1

KLASYFIKACJA GRUNTÓW

KLASYFIKACJA GRUNTÓW

BUDOWLANYCH. UZIARNIENIE

BUDOWLANYCH. UZIARNIENIE

GRUNTÓW

GRUNTÓW

MECHANIKA GRUNTÓW I

MECHANIKA GRUNTÓW I

FUNDAMENTOWANIE

FUNDAMENTOWANIE

Budownictwo semestr 4

Budownictwo semestr 4

Wykład 1, 2

Wykład 1, 2

2

Nazwa przedmiotu:

Mechanika Gruntów i

Fundamentowanie

Katedra

prowadząca

przedmiot:

Katedra

Geotechniki i Budo-wli Inżynierskich (K - 66)

Wykładowca:

mgr inż. Zbigniew Okruszek (pok.

230)

Ćwiczenia laboratoryjne:

mgr inż. Zbigniew

Okruszek,

Ćwiczenia projektowe:

dr inż. Maciej

Stęczniewski, mgr inż. Piotr Krasiński

3

Zasady

zaliczenia

przedmiotu:

student

otrzymuje jeden wpis w indeksie i na karcie
egzaminacyjnej, będący wypadkową ocen
uzyskanych z egzaminu - 50%, oraz ćwiczeń
laboratoryjnych i projektowych - po 25%.

Zaliczenie wykładu:

egzamin

Zalecana literatura:

[1] S. Pisarczyk: Gruntoznawstwo inżynierskie. PWN
2001

[2] Z. Wiłun: Zarys geotechniki. WKŁ 2001

[3] T.W. Lambe, R.V. Whitman: Mechanika gruntów.
Arkady 1977/78

[4] PN-86/B-02480. Grunty budowlane. Określenia,
symbole, podział i opis gruntów

[5] PN-88/B-04481. Grunty budowlane badanie
próbek gruntu

4

Mechanika gruntów

jest to nauka o fizycznych i

mechanicznych właściwościach

gruntów

oraz o

zmianach, jakim podlega ośrodek gruntowy wskutek
zmiany

warunków

obciążenia

lub

wpływów

zewnętrznych.

Mechanika gruntów jako nauka bierze swoje
początki w XVIII wieku, kiedy

Charles Coulomb

(1736-1806) napisał i opublikował w 1773 r.
pierwszą pracę poświęconą gruntom.

Nowoczesna mechanika gruntów związana jest z
osobą

Karla Terzaghiego

(1883-1963), który w

swoim

dziele

Erdbaumechanik

auf

bodenphysikalischer

Grundlage

(Mechanika

gruntów i jej podstawy fizyczne) w 1925 r.
sformułował

i

podał

propozycje

rozwiązań

podstawowych zadań, jakimi zajmuje się do dziś
mechanika gruntów.

W Polsce pierwsza naukowa praca o gruntach, to
dysertacja doktorska inż.

Czesława Rusina

Badania

laboratoryjne gruntu jako elementu budowli,
obroniona w 1939 r.

5

Mechanika gruntów jest ściśle związana z naukami
ścisłymi, takimi jak: wytrzymałość materiałów,
teoria sprężystości i plastyczności, mechanika
ośrodków rozdrobnionych, hydraulika z jednej
strony, zaś z drugiej z naukami przyrodniczymi, w
tym głównie z geologią, gdyż podstawowym
obiektem zaintereso-wania mechaniki gruntów są
produkty rozpadu i przemian skał, znajdujące się w
wierzchnich warstwach skorupy ziemskiej, czyli -

grunty

.

Grunt budowlany

- jest to część skorupy ziemskiej

mogąca współdziałać z obiektem budowlanym,
stanowiąca jego element lub służąca jako tworzywo
do wykonywania z niego budowli ziemnych.

Podłoże budowlane

- strefa, w której właściwości

gruntów

mają

wpływ

na

projektowanie,

wykonywanie i eksploatację budowli.

