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
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
poduszka
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 pomiędzy wilgotnością gruntu - w, a jego
gÄ™stoÅ›ciÄ… objÄ™toÅ›ciowÄ… szkieletu - Ád.
Á
Á
Á
Wyniki badania Proctora przedstawia się w postaci krzywej zagęszczalności, w układzie
współrzÄ™dnych w - Ád. Na wykresie widać, że poczÄ…tkowo ze wzrostem wilgotnoÅ›ci
Á
Á
Á
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 optymalną i oznaczamy
symbolem wopt, zaś odpowiadającą jej maksymalną gęstość objętościową 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.
5
Parametry zagÄ™szczalnoÅ›ci badanego gruntu: wopt = 11,8 %, Áds = 1,890 g/cm3
6
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]. Zagęszczanie wymaga
wykonania określonej pracy, którą mierzy się
jednostkową energią zagęszczania gruntu E
[J/cm3]. Można ją 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.
7
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
Dobór do badania odpowiedniej metody zależy przede wszystkim od dwu czynników, od uziarnienia
gruntu (pyły, iły oraz piaski bada się w małym cylindrze, żwiry w cylindrze dużym) oraz od
zastosowanych na budowie nasypu maszyn zagęszczających (lekkie maszyny  E = 0,59 J/cm3,
ciężkie  E = 2,65 J/cm3). Grunty kamieniste, stosowane np. przy budowie zapór, bada się w
wielkowymiarowych urzÄ…dzeniach, budowanych indywidualnie dla danego zadania.
8
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. Powinna być spełniona 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 . Dane dla innego rodzaju
budowli ziemnych zawarte sÄ… w odpowiednich normach lub instrukcjach.
Istnieją odpowiednie normy dotyczące budowy nasypów drogowych (vide
następny slajd) lub np. zasypek wykopów instalacyjnych, itp. 9
Przy kontrolowaniu zagęszczenia nasypów drogowych, jako wymagane, minimalne
wartości wskaz
nika zagęszczenia Is (oraz wtórnego modułu odkształcenia E2 [MPa])
przyjmuje się dane pokazane na powyższym rysunku z normy PN-S-02205:1998   Drogi
samochodowe. Roboty ziemne  uzależnione, jak widać, od rodzaju gruntu i 10
klasy
obciążenia drogi ruchem.
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 .
Powyższy rysunek przedstawia dwie krzywe zagęszczalności, uzyskane dla tego
samego gruntu, przy dwu różnych energiach zagęszczania.
Na podstawie tego rysunku można stwierdzić, że zagęszczalność gruntu jest również
uzależniona od jednostkowej energii zagęszczania:
dla E2 > E1 mamy wopt2 < wopt1 oraz Áds2 > Áds1
Á Á
Á Á
Á Á
11
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 12
krzywa zagęszczalności
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
grubnoziarnistych piaszczystych (FSa, MSa, CSa) istnieje, ustalona
doświadczalnie, następująca zależność korelacyjna
Is = 0,855 + 0,165Å"
Å"ID
Å"
Å"
Mając zatem ustalony 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