Pochodzenie i podział gruntów 1

MECHANIKA GRUNTÓW

Mechanika gruntów jest to nauka o fizycznych i mechanicznych

właściwościach gruntów oraz o stanach naprężenia i odkształcenia występujących
w ośrodku gruntowym pod wpływem działających obciążeń lub czynników
zewnętrznych.

Mechanika gruntów wywodzi się z mechaniki ogólnej, stosuje przyjęte w

niej metody rozwiązań do analizy stanu naprężeń i odkształceń występujących w
ośrodku gruntowym pod wpływem obciążenia budowlami. W mechanice gruntów
korzysta się zwłaszcza z metod stosowanych w wytrzymałości materiałów, teorii
sprężystości i plastyczności oraz mechanice ośrodków sypkich. Opiera się
ponadto na takich naukach, jak: geologia ogólna, geologia inżynierska,
hydrogeologia, mineralogia, petrografia i fizykochemia.

W mechanice gruntów podstawą oceny właściwości fizycznych i

mechanicznych gruntów są badania laboratoryjne i terenowe oraz obserwacje
zachowania się budowli inżynierskich w warunkach naturalnych. Mechanika
gruntów stanowi podbudowę teoretyczną i praktyczną fundamentowania.

ZADANIA MECHANIKI GRUNTÓW

Mechanika gruntów jest nauką zajmującą się zagadnieniami występującymi

przy

projektowaniu i wykonawstwie budowli lądowych i wodnych

współpracujących z ośrodkiem gruntowym oraz budowli wykonanych z gruntu
(np. nasypów ziemnych zapór i obwałowań zbiorników wodnych, nasypów
drogowych i kolejowych, nasypów występujących w podłożu fundamentów).
W związku z powyższym mechanika gruntów musi rozpoznawać i oceniać właś-
ciwości ośrodka gruntowego oraz wpływ obciążeń i różnych czynników
zewnętrznych na zmianę jego właściwości. Mechanika gruntów zajmuje się więc
badaniem właściwości fizycznych i mechanicznych gruntów, zagadnieniami
filtracji i konsolidacji gruntów, rozkładem i wielkością naprężeń w gruncie,
odkształceniem i nośnością podłoża gruntowego, statecznością budowli i
statecznością zboczy i skarp, parciem gruntu na ściany oporowe oraz wpływem
różnych czynników na zmianę właściwości gruntów i występowaniem zjawisk z
nimi związanych (np. wpływem zawilgocenia, zagęszczenia, przemarzania itp.).

Pochodzenie i podział gruntów 2

OGÓLNE WIADOMOŚCI O GRUNTACH

Pochodzenie i podział gruntów 3

POCHODZENIE GRUNTÓW

Zewnętrzną strefą kuli ziemskiej o stałym stanie skupienia jest skorupa

ziemska zwana litosferą. Grubość litosfery nie wszędzie jest jednakowa. Na
obszarach kontynentów wynosi ona ok. 30 km, a pod łańcuchami górskimi
osiąga 70 km. Znacznie cieńsza jest natomiast pod dnem oceanów, gdzie ma
kilkanaście kilometrów grubości. Średnia grubość litosfery wynosi ok. 33 km.
Przeciętna jej gęstość wynosi 2,8 g/cm

3

. Materiałem tworzącym skorupę ziems-

ką są skały. Zawierają one wszystkie znane pierwiastki chemiczne, jednakże ilo-
ściowy udział poszczególnych pierwiastków nie jest jednakowy. Ponad 3/4
ogólnej masy litosfery przypada na dwa pierwiastki: tlen - 47% i krzem - 29,5%.
One to wraz z glinem - 8,05%, żelazem - 4,65%, wapniem - 2,96%, sodem -
2,5%, potasem - 2,5% i magnezem - 1,87% stanowią 99% masy litosfery.
Pierwiastki te w połączeniu z krzemem tworzą głównie glinokrzemiany i
krzemiany, które stanowią ponad 3/4 składu litosfery.

Skały występujące na powierzchni skorupy ziemskiej oraz na nieznacznej

głębokości ulegają wietrzeniu - stałym niszczącym procesom, które pogarszają
ich techniczne właściwości. Procesy niszczenia skał są bardzo skomplikowane i
przebiegają różnie, zależnie od środowiska geologicznego. Składa się na nie
wiele czynników. Niektóre z tych procesów przebiegają bardzo szybko i mają
niekiedy duże znaczenie dla budownictwa.

Wietrzenie skał jest procesem długotrwałym, odbywającym się od

miliardów lat i trwającym także obecnie. Rozróżnia się wietrzenie fizyczne i
chemiczne.

Wietrzenie fizyczne jest wywołane głównie wahaniami temperatury,

zamarzanie m wody w porach, a także działaniem rozsadzającym korzeni roślin.
W wyniku współdziałania tych czynników skały ulegają osłabieniu i rozpadowi
na bloki, które następnie rozpadają się na coraz drobniejsze okruchy.