6

7

Ze względu na

pochodzenie,

grunty budowlane

dzieli się

na grunty:

-

naturalne

- takie, których szkielet powstał w wyniku

procesów geolo-gicznych na terenie Polski,

-

antropogeniczne

- grunty

nasypowe

utworzone z

produktów gospodarczej działalności człowieka (odpady
komunalne, pyły dymnicowe, odpady poflotacyjne itp.) w
wysypiskach, zwałowiskach, budowlach ziemnych itp.

Grunty

naturalne

dzieli się na grunty:

-

rodzime

- grunty powstałe w miejscu zalegania w wyników

procesów geologicznych (wietrzenie, sedymentacja w
środowisku wodnym itp.),

-

nasypowe

- grunty, które mogą być zarówno gruntami

naturalnymi, jak i antropogenicznymi - powstałe w wyniku
działalności człowieka w wysypiskach, zwałowiskach,
osadnikach wodnych, budowlach ziemnych itp.

Grunty

rodzime

ze względu na

zawartość części

organicznych

(I

om

) dzieli się na grunty:

-

mineralne

- I

om

 2%,

-

organiczne

- I

om

> 2%.

8

Grunty

rodzime

mineralne

ze względu na

odkształcalność

podłoża

dzieli się na grunty:

- skaliste

- grunty rodzime - lite lub spękane - których próbki

nie wykazują zmian objętości ani rozpadu pod działaniem wody
destylowanej i mają wytrzymałość na ściskanie R

c

> 0,2 MPa,

-

nieskaliste

- grunty, które nie spełniają powyższych

warunków.

Wśród gruntów

skalistych

ze względu na

wytrzymałość

wyróżniamy grunty:

-

skaliste twarde

(ST)

- R

c

> 5 MPa,

-

skaliste miękkie (SM)

- R

c

 5 MPa.

Wśród

rodzimych gruntów organicznych

wydziela się:

-

grunty próchniczne (H)

- I

om

= 2 - 5%,

-

namuły piaszczyste (Nmp)

i

namuły gliniaste (Nmg)

- I

om

= 5 - 30 %,

-

gytie (Gy)

- namuły z domieszką CaCO

3

w ilości > 5%,

-

torfy (T)

- I

om

> 30%,

-

węgle brunatne (WB)

oraz

węgle kamienne (WK).

9

Grunty

mineralne rodzime

ze względu na

uziarnienie

dzieli

się na grunty:

-

kamieniste

d

50

> 40 mm,

-

gruboziarniste

d

50

 40 mm oraz d

90

> 2 mm,

-

drobnoziarniste

d

90

 2 mm.

d

x

- średnica takiego ziarna (cząstki), od którego jest

mniejszych (wagowo) x % ziarn (cząstek) w badanym gruncie.

Frakcje uziarnienia

gruntów nieskalistych

Frakcją uziarnienia nazywamy zbiór ziarn lub cząstek
zawartych w określonych granicach pod względem rozmiaru
(

ziarna

: d > 0,05 mm,

cząstki

: d < 0,05 mm); wyrażane w % w

stosunku do masy całej badanej próbki:

-

f. kamienista

f

k

d > 40 mm

-

f. żwirowa

f

ż

40 mm  d > 2 mm

-

f. piaskowa

f

p

2 mm  d > 0,05 mm

-

f. pyłowa

f



0,05 mm  d > 0,002 mm

-

f. iłowa

f

i

0,002 mm  d

10

Przy dalszej klasyfikacji gruntów spoistych stosuje się
dodatkowo pojęcie

frakcji zredukowanych

: piaskowej -

f

p

’

,

pyłowej -

f



’

i iłowej -

f

i

’





ż

k

i

,

,

p

i

,

,

p

f

f

100

f

100

'

f













Podział gruntów

kamienistych

ze względu na

miejsce

występowania wzglę-dem skały macierzystej:

Zwietrzelina

KW

f

i

’  2 %

Zwietrzelina

gliniasta

KWg

f

i

’ > 2 %

grunt występuje w

miejscu wietrzenia

skały macierzystej

Rumosz

KR

f

i

’  2 %

Rumosz

gliniasty

KRg

f

i

’ > 2 %

grunt podlegał

transportowi, lecz

innemu niż wodny

Otoczaki

KO

---

grunt osadzony w

wodzie

11

Podział

gruntów gruboziarnistych

ze względu

na

uziarnienie:

Żwir

Ż

f

i

’  2 %

Żwir

gliniasty

Żg

f

i

’ > 2 %

f

k

+ f

ż

> 50 %

Pospółka

Po

f

i

’  2 %

Pospółka

gliniasta

Pog

f

i

’ > 2 %

50 %  f

k

+ f

ż

> 10%

12

Podział gruntów

drobnoziarnistych

ze

względu na

spoistość:

•

Niespoiste

I

p

 1 %

•

Spoiste

I

p

> 1 %

-

mało spoiste

ms

1 % < I

p



10 %

-

średnio spoiste

ss

10 % < I

p



20 %

-

zwięzło spoiste

zs

20 % < I

p



30 %

-

bardzo spoistebs

30 % < I

p

I

p

- wskaźnik plastyczności (definicja dalej)

13

Podział gruntów

drobnoziarnistych

niespoistych

ze względu na

uziarnienie:

Piasek gruby

Pr

d

50

> 0,5

mm

Piasek średni

Ps

0,5 mm  d

50

>

0,25 mm

Piasek drobny Pd

d

50

 0,25 mm

f

p

’ = 68 - 90 %

Piasek pylasty P

f



’ = 10 - 30 %

f

i

’ = 0 - 2 %

14

Podział gruntów

drobnoziarnistych spoistych

ze względu na uziarnienie -

trójkąt Fereta

:

15

Podział gruntów

nasypowych

ze względu na

przydatność dla budownictwa:

• Nasyp budowlany

-

nB

-

nasyp, którego

rodzaj i stan odpowiadają wymaganiom
budowli ziemnych lub podłoża pod budowle.
To określenie dotyczy wszelkiego rodzaju
nasypów

wykonywanych

w

sposób

zaplanowany, czyli takich których parametry,
a

głównie

zagęszczenie,

zostało

skontrolowane.

•

Nasyp nie odpowiadający wymaganiom

budowlanym (niebudowlany)

-

nN

- nasyp nie

spełniający powyższych warunków.

Podział ten dotyczy zarówno nasypów z
gruntów

natural-nych,

jak

i

antropogenicznych.

16

UZIARNIENIE GRUNTÓW BUDOWLANYCH

Grunty budowlane wykazują dużą zmienność, jeżeli idzie o
uziarnienie. Rozmiary ziaren i cząstek tworzących szkielet
gruntów, które spotykamy na terenie Polski są bardzo
zróżnicowane, od kamieni o wymiarach powyżej 100 mm we
frakcji kamienistej do cząstek frakcji iłowej o rozmiarach
poniżej 1 µm. Pomiędzy tymi wymiarami mieści się cała gama
cząstek i ziarn należących do frakcji pyłowej, piaskowej i
żwirowej.

Znajomość

składu

ziarnowego

gruntu,

zawartości

poszczególnych frakcji, jest niezbędna dla sklasyfikowania
gruntu, gdyż uziarnienie jest jednym z podstawowych kryteriów
klasyfikacyjnych, ale także m. in. dla ustalenia jego właściwości
filtracyjnych, ściśliwości, wytrzymałości na ścinanie itp.

W celu ustalenia składu granulometrycznego badanego gruntu
należy wykonać ocenę uziarnienia jednym z dwu podstawowych
sposobów (a niekiedy oboma tymi metodami); są to:

-analiza sitowa,
-analiza sedymentacyjna.

17

ANALIZA SITOWA

Analizę sitową stosuje się do gruntów, których szkielet składa
się w przewadze z ziaren o średnicach większych niż 0,06 mm,
a więc do żwirów, pospółek, piasków grubych, średnich i
drobnych, czyli do gruntów niespoistych (z wyjątkiem piasku
pylastego). Podstawowym celem badania jest ustalenie

nazwy

gruntu

.

