MECHANIKA GRUNTÓW I FUNDAMENTOWANIE
MECHANIKA GRUNTÓW I FUNDAMENTOWANIE
Budownictwo semestr 4
Budownictwo semestr 4
WA
AŚCIWOŚCI FIZYCZNE GRUNTÓW.
WA
AŚCIWOŚCI FIZYCZNE GRUNTÓW
WA
AŚCIWOŚCI FIZYCZNE GRUNTÓW.
ZAG
SZCZALNOŚĆ GRUNTÓW
ZAG
SZCZALNOŚĆ GRUNTÓW
Wykład 4
Wykład
1
Niejednokrotnie w czasie prowadzenia robót ziemnych w budownictwie
powszechnym, drogowym czy hydrotechnicznym zachodzi konieczność
wykonywania różnego rodzaju nasypów. Przykładowo może to mieć miejsce w
przypadku wymiany słabego gruntu w podłożu fundamentu na mocniejszy (tzw.
poduszki piaskowe lub żwirowe), formowania nasypów drogowych lub
kolejowych, wykonywania wałów przeciwpowodziowych lub przy budowie
zapór ziemnych dla zbiorników wodnych, itp. W każdym z tych przypadków
jako materiał do wykonania nasypu jest wykorzystywany naturalny grunt
mineralny (najczęściej grunt sypki: piasek, żwir, ale czasami również grunt
spoisty, np. ił do formowania rdzenia przeciwfiltracyjnego w zaporze ziemnej
lub warstwy izolacyjnej składowiska odpadów) albo materiał pochodzenia
antropogenicznego (żużel, popiół itp.).
Każda konstrukcja ziemna musi zostać zaprojektowana i następnie wykonana w
taki sposób, aby osiągnięte zostały określone parametry dotyczące wytrzy-
małości czy np. wodoprzepuszczalności gruntu w nasypie. Powinna być zacho-
wana odpowiednia technologia (zagęszczanie warstwami) wbudowywania
gruntów o odpowiednim uziarnieniu (inne na elementy konstrukcyjne nasypu, a
inne np. na element przeciwfiltracyjny), zastosowane odpowiednie maszyny do
zagęszczania itp. W trakcie prowadzenia tych robót niezbędna jest również
kontrola stanu zagęszczenia nasypu. Grunt wbudowywany w nasyp zawsze musi
być zagęszczany.
2
Przykłady nasypów wykonywanych z gruntów
1)
2)
Grunt
słaby
Grunt
mocny
3)
1  zapory ziemne,
2  poduszka piaskowo-żwirowa,
3  nasyp drogowy.
3
Zagęszczalność gruntu jest to cecha polegająca na zmianie jego objętości pod
wpływem oddziaływania na grunt dynamicznych impulsów o odpowiedniej
energii w warunkach określonej wilgotności gruntu.
Miarą zagęszczenia gruntu nasypowego jest wskaz
nik zagęszczenia Is. Jest to
stosunek gÄ™stoÅ›ci objÄ™toÅ›ciowej szkieletu gruntu w nasypie Ádn do maksymalnej
Á
Á
Á
wartoÅ›ci gÄ™stoÅ›ci objÄ™toÅ›ciowej szkieletu tego gruntu Áds, wyznaczonej w
Á
Á
Á
warunkach laboratoryjnych w badaniu Proctora
Á
dn
I =
=
=
=
s
Á
ds
Do zagęszczania gruntów w nasypach wykorzystuje się różne maszyny, o
różnym sposobie działania: ubijające (płyty wolnospadowe, ubijaki mecha-
niczne typu  żabka ), ugniatające (walce stalowe gładkie czy okołkowane oraz
walce pneumatyczne wielokołowe) i wibracyjne (płyty i walce). Pierwszy typ
maszyn stosuje się do różnych rodzajów gruntów, drugi typ do spoistych, trzeci
do sypkich, chociaż ciężkie walce wibracyjne dają również bardzo dobre efekty
przy zagęszczaniu spoistych gruntów kamienistych.
Po zagęszczeniu warstwy nasypu, o grubości zależnej od zastosowanego sprzętu
zagęszczającego, pobiera się z niej próbki NNS, dla których wyznacza się
gÄ™stość Án i wilgotność wn, a nastÄ™pnie oblicza Ádn . 4
Á Á
Á Á
Á Á
Równocześnie z gruntu, z którego formowany jest nasyp, pobiera się większą,
kilku- lub kilkunastokilogramową próbę do badania zagęszczalności w
laboratorium.