Wietrzenie chemiczne powoduje rozpad skał oraz zmiany w ich składzie

chemicznym wskutek procesów chemicznych zachodzących wewnątrz skał.
Głównymi czynnikami wywołującymi wietrzenie chemiczne jest woda oraz
powietrze. Woda w czasie przechodzenia przez atmosferę w formie opadów
pochłania z powietrza gazy, takie jak tlen, dwutlenek węgla, azot itp. i krążąc w
szczelinach skał, wywołuje przemiany polegające na utlenianiu, uwadnianiu,
redukcji i uwęglaniu. W wyniku wietrzenia chemicznego skaleni lub mik
powstają minerały ilaste.

Duży wpływ na wietrzenie skał mają bakterie (do głębokości 3 ÷ 5 m)

wytwarzające kwas węglowy (dwutlenek węgla w wodzie), kwas azotowy,
amoniak, siarkowodór i gaz błotny, przyczyniając się w ten sposób do dalszego
wietrzenia.

Poza wietrzeniem, rozdrobnienie okruchów występujących w skorupie

ziemskiej oraz zmiany w podłożu macierzystym powodują procesy erozyjne

Pochodzenie i podział gruntów 4

oraz transport materiału (rozdrobnienie mechaniczne).

Materiały powstałe z wietrzenia i rozdrobnienia mechanicznego skał

pierwotnych oraz w wyniku innych procesów geologicznych, tworzące wierzchnią
warstwę litosfery, nazywają się gruntami.

Produkty wietrzenia skał oraz frakcje uziarnienia gruntów (wg PN-B-02480:1986)

PODZIAŁ GRUNTÓW BUDOWLANYCH

Gruntem budowlanym nazywa się wszystkie utwory geologiczne

występujące w zasięgu oddziaływań budowli inżynierskich wznoszonych na
powierzchni lub w głębi skorupy ziemskiej oraz używane jako materiał do
budowli ziemnych. Do gruntów budowlanych zalicza się skały oraz naturalne
grunty mineralne i organiczne, jak również grunty antropogeniczne. Grunty
budowlane wg PN-B-02480:1986 dzieli się na naturalne i antropogeniczne.

Grunty naturalne - to grunty, których szkielet powstał w wyniku procesów

geologicznych. Dzieli się je ze względu na pochodzenie na: grunty rodzinie i
grunty nasypowe.

Grunt antropogeniczny jest to grunt nasypowy utworzony z produktów

gospodarczej lub przemysłowej działalności człowieka (odpady komunalne,
poflotacyjne itp.) w wysypiskach, zwałowiskach, budowlach ziemnych itp.

Za grunt nasypowy należy uznać grunt naturalny przerobiony w wyniku dzia-

łalności człowieka, np. w wysypiskach, zwałowiskach, budowlach ziemnych.

Grunty nasypowe dzieli się ze względu na pochodzenie na:

nasyp budowlany (NB) - grunt powstały wskutek kontrolowanego procesu

technicznego, np. w budowlach ziemnych,

nasyp niebudowlany (NN) - grunt powstały w sposób niekontrolowany, np.

w zwałowiskach czy wysypiskach.

Pochodzenie i podział gruntów 5

Przez pojęcie grunt rodzimy rozumie się grunt, który znajduje się w miejscu

powstania w wyniku procesów geologicznych.

Ze względu na zawartość substancji organicznej grunty rodzime dzieli się na

grunty mineralne i grunty organiczne.

Grunty mineralne są to grunty rodzime nie zawierające więcej niż 2% sub-

stancji organicznej. Ze względu na wytrzymałość (odkształcenie podłoża) grunty
mineralne dzieli się na grunty skaliste mineralne i grunty nieskaliste mineralne.

Grunty skaliste - to grunty rodzime lite lub spękane o nie przesuniętych

blokach (przy czym najmniejszy wymiar bloku musi przekraczać 10 cm), których
próbki nie wykazują zmian objętości ani nie rozpadają się pod działaniem wody
destylowanej i mają wytrzymałość na ściskanie R

C

> 0,2 MPa.

Grunty skaliste dzieli się ze względu na ich wytrzymałość na ściskanie

wyróżniając:

- grunt skalisty twardy (ST), o wytrzymałości na ściskanie R

C

> 5 MPa,

- grunt skalisty miękki (SM), o wytrzymałości na ściskanie R

C

≤ 5 MPa.

