu zagęszczonego do maksymalnej gęstości objętościowej gruntu. Wartość wskaźnika zagęszczenia waha się w granicach 0,9-1,0 ale może też przekroczyć 1,0 , np. przez zagęszczenie nasypu przez pojazdy jeżdżące po nim.

$$\mathbf{I}_{\mathbf{s}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{\rho}_{\mathbf{s}}}{\mathbf{\rho}_{\mathbf{\text{ds}}}}$$

1. Stopień zagęszczenia i wskaźnik zagęszczalności

• Stopień zagęszczenia (I_D) – (ang. density index) stosunek zagęszczenia istniejącego w warunkach naturalnych do największego możliwego zagęszczenia danego gruntu. Przyjmuje on wartości od 0 do 1.

$$I_{D} = \frac{e_{\max} - e}{\text{e\ }_{\max} - e_{\min}}$$

e_max – wskaźnik porowatości przy najluźniejszym ułożeniu gruntu

e_min – wskaźnik porowatości przy największym zagęszczeniu ziarna (przez wibracje), najmniej porów

e – wskaźnik porowatości w warunkach naturalnych

Klasyfikacja zagęszczenia gruntów według PN-EN ISON 14688-2:

Nazwa	Stopień zagęszczenia [%]
Bardzo luźne	0 do 15
Luźne	15 do 35
Średnio zagęszczony	35 do 65
Zagęszczony	65 do 85
Bardzo zagęszczony	85 do 100

• Wskaźnik zagęszczenia (I_S) – (ang. degree of compaction) miara zagęszczenia gruntu nasypowego, stosunek gęstość objętościowa szkieletu badanego gruntu zagęszczonego go maksymalnej gęstości objętościowej gruntu (przy wilgotności optymalnej, oznaczonej aparatem Proctora). Wartość I_S najczęściej waha się w granicach 0,9-1,0 ale może też przekroczyć 1,05 np. na skutek zagęszczenia nasypu przez drgania pojazdów jeżdżących po nim już po ułożeniu nawierzchni. Grunt zagęszczony na potrzeby budownictwa posiada I_S około 0,95 do 0,98

$$I_{S} = \frac{\rho_{d}}{\rho_{\text{ds}}}$$

1. Konsystencje i stany gruntów spoistych

Stany gruntów spoistych zależą od stopnia plastyczności I_L oraz od wilgotności naturalnej w_n

KONSYSTENCJA	STAN GRUNTU	WARTOŚĆ IL i wn	SKRÓT
Zwarta	Zwarta	IL <0 oraz wn <wS	zw
	Półzwarta	IL ≤0 oraz ws <wn<wp	pzw
Plastyczna	Twardoplastyczna	0<IL ≤0,25 oraz wp <wn<wL	tpl
	Plastyczna	0,25<IL ≤0,5 oraz wp <wn<wL	pl
	Miękkoplastyczna	0,5<IL ≤1,0 oraz wp <wn<wL	mpl
Płynna	Płynny	IL >1,0 oraz wn>wL	pł

1. Ciśnienie spływowe w stanach gruntów spoistych

Przepływająca przez grunt woda wywiera na szkielet gruntowy ciśnienie, które przezwycięża siłę tarcia wody o ziarna i cząstki gruntu. Ciśnienie to w odniesieniu do jednostki objętości gruntu nosi nazwę ciśnienia spływowego (hydrodynamicznego) i jest skierowane zgodnie z kierunkiem filtracji (stycznie do linii prądu).

Wzajemne oddziaływanie wody i szkieletu gruntowego zmienia się gdy rozpoczyna się filtracja. Woda filtrująca przez grunt, wskutek napotkanych oporów ruchu działa na szkielet gruntowy. Powoduje powstanie sił filtracyjnych skierowanych zgodnie z kierunkiem filtracji (stycznie do linii prądu). Siły te, odniesione do jednostki objętości gruntu, nazywa się ciśnieniem spływowym lub ciśnieniem filtracyjnym. Ciśnienie spływowe można określić rozpatrując schemat:

Ciśnienie spływowe nie zależy od prędkości filtracji, lecz tylko od spadku hydraulicznego. Ciśnienie spływowe jest jednostkową siłą objętościową i może być mierzone w kN/m³. W odróżnieniu od ciśnienia wody w porach, które może być rozpatrywane jako wielkość skalarna, ciśnienie spływowe jest wektorem. Ciśnienie spływowe działa na cząstki gruntu dodatkowo, poza siłami grawitacji (ciężaru i wyporu). Tak więc w warunkach filtracji grunt pozostaje pod wpływem sił grawitacji i siły filtracyjnej, których wypadkowa jest siłą masową: od niej zależy naprężenie efektywne.

