ŚCIŚLIWOŚĆ GRUNTÓW

Pod działaniem przyłożonego obciążenia grunt ulega odkształceniom.

Odkształcenie gruntu, który jest ośrodkiem rozdrobnionym, polega na zmniejszeniu objętości w wyniku wyciskania wody i powietrz wypełniającego pory gruntowe, przemieszczeniu się cząsteczek stałych względem siebie i zgniataniu niektórych z nich oraz na sprężystym samych cząsteczek gruntowych i wody błonkowej w punktach kontaktowych.

W przypadku mało przepuszczalnych gruntów wyciskanie wody z porów wymaga odpowiednio długiego czasu i dlatego gruntu spoiste osiadają wolniej niż grunty niespoiste, które osiadają praktycznie niemal natychmiast po przyłożeniu obciążenia.

Przykładowy wykres zależności zmiany objętości gruntu pod wpływem obciążenia dla jednorodnego stanu odkształcenia.

Szkielet gruntowy jest stały. Osiadanie gruntu jest praktyczne określone zmianą wskaźnika porowatości.

Wzrost obciążenia próbki powoduje osiadanie „s” - linia „ab”; odciążenie próbki powoduje odprężenie - linia „bc”. Jak widać odciążenie występuje w znacznie mniejszym stopniu.

Świadczy to o powstaniu w gruncie odkształceń częściowo sprężystych, częściowo stałych.

Ponowne obciążenie daje nową krzywą „cd” ( występuje zjawisko histerezy - „opóźnienia”) i wyraźne załamanie w punkcie „d” (
), przy przejściu w krzywą pierwotnego obciążenia „de”.

Jeżeli próbka gruntu o nienaruszonej strukturze wykazuje przy pierwotnym obciążeniu takie załamanie, jest to oznaką, że grunt uległ już kiedyś obciążeniu i następnie odciążeniu. Przypadek obciążenia lodowcem. Możliwość określenia orientacyjnej grubości pokrywy lodowej.

Niektóre grunty spoiste pod wpływem zawilgocenia dodatkowo zwiększają swoją objętość, ulegając pęcznieniu. Pęcznienie jest to zdolność niektórych gruntów do gromadzenia wody słabo związanej , rozsuwającej cząstki stałe.

Grunty makroporowate ulegają pod wpływem zawilgocenia znacznym dodatkowym osiadaniom, określanym jako zapadanie.

Wielkościami charakteryzującymi ściśliwość gruntu są:

edometryczne moduły ściśliwości pierwotnej M₀ i edometryczne moduły ściśliwości wtórnej M,

moduły pierwotnego odkształcenia gruntu E₀ i moduły wtórnego odkształcenia gruntu E,

moduły podatności gruntu E_s,

Wielkościami charakteryzującymi odprężenie gruntu są odpowiednio moduły odprężenia

_ _

M i E.

W drogownictwie i przy budowie lotnisk odkształcenie podłoża przeważnie określa się na podstawie współczynników podatności podłoża C_P.

Współczynnikiem podatności podłoża C_P nazywa się współczynnik proporcjonalności pomiędzy obciążeniem
i osiadaniem s podłoża gruntowego wg hipotezy Winklera.

Zróżnicowanie tych wielkości wynika z przyjmowania innych schematów teoretycznych, czyli innych modeli określających stan naprężeń i odkształceń, odpowiadających różnym warunkom pracy podłoża gruntowego.

Edometryczne moduły ściśliwości M₀ i M oraz odprężenia
określa się w warunkach niemożliwej bocznej rozszerzalności próbki gruntu. Wielkości te ustala się na podstawie badań próbki gruntu w edometrze.

Edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej M₀ (ogólnej) jest to stosunek przyrostu

efektywnego naprężenia normalnego dσ do przyrostu

całkowitego odkształcenia względnego dε₀ =dε_t + dε_s

(wykres ab i de)

M₀ = dσ'/dε₀

Edometryczny moduł ściśliwości wtórnej (sprężystej) M jest to stosunek przyrostu efektywnego naprężenia normalnego dσ'' do przyrostu względnego, przeważająco sprężystego (odwracalnego) odkształcenia dε_s (wykres cd).

M = dσ''/dε_s

_

Edometryczny moduł odprężenia M jest to stosunek zmniejszenia efektywnego naprężenia normalnego dσ' do przyrostu względnego wydłużenia sprężystego próbki _

dε (wykres bc)

_ _

M = dσ'/ dε

_

Moduły odkształcenia E₀ i E oraz odprężenie E wyznacza się w warunkach możliwej bocznej rozszerzalności gruntu. Występuje tutaj jednoosiowy stan naprężenia przy przestrzennym stanie odkształcenia.