Analiza sitowa polega na mechanicznym rozdzieleniu
badanego gruntu na frakcje przez przesiewanie przy pomocy
zestawu sit o znormalizowanych wymiarach kwadratowych
oczek. Stosuje się następujące sita o oczkach: 40; 25; 10; 1;
0,5; 0,25; 0,10; 0, 071 lub 0,063 mm.

Grunt sypki przeznaczony do analizy należy wysuszyć w
temperaturze 105 - 110°C i odważyć do badania próbkę, której
masa

M

s

zależy od uziarnienia. Dla piasku drobnego 200 – 250

g, dla piasku średniego 250 – 500 g, zaś dla piasku grubego,
pospółki i żwiru 500 – 5000 g.

Komplet sit zestawia się w kolumnę, w której na górze znajduje
się sito o największych oczkach, a niżej stopniowo coraz
mniejszych. Pod najmniejszym sitem znajduje się naczynie
zbiorcze. Całość mocuje się we wstrząsarce labora-toryjnej.

18

Po 5. min. przesiewania sprawdza się, czy
próbka

została

należycie

rozsegregowana, a następnie waży się
pozostałości na poszczególnych sitach,
uzyskując ich masy

m

i

. Aby badanie

uznać za przeprowadzone prawidłowo
musi być spełniony warunek:

s

i

s

M

005

,

0

m

M









Następnie

oblicza

się

procentową

zawartość

pozos-tałości

na

poszczególnych sitach w odniesieniu do
masy całej próbki:

%

100

M

m

Z

s

i

i





W kolejnym etapie obliczeń przeprowadzamy sumowanie
procentowych pozostałości poczynając od największego sita,
tak aby poznać zawartość frakcji o średnicach ziaren
większych niż wymiar

d

danego sita. Obliczone w ten sposób

wyniki stanowią podstawę do wykreślenia

krzywej

uziarnienia

badanego gruntu, na podstawie której można

określić

nazwę

gruntu,

korzysta-jąc

z

uprzednio

przytoczonych danych.

19

Krzywą uziarnienia sporządza się w układzie współrzędnych,
w którym na osi poziomej są zaznaczone w skali
logarytmicznej średnice zastępcze ziaren - d, (w analizie
sitowej odpowiadają im rozmiary oczek sit), zaś na osi
pionowej zawartość ziaren o średnicy większej niż d (z prawej
strony) lub zawartość cząstek o średnicy mniejszej niż d (z
lewej strony). Do naniesienia punktów wykresu z analizy
sitowej wykorzystuje się, zgodnie z jej opisem - prawą oś.

20

Średnicą zastępczą

w analizie sitowej nazywamy średnicę

najmniejszego ziarna, które pozostaje na danym sicie, a
więc praktycznie dotyczy to rozmiaru oczka danego sita.

Określanie rodzaju gruntu – krzywa nr 1:

1. Ustalamy do jakiej grupy ze względu na uziarnienie należy

badany grunt:

d

50

= 0,65 mm < 40 mm – nie jest to grunt kamienisty

d

90

= 10 mm > 2 mm – jest to grunt

gruboziarnisty

2. Określamy zawartość poszczególnych frakcji:

f

k

= 0; f

ż

= 29 %; f

p

= 67 %; f



= 4 %; f

i

= 0

ponieważ f

k

+ f

ż

= 29 %; f

i

’ = 0 - jest to więc

pospó

ł

ka

Średnica

d

x

– jest to średnica zastępcza ziarna (cząstki), od

którego jest w ba-danej próbce

x %

cząstek mniejszych

(wagowo); na przykład dla krzywej 1:

d

60

= 1,0 mm – bo 60 % ziaren i cząstek jest mniejszych niż 1

mm,

d

30

= 0,25 mm – bo 30 % ziaren i cząstek jest mniejszych od

0,25 mm,

d

10

= 0,08 mm – bo 10 % ziaren i cząstek jest mniejszych niż

0,08 mm

21

Wskaźnik różnoziarnistości

10

60

d

d

U

Ze względu na U dzielimy grunty na:

-

równoziarniste

U  5

-

różnoziarniste

5 < U  15

-

bardzo różnoziarniste

U > 15

Wskaźnik krzywizny

60

10

2
30

d

d

d

C





Oba powyższe parametry charakteryzują uziarnienie gruntów
(głównie niespo-istych). Pozwalają one ocenić jakość
uziarnienia gruntu. Za grunty

dobrze uziarnione

uznaje się

takie grunty, dla których C = 1 ÷ 3 oraz równocześnie U > 4 -
dla gruntów gruboziarnistych (Ż, Po), i U > 6 - dla piasków (Pr,
Ps, Pd). Takie grunty, charakteryzujące się bogatym,
urozmaiconym uziarnieniem, stanowią dobry materiał do
formowania nasypów.

22

ANALIZY SEDYMENTACYJNE

Analizy

sedymentacyjne

służą

do

badania

składu

granulometrycznego gruntów spoistych. Polegają one na
rozfrakcjonowaniu gruntu w środowisku wodnym, w postaci
zawiesiny o niewielkiej koncentracji. Podstawę fizyczną tych
metod stanowi wzór Stokesa dotyczący siły oporu lepkości
jaki napotyka cząstka kulista o średnicy

2r

w czasie

swobodnego opadania ze stałą prędkością

V

w cieczy lepkiej

(np. w wodzie).

Na kulkę działa wówczas następujący układ sił znajdujących
się w równo-wadze:

G – ciężar kulki

W – wypór

F – siła oporu
lepkości

g

r

3

4

G

s

3















g

r

3

4

W

w

3















V

r

6

F















23





















































































g

d

18

1

g

r

9

2

V

g

r

3

4

g

r

3

4

V

r

6

W

G

F

w

s

2

w

s

2

w

3

s

3

Wychodząc z równania równowagi sił działających na kulkę
możemy wyzna-czyć prędkość z jaką następuje opadanie kulki:

Gdzie:

r (d) – promień (średnica) kulki, m,



s

– gęstość właściwa materiału z którego wykonana jest

kulka, kg/m

3

,



w

– gęstość wody, kg/m

3

,

g – przyśpieszenie ziemskie, m/s

2

,

 - lepkość dynamiczna wody, puaz = Pa·s

24

Spośród metod sedymentacyjnych w gruntoznawstwie
najczęściej stosowana jest metoda

areometryczna

. Wzięła ona

swą nazwę od podstawowego przyrządu wykorzystywanego w
tej metodzie, czyli

areometru

.

Jest to przyrząd służący do pomiaru
gęstości cieczy – w tym przypadku
zawiesiny

uzyska-nej

przez

wymieszanie

niewielkiej

ilości

gruntu (m

s

= 15 – 25 g) z wodą.

Przebieg badania (w skrócie) jest
następu-jący:

- dokładnie mieszamy grunt z wodą
w ilości około 700 cm

3

i następnie

gotujemy przez 30 minut w celu
dokładnego rozdzielenia cząstek
gruntowych,

- po ostygnięciu wlewamy zawiesinę
do

cylindra

pomiarowego

o

objętości 1 dm

3

i dopełniamy wodą

destylowaną do 1000 cm

3

,

25

- dokładnie mieszamy zawartość cylindra w określony w normie
sposób i następnie ustawiamy go na stole, równocześnie
włączając zegar – jest to początek pomiarów; gęstość zawiesiny
jest wtedy jednakowa w całej objętości cylindra; jednak
natychmiast rozpoczyna się proces

sedymentacji

, czyli

opadania cząstek i osadzania ich na dnie; początkowo dotyczy
to cząstek o największych rozmiarach, później stopniowo coraz
mniejszych – gęstość zawiesiny, najpierw w górnej części
cylindra, zmniejsza się,