Podział gruntów skalistych ze względu na spękanie (wg PN-B-02480:1986)

Nazwa gruntu

Symbol

Określenie

Skała lita

Li

Brak widocznych spękań (szczeliny o szerokości ≤
0,1 mm)

Skała mało spękana

Ms

Szczeliny występują nie gęściej niż co 1 m i mają
szerokość nie większą niż 1 mm

Skała średnio
spękana

Ss

Szczeliny występują gęściej niż co 1 m i mają
szerokość nie większą niż 1 mm lub szczeliny
występują nie gęściej niż co 1 m, lecz mają
szerokość większą niż 1 mm

Skała bardzo
spękana

Bs

Szczeliny występują gęściej niż co 1 m i mają
szerokość większą niż 1 mm

Gruntem nieskalistym mineralnym nazywa się grunt, którego nie można zaliczyć do

gruntów skalistych (a więc jest rozdrobniony, bez silnych wiązań krystalicznych), a
w którym zawartość części organicznych wynosi 2% lub jest mniejsza.

Podstawowy podział gruntów nieskalistych mineralnych jest oparty na ich

uziarnieniu.

Podstawą

tej

klasyfikacji

jest

procentowa

zawartość

poszczególnych frakcji w danym gruncie i ich wzajemny stosunek. Pod
pojęciem frakcji uziarnienia rozumie się 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).

Pochodzenie i podział gruntów 6

Frakcje gruntów nieskalistych (wg PN-B-02480:1986)

Grunty organiczne dzieli się podobnie jak grunty mineralne na grunty organiczne

skaliste i grunty organiczne nieskaliste.

Grunty organiczne skaliste dzieli się ze względu na stopień ich uwęglenia na

węgiel brunatny i węgiel kamienny.

Gruntem nieskalistym organicznym nazywa się grunt rodzimy, w którym za-

wartość części organicznych (I

om

) jest większa niż 2%.

Wyróżnia się następujące grupy nieskalistych gruntów organicznych:

grunty próchniczne - grunty nieskaliste zawierające ponad 2% części orga-
nicznych pochodzenia roślinnego (obumarłej flory i mikrofauny),

namuły - grunty powstałe w wyniku osadzania się substancji mineralnych i
organicznych w środowisku wodnym; piaszczyste lub gliniaste,

gytie - namuły o zawartości węglanu wapnia ponad 5%, który może wiązać

szkielet gruntu, nadając mu charakter gruntu skalistego o niskiej wartości
wytrzymałości na ściskanie R

c

,

torfy - grunty powstałe z obumarłych i podlegających stopniowej karbonizacji

części roślinnych o zawartości części organicznych na ogół ponad 30%.

Z genetycznego punktu widzenia grunty podzielić można na:

grunty (skały) o różnej genezie, pochodzenia lądowego lub wodnego
wzbogacone, zwykle wtórnie (postsedymentacyjnie), w próchnicę lądową.

mady - utwory facji powodziowej, zawierające różną ilość substancji

organicznej, stąd też teoretycznie można je włączyć do wyżej wymienionej
grupy;

grunty organiczne pochodzenia wodnego - bagienne - torfy o zawartości

substancji organicznej już od 20%;

grunty organiczne pochodzenia wodnego - jeziorne - ogólnie uznawane za gytie,

o zawartości substancji organicznej już od 2% i zmiennym stosunku ilo-

Pochodzenie i podział gruntów 7

ściowym pozostałych dwóch składników: węglanu wapnia i części mineralnych
- bezwęglanowych;

grunty (skaty) organiczne o różnym stopniu przeobrażenia polegającego
na uwęgleniu substancji organicznej, zachodzącym pod wpływem różnych
czynników - węgle brunatne, węgle kamienne.

Grunty zaliczone do każdej z tych grup charakteryzują się odrębnymi właści-

wościami wynikającymi z ich genezy i powinny być traktowane oddzielnie ze
względu na różny charakter występującej w nich substancji organicznej, stosunki
wodne, teksturę, a także różny charakter substancji mineralnej.

Pochodzenie i podział gruntów 8

Grunty budowlane

Grunty antropogeniczne

Grunty naturalne

Rodzime

Nasypowe

Mineralne

Organiczne

Mineralne

Organiczne

Nasyp

budowlany

Nasyp nie-
budowlany

Skaliste

Nieskaliste

Węgiel

brunatny

Węgiel

kamienny

Torf

Gytia

Namuł

Grunt

próchniczny

Skaliste

Nieskaliste

Drobno-
ziarniste

Grubo-
ziarniste

Kamieniste

Pospółka
gliniasta

Pospółka
gliniasta

a

sta

Pospółka

Żwir

gliniasty

Żwir

Otoczaki

Rumosz
gliniasty

Rumosz

Zwietrze

-lina

gliniasta

Zwietrze

-lina

Spoiste

Niespoiste

Ił

Glina

zwięzła

Glina

Pył

piaszczysty

Ił pylasty

Glina

pylasta
zwięzła

Glina

pylasta

Pył

I

ł

piaszczysty

Glina

piaszczysta

zwięzła

Glina

piaszczysta

Piasek

gliniasty

Piasek

pylasty

Piasek

drobny

Piasek

średni

Piasek

gruby

Podział gruntów budowlanych (wg PN-B-02480:1986)

Pochodzenie i podział gruntów 9