1. Fazy współpracy fundamentu z podłożem gruntowym

Faza I (faza zagęszczania):

Występuje liniowa zależność pomiędzy obciążeniem a osiadaniem. W tej fazie fundament osiada wyłącznie w wyniku ściśliwości gruntu, następuje przemieszczenie cząstek w kierunku pionowym zagęszczając grunt, który zachowuje się jak ośrodek sprężysty. Po obciążeniu gruntu odpręża się:

$$s = \frac{\sigma}{E}$$

Gdzie E – edometryczny moduł ściśliwości ogólnej (odpowiednik modułu Younga)

Faza II (faza ścinania, sprężysto-plastyczna):

• W tej fazie w pewnych punktach podłoża przekroczenie wytrzymałości na ścianie połączone z poziomym przemieszczeniem cząstek gruntu i powstaniem obszarów plastycznych. Rozkład naprężeń pod fundamentem jest nierównomierny i koncertuje się pod osią fundamentu. Częściowe uplastycznienie się gruntu pod krawędzią fundamentu:

|τ| = |τ_f|

Gdzie: τ – naprężenie statyczne

τ_f – wytrzymałość gruntu na ścinanie

Faza III (faza wypierania, graniczna):

Faza wypierania gruntu spod fundamentu w miarę wzrostu obciążeń. W fazie tej występuje zarówno osiadanie jak i przechyłki fundamentu spowodowane wypieraniem uplastycznionego gruntu spod fundamentu. Modelem reologicznym odpowiadającym III fazie jest model Tresca-Saint Venanta.

Uogólniając zagadnienie odkształceń podłoża można stwierdzić, że występują one z 2 przyczyn:

• Osiadanie właściwe w skutek ściśliwości

• Osiadanie na skutek uplastycznienia pod fundamentem

W trakcie osiadania przeciążonego fundamentu występują kolejne zjawiska:

• Tarcie cząstek gruntowych (nietrwałe), równoważące ciężar fundamentu

• Zagęszczenie

• Ścięcie wraz z uplastycznieniem

• Przechyłka i nadmierne osiadanie

Przy projektowaniu fundamentów należy odpowiednio dobrać jego rozmiar (zwiększenie powierzchni zmniejsza naprężenia) i znaleźć odpowiednio nośną warstwę gruntu (zdolną do przeniesienie obciążeń). Powyższe kryteria należy dopasować w ten sposób, aby spełnione było kryterium ekonomiczne oraz, co najważniejsze, kryterium bezpieczeństwa konstrukcji. Fundamenty można projektować tylko na I i II fazę:

• Na I fazę – konstrukcje statycznie niewyznaczalne, konstrukcje o dużym znaczeniu , konstrukcje o małej tolerancji osiadań np. stacje radiowe

• Na II fazę: konstrukcje statycznie wyznaczalne

1. Rozkład naprężeń kontaktowych pod absolutnie sztywnym fundamentem

W przypadku fundamentów murowanych lub betonowych o dużej sztywności własnej rozkład naprężeń w poziomie posadowienia i górnych warstwach podłoża ( do głębokości równej około połowie szerokości fundamentu) nie będzie równomierny. Przy sztywnym fundamencie o podstawie kołowej, teoretyczny rozkład naprężeń w poziomie posadowienia wyznacza się ze wzoru:

$$\sigma = \frac{q}{2*\sqrt{1 - \frac{\rho^{2}}{r^{2}}}}$$

ρ − odleglosci rozpatrywanego punktu od osrodka fundamentu

r − promien podstawy fundamentu 

Zgodnie ze wzorem dla ρ=0 (punkt w środku podstawy) s=0,5; przy ρ=r, s jest równe nieskończoność. Ponieważ naprężenie w gruncie przy krawędzi fundamentu nie może przekroczyć pewnej wartości krytycznej, grunt zalegający dalej od krawędzi. Powoduje to zmianę rozkładu naprężeń poziomie posadowienia. Faktyczny rozkład naprężeń podany jest na rysunkach:

Przy dalszym zwiększaniu nacisku na grunt naprężenia wzrastają coraz bardziej ku środkowi fundamentu i krzywa naprężeń otrzymuje kształt paraboli.

Podsumowując, rozkład naprężeń w gruncie w poziomie posadowienia jest zależna w dużej mierze od wytrzymałości gruntu, wartości obciążenia oraz od szerokości fundamentu (wąskie fundamenty – rozkład naprężeń paraboliczny, szerokie fundamenty – rozkład naprężeń siodłowy).