Zagęszczalność gruntu bada się według metody opracowanej przez
amerykańskiego badacza Proctora. Istota tej metody polega na ubijaniu gruntu w
odpowiednim cylindrze, w znormalizowany sposób, przy zwiększającej się w
kolejnych próbach wilgotności gruntu. Proctor stwierdził, że istnieje zależność
pomiÄ™dzy wilgotnoÅ›ciÄ… gruntu - w, a jego gÄ™stoÅ›ciÄ… objÄ™toÅ›ciowÄ… szkieletu - Ád.
Á
Á
Á
Wyniki badania Proctora przedstawia siÄ™
w postaci krzywej zagęszczalności, w
ukÅ‚adzie współrzÄ™dnych w - Ád (vide str.
Á
Á
Á
7). Rysunek obok przedstawia dwie
krzywe zagęszczalności tego samego
gruntu dla dwu różnych energii
zagęszczania.
Porównanie parametrów zagęszczalności piasku gliniastego
przy różnych energiach zagęszczania:
1 - dla energii E1 = 0,59 J/cm3: wopt = 11 % ; Áds = 1,93 g/cm3 ,
2 - dla energii E2 = 2,65 J/cm3: wopt = 8,5 % ; Áds = 2,08 g/cm3 ,
czyli dla E2 > E1 mamy wopt2 < wopt1 oraz Áds2 > Áds1
Á Á
Á Á
Á Á
5
Schemat aparatu Proctora
1- podstawa, 2 - cylinder, 3 - nadstawka, 4 - grunt
ubijany warstwami, 5 - ubijak, 6 - podstawa ubijaka,
7 - prowadnica ubijaka
Grunt w cylindrze jest ubijany w kilku war-
stwach N przy pomocy ubijaka o masie m
[kg] spadającego z wysokości h [cm]. Na
każdą ubijaną warstwę przypada n uderzeń.
Objętość cylindra wynosi V[cm3]. Jednost-
kową energię zagęszczania gruntu E [J/cm3]
można obliczyć z zależności:
m Å" g Å"h Å"n Å" N
Å" Å" Å" Å"
Å" Å" Å" Å"
Å" Å" Å" Å"
E =
=
=
=
V
W Polsce stosuje się 4 metody badania, różniące się powyższymi parametrami
(m, h, n, N, V), podzielone na dwie grupy o jednostkowych energiach
zagęszczania wynoszących 0,59 J/cm3 oraz 2,65 J/cm3.
6
PrzykÅ‚adowy wykres zagÄ™szczalnoÅ›ci gruntu; wopt = 11,7 %, Áds = 1,89 g/cm3
7
Na wykresie widać, że początkowo ze wzrostem wilgotności gruntu, przy
ubijaniu, wzrasta gęstość objętościowa szkieletu gruntowego. Jednak po
przekroczeniu pewnej wilgotności, przy której gęstość ta jest największa,
następuje spadek gęstości szkieletu gruntowego.
Wilgotność, przy której dany grunt osiągnął najlepsze zagęszczenie (mierzone
wartością gęstości objętościowej szkieletu) nazywamy wilgotnością
optymalnÄ… i oznaczamy symbolem wopt, zaÅ› odpowiadajÄ…cÄ… jej maksymalnÄ…
gÄ™stość objÄ™toÅ›ciowÄ… szkieletu oznaczamy jako Áds.
Á
Á
Á
Znajomość wilgotności optymalnej gruntu ma praktyczny sens, bowiem jeżeli
na budowie będziemy zagęszczali ten grunt przy wilgotności równej lub
zbliżonej do optymalnej, wówczas mamy największą szansę, aby uzyskać
najlepsze zagęszczenie tego gruntu. Dlatego na placu budowy niezbędna jest
kontrola wilgotności gruntu wbudowywanego w nasyp i w miarę potrzeby
jego podsuszanie lub zwiększanie zawartości wody.
8
Schemat postępowania dla oznaczenia Is:
a) pobranie w terenie z kontrolowanej warstwy formowanego nasypu
próbki NNS  oznaczenie Ádn
Á
Á
Á
NNS Á , w Ádn
Á Á
Á Á
Á Á
Ádn
Á
Á
Á
Is =
Áds
Á
Á
Á
b) badanie w laboratorium wopt i Áds
Á
Á
Á
Ád
Á
Á
Á
Áds
Á
Á
Á
Sr = 1
aparat Proctora
wopt
w 9
krzywa zagęszczalności
Charakterystyka metod ubijania gruntu w badaniu Proctora wg
PN-88/B-04481
I 25 1,0 6
2,5 32 3 0,59
II 55 2,2 10
III 25 1,0 6
4,5 48 5 2,65
IV 55 2,2 10
10
3
3
kg
cm
dm
Max.
