GRUNTY BUDOWLANE

Grunt budowlany (w skrócie „grunt”) - część skorupy ziemskiej:

• współpracująca z obiektem budowlanym,

• stanowiąca jego element,

• służąca jako tworzywo do wykonania z niego budowli ziemnych.

Grunt składa się z trzech faz:

• stałej - tzw. szkieletu gruntowego - oddzielnych ziaren i cząstek, tworzących porowaty układ,

• ciekłej - wody wypełniającej pory:

• całkowicie - w strefie poniżej poziomu wód gruntowych (w tzw. strefie saturacji)

• częściowo - woda zawieszona lub wilgotność występująca powyżej poziomu wód gruntowych (w tzw. strefie aeracji),

• gazowej - powietrza wypełniającego pory w strefie aeracji.

Grunt naturalny - grunt, którego szkielet powstał w wyniku procesów geologicznych - np. wietrzenia, erozji i sedymentacji w wyniku procesów eolicznych (działanie wiatru) i fluwialnych (działanie płynącej wody).

Rozróżniamy trzy rodzaje gruntów naturalnych:

• skaliste - zbudowane z litych lub spękanych bloków o minimalnych wymiarach > niż 10 cm,

• nieskaliste mineralne - zawartość części organicznych (roślinnych i zwierzęcych) < niż 2 %

• nieskaliste organiczne - zawartość części organicznych > niż 2 %

Grunt antropogeniczny - grunt nasypowy powstały z produktów gospodarczej i przemysłowej działalności człowieka (np. odpadów komunalnych, gruzu budowlanego, pyłów dymnicowych, odpadów poflotacyjnych, odpadów z przerobu surowców mineralnych itp.) występujący w wysypiskach, zwałowiskach (hałdach), osadnikach oraz niektórych budowlach ziemnych.

Szkielet gruntowy składa się ziaren i cząstek różnego kształtu i wielkości, które charakteryzuje tzw. średnica zastępcza:

• ziarna mają średnicę zastępczą d > 0,05 mm

• cząstki mają średnicę zastępczą d ≤ 0,05 mm

Ziarna i cząstki gruntu dzielimy według wielkości na grupy zwane frakcjami.

Nazwa frakcji	Symbol	Zakres średnic zastępczych d (mm)
Kamienista	fk	d > 40
Żwirowa	fż	40 ≥ d > 2
Piaskowa	fp	2 ≥ d > 0,05
Pyłowa	fπ	0,05 ≥ d > 0,002
Iłowa	fi	0,002 ≥ d

Do oznaczenia uziarnienia gruntu stosuje się metody:

• sitową - stosowaną dla gruntów piaszczystych i żwirowych,

• areometryczną, dla gruntów zawierających dużą ilość cząstek mniejszych o d < 0,07 mm.

W metodzie sitowej średnicą zastępczą ziarna jest średnica oczka sita przez które przechodzi dana cząstka. Metoda ta polega na:

• przesiewaniu próbki gruntu przez zestaw sit o różnych wymiarach oczek,

• oznaczeniu ciężaru cząstek zatrzymanych na poszczególnych sitach,

• określeniu ich procentowego udziału w wadze całej próbki,

• sporządzeniu krzywej uziarnienia gruntu

Z krzywej przesiewu można określić:

• średnicę przeciętną (miarodajną) d₅₀ - średnica charakterystyczna, która wraz z ziarnami większymi stanowi wagowo 50 % próbki;

• zawartość poszczególnych frakcji;

• wskaźnik uziarnienia
  .

Gdy u ≤ 5 grunt jest równomiernie uziarniony.

Średnice d₆₀ i d₁₀ są ziarnami, które wraz z większymi stanowią odpowiednio 60% i 10% wagi próbki.