1. Naprężenia pod fundamentem budowli w zależności od fazy realizacji

Naprężenia pod fundamentem oblicza się w celu oceny spodziewanego osiadania podłoża. Stan naprężeń w ośrodku gruntowym pod geometrycznym środkiem bezpośredniego, prostokątnego fundamentu, posadowionego w wykopie zmienia się w trakcie realizacji inwestycji

1. Faza I – przed rozpoczęciem robót wykopowych w gruncie istnieją naprężenia pierwotny, których źródłem jest ciężar własny gruntu:

$$\sigma_{h}^{\gamma} = \sum_{i = 1}^{n}{m_{i}*\gamma_{i}}$$

gdzie:

h – głębokość od powierzchni terenu [m]

i – numer warstwy geotechnicznej

n – ilość warstwy geotechnicznej

m_i – miąższość kolejnej warstwy [m]

γ_i – ciężar objętościowy warstwy [kN/m³]

W przypadku gdy warstwa geotechniczna znajduje się poniżej zwierciadła wody gruntowej należy uwzględnić wypór wody działający na szkielet gruntowy i do obliczeń naprężeń przyjąć ciężar objętościowy gruntu γ^’=(1-n)*(γ_s-γ_w)

Naprężenia pierwotne w poziomie posadowienia wynoszą:

σ_D^γ = D * γ₁

Naprężenia pierwotne na głębokości „z” poniżej posadowienia (głębokości h poniżej terenu) są równe:

σ_h^γ = D * γ₁ + m₁ * r₁ + (z−m₁) * γ₂^′

1. Faza II – po wykonaniu wykopu fundamentowego następuje odprężenie gruntu istniejącego w tym stanie naprężenia pionowe w gruncie noszą nazwę naprężeń nominalnych. Naprężenia nominalne w dnie wykopu są równe zero zaś na głębokości z>0 poniżej poziomu posadowienia wynoszą:

Naprężenia wtórne w poziomie posadowienia są równe naprężeniom pierwotnym na tym poziomie. Na głębokość z>0 naprężenia wtórne liczy się ze wzoru:

gdzie: η_o – współczynnik zanikania naprężeń dla metody punktów środkowych

1. Faza III - W dalszych etapach realizacji inwestycji siła Q, pochodząca od ciężaru fundamentu oraz nadziemnych części obiektu budowalnego (ciężar ścian, stropów itd. ) systematycznie rośnie

2. Faza IV – po zakończeniu inwestycji i wyposażeniu obiektu jednostkowego obciążenie działające na podłoże gruntowe wynosi:

$$q = \frac{Q}{L*B}$$

Gdzie: Q – obciążenie od fundamentu i budowli [kN]

L, B – wymiary fundamentu [m]

1. Obciążenia graniczne

Obciążenia graniczne – obciążenia na granicy II i III fazy współpracy z gruntu z podłożem, którego przekroczenie powoduje wypieranie gruntu spod fundamentu oraz przechylenie fundamentu co prowadzi do utraty nośności.

1. Obciążenia krytyczne

Obciążenie krytyczne – obciążenie, którego przekroczenie powoduje w podłożu gruntowym, poniżej krawędzi powierzchni obciążonej, powstanie strefy uplastycznienia (obciążenie na granicy I i II fazy współpracy fundamentu z podłożem). W obrębie strefy uplastycznienia gruntu znajduje się w stanie granicznym i nie można stawiać oporu wzrastającym naprężeniom ścinającym a pod względem właściwości mechanicznych upodabnia się do cieczy lepkiej. Warunek stanu granicznego w dowolnym punkcie podłoża określa wzór:

|τ| = τ_f = σtgF + c

1. Główne typy fundamentów oraz ich przeznaczenie

• Fundamenty płytkie – są to podstawy elementów konstrukcji oparte bezpośrednio na gruncie. Zaliczamy do nich ławy pod ścianami lub szeregami słupów konstrukcyjnych, podstawy (stopy) słupów pojedynczych, ruszty stanowiące układy szeregu wzajemnie prostopadłych ław, płyty różnego rodzaju, cienkie powłoki.

Wprawdzie brak jest ścisłej definicji fundamentu płytkiego, można jednak określić go ogólnie jako fundament, którego głębokość jest mniejsza lub co najwyżej równa szerokości, dodatkowo można by wskazać, że zwykle jest on wykonany na głębokość, której osiągnięcie nie wymaga szczególnych zabiegów zabezpieczających ściany wykopu od obsunięcia, specjalnych metod wykonania, uciążliwej walki z wodą

• Fundamenty głębokie – nie różnią się one konstrukcją od fundamentów płytkich jednak metody wykonania są inne: potrzebne tu jest z reguły umocnienie ścian wykopów, które przeważnie utrzymuje się w pionie dla uniknięcia wydobywania, składania i powrotnego zasypywania dużych mas ziemi, co wynikałoby z głębienia wykopu ze zboczami pochyłymi.