Moduł pierwotnego odkształcenia gruntu E₀ jest to stosunek przyrostu efektywnego naprężenia normalnego dσ' do przyrostu całkowitego odkształcenia względnego dε₀

E₀ = dσ'/dε₀

Moduł wtórnego (sprężystego) odkształcenia gruntu E jest to stosunek przyrostu efektywnego naprężenia normalnego dσ' do przyrostu względnego, przeważająco sprężystego, odwracalnego odkształcenia dε.

E = dσ'/dε

_

Moduł odprężenia gruntu E jest to stosunek zmniejszenia efektywnego naprężenia normalnego dσ' do przyrostu względnego wydłużenia sprężystego próbki _

dε

_

E = dσ'/ dε

_

Na podstawie pokazanych zależności można przyjąć, że E ≈ E

W warunkach laboratoryjnych w czasie ściskania próbki występują zaburzenie stanu odkształcenia w wyniku występowania tarcia w płaszczyznach czołowych próbki, pod płytkami obciążającymi. W celu wyeliminowania wpływu tego zjawiska stosuje się różne zabiegi, jak odpowiednie płytki beztarciowe, czy próbki wysokie, które jednak nie eliminują całkowicie występujących błędów. Dlatego w praktyce inżynierskiej moduły E_0, E i _

E

wyznacza się na podstawie próbnych obciążeń płytą bezpośrednio w terenie.

Próbne obciążenie gruntu sztywną płytą wykonuje się w wykopach. Do badań stosuje się płyty sztywne o kształcie kołowym lub kwadratowym i polu 0,5 m². Grubość płyty h powinna spełniać warunek wytrzymałości płyty na zginanie oraz warunek sztywności płyty wyrażony wzorem _______

h ≥ D V E_S/E_M

gdzie: D - średnica lub szerokość boku płyty,

E_S - moduł podatności gruntu,

E_M - moduł sprężystości materiału płyty.

Moduły podatności podłoża E_S i współczynniki podatności C_P określa się w warunkach ograniczonej bocznej rozszerzalności, w przestrzennym stanie naprężenia i odkształcenia.

Moduł podatności gruntu E_S jest to stosunek przyrostu efektywnego naprężenia normalnego dσ' do przyrostu całkowitego odkształcenia względnego dε₀.

E_S = dσ'/dε₀

Współczynnikiem podatności podłoża C_P nazywa się współczynnik proporcjonalności pomiędzy obciążeniem σ i osiadaniem s podłoża gruntowego według hipotezy Winklera

C_P = σ/s

Moduły i współczynniki podatności podłoża określa się na podstawie próbnych obciążeń gruntu podatną płytą kołową. Moduł podatności w tym przypadku określa się zależnością

E_S =σ·D/s

Gdzie: D - średnica płyty obciążającej

Związki teoretyczne pomiędzy wielkościami charakteryzującymi ściśliwość gruntu

ZADANIE.

Sposób obciążenia próbki w edometrze powinien modelować projektowany stan naprężeń pod budowlą. Dlatego pierwszy etap obciążenia wykonuje się do wartości zbliżonej do naprężenia pierwotnego σ_zγ odpowiadającego głębokości pobrania próbki do badań. Następnie odciąża się próbkę do firmowej wielkości (dla edometru typu ITB-ZW do 12,5 kPa). Jeśli poziom posadowienia fundamentu jest większy od głębokości pobrania badanej próbki, wykonuje się kolejne obciążenie do wartości naprężeń pierwotnych na poziomie posadowienia σ_oγ i odciążenie do firmowej wartości (12,5 kPa) a później obciąża się próbkę do projektowanego obciążenia fundamentem σ.

Wartość edometrycznego modułu ściśliwości pierwotnej M_o wyznacza się na podstawie wykresu ściśliwości pierwotnej według wzoru

Wartość edometrycznego modułu ściśliwości wtórnej wyznacza się na podstawie wykresu

ściśliwości wtórnej według wzoru

Wartość edometrycznego modułu odprężenia wyznacza się na podstawie wykresu odprężenia według wzoru

Ze względu na stosunkowo małą dokładność badań w edometrze, wynikającą między innymi z naruszenia struktury gruntu i własnych odkształceń edometru obliczone wg podanych wzorów wartości M₀ > 10 MPa i M > 20 MPa zaleca się uznawać za niemiarodajne.

Istnieją edometry wielkowymiarowe.

Współczynnik ściśliwości

Całkowita objętość próbki - V_C

Wskaźnik porowatości w stanie pierwotnym - e₀

Objętość szkieletu gruntowego - V_S

Pole podstawy próbki - A

Objętość porów - V_P

V_S + e · V_S = V_C ; V_S = V_C/(1+e)

e₀ = 0,7 ; A = 80 cm²

V_c = 80 · 2 = 160 cm² ;
;

;
;

;

4

---