Klasyfikacja gruntów

Rodzaj gruntu określa się na podstawie procentowej zawartości poszczególnych frakcji oraz dodatkowych kryteriów:

• wielkości średnic charakterystycznych d₅₀ (d₉₀)

• wskaźnika plastyczności gruntu I_p

Wskaźnik plastyczności I_p pokazuje, jaką ilość wody (w procentach) wchłania grunt przy przejściu ze stanu półzwartego w płynny.

Na podstawie tego wskaźnika grunty dzielimy na:

• niespoiste (sypkie) - gdy I_p ≤ 1 %

• spoiste - gdy I_p > 1 %

Przy ustalaniu rodzaj gruntu wykorzystuje się:

• zestawienia tabelaryczne

• wykres w postaci tzw. trójkąta Fereta

Trójkąt Fereta pozwala na określenie rodzaju gruntu, w którym frakcja żwirowa stanowi f_ż < 10 %.

Cechy fizyczne gruntów

Zależności objętościowe i wagowe poszczególnych faz gruntu

Objętość (cm³) Masa (g)

V_p powietrze

V_porów

V_w woda M_w

V M

V_s szkielet gruntowy M_s

Gęstość objętościowa (g/cm³)

Gęstość właściwa (g/cm³)

Wilgotność gruntu (%)

Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego (g/cm³)
lub po wprowadzeniu odpowiednich zależności

Porowatość gruntu (-)
lub po wprowadzeniu odpowiednich zależności

Wskaźnik porowatości (-)
lub po wprowadzeniu odpowiednich zależności

Stopień zagęszczenia gruntów piaszczystych I_D (-) - jest to stosunek zagęszczenia istniejącego w naturze do największego możliwego zagęszczenia danego gruntu.

a) b) c)

V_porów

V_s V_max V V_min

1. objętość próbki piasku najbardziej luźnego

2. objętość próbki piasku w naturze

3. objętość próbki piasku najbardziej zagęszczonego

lub

Zależnie od stopnia zagęszczenia grunty sypkie mogą być w stanie:

• I_d ≤ 0,33 - luźnym

• 0,33 < I_d ≤ 0,67 - średnio zagęszczonym

• 0,67 < I_d ≤ 1,0 - zagęszczonym

Stopień plastyczności gruntów spoistych I_L (-):

gdzie:

w - wilgotność naturalna (%)

w_p - wilgotność na granicy plastyczności (%)

w_L - wilgotność na granicy płynności (%)

W zależności od stopnia plastyczności grunty spoiste mogą być w stanie:

• I_L < 0 - zwartym lub półzwartym

• 0 < I_L ≤ 0,25 - twardoplastycznym

• 0,25 < I_d ≤ 0,50 - plastycznym

• 0,50 < I_d ≤ 1,0 - miękkoplastycznym

• I_L > 1,0 - płynnym

Współczynnik filtracji k (cm/s, m/dobę) - jest miarą wodoprzepuszczalności gruntu:

gdzie:

V - prędkość filtracji (przepływu wody w gruncie) (cm/s, m/dobę),

k - współczynnik filtracji (cm/s, m/dobę)

J - spadek hydrauliczny (-)

poziom wody

gruntowej

Δh

L

Wartość wsp. filtracji k określa się na podstawie:

• badań terenowych lub laboratoryjnych,

• wzorów empirycznych,

• orientacyjne wartości - z tabel.

Przykładowe wzory empiryczne:

• 
  (d₅₀ w mm, k w cm/s)

• 
  (cm/s)

dla średnicy charakterystycznej d₁₀ = 0,1 ÷ 3,0 mm i gruntów równomiernie uziarnionych:

C₁ = 1,39 dla u = 1

C₁ = 0,925 dla u = 1 ÷ 4

C₁ = 0,463 dla u = 4 ÷ 5

• 
  (d₁₀ w mm, k w m/dobę)

n - porowatość gruntu (%)