- w określonych momentach czasu, licząc od początku badania,
dokonuje się pomiaru gęstości zawiesiny przy pomocy
areometru: po 30’’, 1’, 2’, 5’, 15’, 30’, 1 godz., 2 godz., 4 godz. i
24 godz.,

- dysponując wynikami pomiarów gęstości zawiesiny w czasie
badania można obliczyć średnice cząstek

d

i

, które w momencie

pomiaru znajdowały się na głębokości odpowiadającej
poziomowi środka wyporu nurnika areometru

H

i

oraz

procentową zawartość tych cząstek

Z

i

(i mniejszych,

stanowiących o gęstości zawiesiny w danym momencie, bo
większe już opadły niżej) w badanej próbce gruntu,

- współrzędne

d

i

oraz

Z

i

są podstawą do wykreślenia krzywej

uziarnienia, na podstawie której można określić zawartości
poszczególnych frakcji i nazwę gruntu

26

Prędkość z jaką opada cząstka
gruntowa w ruchu jednostajnym
jest równa:

i

i

T

H

V 

Z drugiej strony wyprowadziliśmy tą prędkość z równania
równowagi opada-jacej cząstki; przyrównajmy je do siebie:





















g

d

18

1

T

H

w

s

2
i

i

i

Stąd

wyznaczamy

średnicę

cząstki

d

i

, któ-ra w czasie

T

i

jest

na poziomie nurnika

H

i

:





i

i

w

s

i

T

H

g

18

d

















Procentowa zawartość cząstek
mniejszych i równych

d

i

(bez

wyprowadzenia):









%

100

m

1000

Z

s

w

s

w

zi

i





















27

W analizie

pipetowej

sposób przygotowania zawiesiny

gruntowej jest taki sam jak w analizie areometrycznej. Różnica
polega na tym, że po wymieszaniu zawiesiny w ustalonych
odstępach czasowych pobierana jest ze stałej głębo-kości
(najczęściej 10 cm) przy pomocy pipety mała objętość
zawiesiny – 10 cm

3

. Po odparowaniu wody i wysuszeniu jest

określana masa cząstek w takiej naważce i stąd można określić
średnicę cząstek oraz ich procentową zawartość.

Należy mieć świadomość, że kształty rzeczywistych cząstek
gruntowych, szczególnie należących do frakcji iłowej znacznie
odbiegają od idealnych kształtów kulistych. Dlatego w analizie
sedymentacyjnej stosuje się pojęcie

średnicy zastępczej

jako

średnicy cząstki

kulistej

, która opada z identyczną prędkością

jak rzeczywista cząstka gruntowa.

W niektórych typach gruntów, np. gruboziarniste grunty
spoiste (Żg, Pog), gliny zwałowe (Pg, Gp) itp. występują w
dużych ilościach zarówno cząstki mniejsze od 0,05 mm jak i
grubsze ziarna frakcji piaskowej czy żwirowej. Analiza
granulometryczna takiego gruntu obejmuje oba rodzaje badań
uziarnienia. Próbkę gruntu przemywa się przez sito 0,063 mm i
pozostałość na sicie, po wysuszeniu, jest poddawana
przesiewowi, zaś drobne cząstki, które przeniknęły przez sito –
analizie sedymentacyjnej. Na podstawie obu badań sporządza
się wspólną krzywą uziarnienia i określa rodzaj gruntu.

28

Cząstki iłowe w obrazie mikroskopu elektronowego

29

KRZYWA UZIARNIENIA

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,001

0,01

0,1

1

10

Średnica zastępcza - d, mm

Za

w

a

rt

o

ść

c

zą

st

e

k

<

d

,

%

pipetowa
sitowa

Krzywa uziarnienia z analizy sitowej i pipetowej

d

90

= 1,5 mm, d

50

= 0,1 mm, f

i

= 8%, f



= 30%, f

p

= 57%, f

ż

=

5%, f

i

’= 8,4%,

f



’= 31,6%, f

p

’= 60,0%

pył piaszczysty