Masa
Liczba
Liczba
Metoda
Energia
E, J/cm
wielko
ść
Obj
Ä™
to
ść
warstw N
Wysoko
ść
warstw
Ä™
n
ziarn, mm
ubijaka m,
uderze
Å„
na
cylindra V,
opadania h,
jednostkowa
Przykładowo parametry ubijania w metodzie I wynoszą: m = 2,5 kg, h = 32 cm,
n = 25, N = 3, V = 1000 cm3. Energia jednostkowa jest więc równa:
2,5Å" 9,81Å" 0,32Å" 25Å" 3 kg Å"m Å"m J
Å" Å" Å" Å" Å" Å"
Å" Å" Å" Å" Å" Å"
Å" Å" Å" Å" Å" Å"
E = Å" = 0,59
= Å" =
= Å" =
= Å" =
3 2 3
1000 cm Å"s cm
Å"
Å"
Å"
Po wyznaczeniu w badaniu Proctora maksymalnej gęstości objętościowej
szkieletu gruntowego Áds oraz obliczeniu gÄ™stoÅ›ci objÄ™toÅ›ciowej szkieletu, jakÄ…
Á
Á
Á
uzyskano w zagÄ™szczanym na budowie nasypie Ádn, można obliczyć wskaz
nik
Á
Á
Á
zagęszczenia Is i porównać otrzymany wynik z wartością minimalną, ustaloną
przez projektanta nasypu. Nasyp jest należycie zagęszczony, gdy spełniona
jest nierówność: obl proj
I e" I
e"
e"
e"
s s
Wartości minimalnych wskaz
ników zagęszczenia są podane w normach doty-
czących robót ziemnych. Przykładowo w normie PN-B-06050:1999
 Geotechnika. Roboty ziemne znajduje się wymóg mówiący, że  wskaz
nik
zagęszczenia nasypów, na których mają być posadowione fundamenty
konstrukcji, nie powinien być mniejszy niż 0,97 . Należy pamiętać, że
wskaz
nik zagęszczenia jest parametrem kontrolnym dla wszelkich nasypów:
wykonanych z gruntów sypkich lub spoistych. Dodatkowo nasypy z gruntów
sypkich mogą być kontrolowane poprzez ocenę stopnia zagęszczenia ID. 11
Wymagane wartości wskaz
nika zagęszczenia Is oraz wtórnego modułu odkształcenia E2
[MPa] dla nasypów drogowych w zależności od rodzaju gruntu i klasy drogi wg PN-S-
02205:1998   Drogi samochodowe. Roboty ziemne 
12
Wskaz
nik zagęszczenia Is jest parametrem, który służy do oceny zagęszczenia
nasypów wykonanych zarówno z gruntów sypkich jak i spoistych. Dla nasypów z
gruntów spoistych jest to podstawowy sposób kontroli zagęszczenia.
Zagęszczenie nasypów z gruntów sypkich można również kontrolować przez
wyznaczenie stopnia zagęszczenia ID. Jest to szczególnie wygodne, gdy ma się
do dyspozycji sondę dynamiczną, która pozwala szybko przeprowadzić pomiar.
Pomiędzy wskaz
nikiem zagęszczenia, a stopniem zagęszczenia dla gruntów
drobnoziarnistych niespoistych (Pd, Ps, Pr) istnieje, ustalona doświadczalnie,
następująca zależność korelacyjna
Is = 0,855 + 0,165Å"
Å"ID
Å"
Å"
Mając zatem wynik sondowania w postaci ID można łatwo obliczyć
odpowiadającą mu wartość Is dla nasypu.
13
Dla uzyskania realnych wartości Is ważne jest, aby jednostkowa energia zagę-
szczania stosowana w badaniu laboratoryjnym była porównywalna z energią
wydatkowaną przez sprzęt stosowany na budowie do zagęszczania nasypu.
Można przyjąć, że stosowana w laboratorium energia 0,59 J/cm3 odpowiada
warunkom zagęszczania lekkim sprzętem (lekkie walce drogowe, walce na
pneumatykach o masie do 10 t, lekkie ubijaki itp.), natomiast energia 2,65
J/cm3 odpowiada pracy ciężkiego sprzętu (walce o masie 20 - 30 t, ciężkie
walce wibracyjne powyżej 4 t, ciężkie ubijaki o masie powyżej 2 t itp.).
14
Rozścielenie gruntu z rów-
noczesnym, wstępnym za-
gęszczeniem; grubość war-
stwy 15 - 20 cm
Polewanie wbudowywane-
go gruntu wodÄ… dla osiÄ…g-
nięcia wilgotności opty-
malnej
15
walec gładki walec okołkowany
Walce statyczne lub wibracyjne
Maszyny do zagęszczania gruntu
Walec na pneumatykach
16
Wgłębienia (kratery) uzyskane po
ubijaniu, h = 0,5 m
Zagęszczanie gruntu metodą
udarów o dużej energii
UrzÄ…dzenie do ubijania gruntu
H = 15 m, Q = 55 kN,
17