Orientacyjne wartości współczynników filtracji k

Rodzaj gruntu	k (cm/s)
Żwir	10 - 10^-1
Piasek gruby i średni	10^-1 - 10^-2
Piasek drobny	10^-2 - 10^-3
Piasek pylasty	10^-3 - 10^-4
Pył	10^-4 - 10^-6
Glina	10^-6 - 10^-8
Glina zwięzła	10^-7 - 10^-9
Ił	10^-9 - 10^-10
Torf słabo rozłożony	5·10^-3 - 10^-4
Torf średnio rozłożony	5·10^-4 - 10^-5
Torf silnie rozłożony	2·10^-4 - 10^-6

Wytrzymałość gruntów

Obciążenie od konstrukcji

Q_k Ciężar gruntu

Ciężar fundamentu
Q₁ Q₂

h_D

Grunt 1
Osiadanie s Q_f

Poziom fundamentu B h_i

po osiadaniu

Grunt 2

Wytrzymałość gruntów charakteryzuje:

• moduł ściśliwości M_o (kPa) - wyraża podatność gruntu na osiadanie pod wpływem obciążenia:

gdzie: s - osiadanie budowli, (cm),

s_dop = 5 ÷ 15 cm - osiadanie dopuszczalne zależne od rodzaju konstrukcji,

h_i - grubość warstwy gruntu (cm),

σ - naprężenie (kPa) w gruncie na poziomie posadowienia:

Q - Nacisk pionowy fundamentu (kN):

Q = Q_k + Q_f + Q₁ + Q₂

A = B L - powierzchnia fundamentu (m²),

B - szerokość, L - długość fundamentu.

• Naprężenie styczne τ - powstające na płaszczyźnie poślizgu:

Płaszczyzna poślizgu

σ

τ

Naprężenie styczne τ (kPa):

gdzie:

σ - składowa normalna naprężenia, (kPa) - prostopadła do płaszczyzny poślizgu,

tgφ - tangens kąta tarcia wewnętrznego gruntu, (-),

c - spójność gruntu (kohezja), (kPa) - charakteryzuje siłę wzajemnego przyciągania się cząstek gruntu.

Kąt tarcia wewnętrznego dla gruntów nie-

spoistych jest równy kątowi stoku natura-

lnego φ_n - kąt pod jakim utrzymuje się φ = φ_n

skarpa luźno usypanej pryzmy gruntu.

τ (kPa)

grunt spoisty

φ

grunt niespoisty

c φ

σ (kPa)

Wartości φ i c zależą od:

• rodzaju gruntu - (spoisty, niespoisty),

• pochodzenia geologicznego - dotyczy gruntów spoistych (np. gliny morenowe, iły trzeciorzędowe),

• stopnia zagęszczenia gruntu niespoistego I_D,

• stopnia plastyczności gruntu spoistego I_L,

Warunki graniczne na poziomie posadowienia - takie warunki przy których nie nastąpi wyparcie gruntu spod fundamentu - brak poślizgu fundamentu:

gdzie:

σ - naprężenie (kPa) w poziomie posadowienia od sił działających na fundament

i ciężaru fundamentu

Q - Nacisk pionowy fundamentu (kN), Q = Q_k + Q_f + Q₁ + Q₂

A = B · L - powierzchnia fundamentu (m²), B - szerokość, L - długość fundamentu.

q_f - obciążenie graniczne gruntu pod fundamentem, (kPa),

F = 2÷3 - współczynnik pewności (bezpieczeństwa).

Obciążenie graniczne q_f (kPa) dla gruntu jednorodnego pod fundamentem obliczamy ze wzoru:

gdzie:

c - spójność gruntu, (kPa),

N_c, N_q, N_γ - współczynniki wytrzymałości gruntu zależne od kąta tarcia wewnętrznego φ

- ciężar objętościowy gruntu (kN/m³), ρ - gęstość objętościowa (t/m³), g = 9,81 m/s²,

a₁, a₂ - współczynniki zależne od wymiarów fundamentu:

B - szerokość, L - długość fundamentu

---