Poza tym zwykle występuje konieczność walki z napływem wody gruntowej do wykopu i nieraz nieszczelnościami jego ścian.

• Pale

Palem – nazywamy element o małym przekroju w stosunku do długości, który przenosi obciążenia przypadające od budowli na głębiej leżące warstwy gruntu. Przekazywanie obciążenia na grunty odbywa się przez podstawę i pobocznicę. To zjawisko różni pal od słupa

• Studnie opuszczane

Studnie opuszczane – gdy warstwa gruntu leży na znacznej głębokości, przy tym poniżej zwierciadła wody gruntowej, stosujemy nieraz studnie opuszczane. Studnia stanowi obudowę wykopu, przygotowaną ponad terenem w miejscu jej opuszczania. Zagłębienie odbywa się przez wydobywanie gruntu ze studni, która z reguły pod własnym ciężarem zagłębia się w grunt pokonywując opór tarcia pomiędzy jej boczną powierzchnią i otaczającym gruntem. Po opuszczaniu i zabetonowaniu dna, wnętrze studni może stanowić pomieszczenie podziemne, zbiorniki lub po wypełnieniu betonem tworzyć filar fundamentowy.

• Kesony

Kesony – nazywamy skrzynię przeważnie żelbetową, odwróconą dnem do góry. W wodzie, czy nawodnionym gruncie, ze skrzyni wypiera wodę za pomocą sprężonego powietrza po czym do ksenonu wchodzą ludzie. Podkopując ściany kesonu powoduje się jego zagłębianie, podobnie jak studni. Na skrzyni w trakcie opuszczania buduje się fundament, który daje obciążenie potrzebne do pokonania tarcia. Zaletą tej metody budowy fundamentu jest praca na sucho, dostęp do spodu ścian, łatwość usuwania przeszkód itd. Poważną wadą jest konieczność pracy w spiętrzonym powietrzu, którego ciśnienie rośnie w miarę zagłębienia się poniżej zwierciadła wody. Jako granicę możliwości pracy przyjmuje się 3,5 atmosfery ponad ciśnienie atmosferyczne, co odpowiada zagłębieniu około 35 metrów od poziomu wody.

• Wzmacnianie gruntu podłoża

Pewnym rodzajem fundamentowania jest wzmacnianie istniejącego podłoża gruntowego przez ułożenie warstwy piasku pod właściwym fundamentem, zagęszczenie gruntu niespoistego przez ubijanie lub wibrowanie, osuszenie gruntu spoistego, przyspieszenie osiadania gruntu ściśliwego przez wstępne obciążenie i ułatwienie odprowadzania wody, zeskalenie gruntu niespoistego przez wprowadzenie w jego pory za pomocą zastrzyków sztucznego lepiszcza, wiążącego ziarna gruntu i zwiększającego przez to jego wytrzymałość.

1. Zasady projektowania zieleni w otoczeniu budowli

Przy projektowaniu obiektu na podłożu zawierającym grunty wrażliwe na zmiany wilgotności należy określić jego położenie względem drzew. Wyróżnia się następujące sytuacje:

• Budynek znajduje się w całości w strefie tzn S_A, czyli wolnej od wpływu drzew

• Budynek częściowo lub w całości znajduje się w strefie tzn S, czyli wpływu drzew lub w strefie S_x – potencjalnego zagrożenia

Ocenę sytuacji należy określić przez wyznaczenie zasięgu poszczególnych stref oddziaływania drzew i stwierdzenia, czy strefy te obejmują analizowany obiekt budowlany.

W celu oceny oddziaływania drzew na budynki należy określić:

• Zasięg strefy wpływu drzewa – S

• Maksymalny zasięg wpływu drzewa Smax

Zasięg strefy wpływu drzewa S powinien obejmować teren w obrębie drzewa. Które może spowodować wystąpienie przemieszczeń podłoża. Zaleca się przyjmować kształt tej strefy jako stożek. Promień strefy wyznacza się ze wzoru:

Gatunki drzew różnią się intensywnością oddziaływania na podłoże. Zaleca się więc przy każdej strefie wpływu umieścić wartość wpływu intensywności drzewa w punktach:

W przypadku gdy dwa drzewa nachodzą na siebie, bądź też więcej – punkty te należy zsumować.