WPŁYW WILGOTNOŚCI NA PĘCZNIENIE GRUNTÓW

Rozpatruje się pęcznienie gruntów w zależności od ich wilgotności początkowej i granicy płynności.

Określono fizyczne właściwości sześciu rodzajów gruntów pęczniejących, a także opisano rezultaty ich badań w „urządzeniach sprężeniowych”. Pokazano charakter pęcznienia gruntów przy różnej wilgotności początkowej i związek z wilgotnością na granicy płynności, co pozwala przewidzieć podniesienie powierzchni fundamentowania.

Przy oddziaływaniu gruntów z wodą można wyodrębnić dwie podstawowe hipotezy;

• fizyczno-mechaniczną

• fizyczno-chemiczną

Powstanie odkształceń strukturalnych w gruntach pęczniejących uwarunkowane jest nie tylko oddziaływaniem cieczy (wilgoci) na związki międzycząsteczkowe a także wewnątrzkrystalicznymi zmianami mineralnych cząstek tych gruntów. Prawidłowe przewidywanie zachowania się gruntów pęczniejących pod fundamentem budowli i uwzględnienie prawidłowości ich odkształceń przy obliczaniu i projektowaniu fundamentów budowli są aktualnymi problemami, nad którymi pracują uczeni wielu krajów świata.

Przede wszystkim należy podkreślić wieloletnie badania prowadzone pod przewodnictwem E.A. Soroczana, A.A. Mastufajewa, N.A. Cytowicza, M.H. Goldszteina i innych pozwalające opracować metody i główne zasady projektowania fundamentów budynków i budowli na gruntach pęczniejących. Niżej rozpatrzono rezultaty badań sześciu rodzajów gruntów - próbek o nienaruszonej strukturze, pobranych z „szybów poszukiwawczych” w okolicach miasta Chama w Syrii. Fizyczne właściwości gruntów przytoczono w tablicy.

CHARAKTERYSTYKA	NUMER GRUNTU
		1	2	3	4	5	6
Wilgotność naturalna ωn [%]	32,50	32,25	33,08	26,80	22,30	21,40
Gęstość ρ [T/m^3]	2,076	2,047	2,030	1,970	1,911	2,022
Gęstość w stanie suchym ρd [T/m^3]	1,567	1,548	1,525	1,554	1,562	1,666
Wilgotność na granicy płynności ωL [%]	105,0	96,0	88,10	67,50	62,0	57,0
Wilgotność na granicy plastyczności ωp [%]	48,0	46,0	51,25	45,0	32,50	26,50
Stopień plastyczności Ip [%]	57,0	50,0	36,85	22,50	29,50	30,50
Ilość cząstek o rozmiarze mniejszym niż 0,075 mm [%]	98,50	97,0	92,20	93,30	91,0	90,50

Badanie gruntów do określenia obliczeniowych charakterystyk pęcznienia względnego ε_sw przy różnych ciśnieniach i ciśnienie pęcznienia przy różnej wilgotności początkowej ω_o przeprowadzono w „przyrządach sprężeniowych” (pole pierścienia 40 cm², wysokość 20 mm ). Wilgotność na granicy płynności określono w aparacie „Kasagrande'a”.

Próbki gruntów o nienaruszonej strukturze (niekiedy suszono je , aby obniżyć wilgotność ) zakładano w aparat bez obciążenia zewnętrznego P = 0 , a potem zanurzano do pełnej stabilizacji pęcznienia gruntu. Za ciśnienie pęcznienia przyjmowano obciążenie , przy którym zaczynała się deformacja (zwarcia, ciśnienia, sprężenia, skurczu ,? ).

Z tych próbek otrzymano wartości odkształceń pęcznienia gruntu i odpowiadające im wartości ciśnienia pęcznienia. Względnie pęcznienie przy ciśnieniu P_i określono wg. wzoru (1…3).

ε_sw= (h_sat - h_n)
/ h_n (1)

h_sat- wysokość próbki po pęcznieniu (w przypadku gdy niemożliwe jest

odkształcenie boczne) przy pełnym nasyceniu gruntu wodą .

h_n - wyjściowa wysokość próbki przed zamoczeniem.

Na rys. 1 przedstawiono krzywe zależności ε_sw od nacisków (sił) zagęszczających P_i dla sześciu rodzajów z różnymi wartościami wilgotności ω_L i przy różnej wilgotności ω_o.

Te krzywe można aproksymować funkcją:

ε_sw =
_sw(1-P_i/P_sw)^m (2)

gdzie:

_sw - względne swobodne pęcznienie bez nacisku;

P_sw - ciśnienie pęcznienia;

m - parametr charakteryzujący nieliniową deformację gruntu przy

pęcznieniu(patrz rys.1)

Średnią arytmetyczną wartość rezultatów szczegółowych określeń parametru m przedstawia:

gdzie:

n = 21 - liczba prób w „przyrządach sprężeniowych”.

Na rys. 2 przedstawiono zależności
_sw od ω_o dla sześciu rodzajów gruntu o różnych wartościach ω_L.

Jak można zauważyć wielkość
_sw jest odwrotnie proporcjonalna do ω_o i wprost proporcjonalna do ω_L.

Przy ω_L > 80% funkcja jest nie liniowa a przy ω_L < 70% liniowa.

Na rys.3 pokazano zależność zmiany P_sw od ω_o dla gruntów z różnymi wartościami ω_L. Ze zwiększeniem ω_o wielkość P_sw zmniejsza się. Przy ω_L > 80% funkcja jest nieliniowa, a przy ω_L < 70% liniowa . Oprócz tego ciśnienie pęcznienia jest wprost proporcjonalne do ω_L.

Między P_sw i ω_L istnieje liniowa zależność przy różnej wilgotności ω_o (rys 4).

Jak można zauważyć na rysunku 4 zależności są prawie równoległe i mogą być aproksymowane liniowo funkcją:

P_sw = α₁(ω_L - 46) przy 9,4% ≤ ω_o ≤ 16,2 %; (3)

P_sw = α₂ (ω_L - 56) przy 21,4% ≤ ω_o ≤ 27,5%; (4)

P_sw = α₃ (ω_L - 77) przy 32,5% ≤ ω_o ≤ 33,1%, (5)

gdzie:

α₁ = 0,0300 Mpa ; α₂ = α₃ = 0,0245 Mpa

Między
_sw i ω_L istnieje liniowa zależność przy różnych wartościach ω_o (rys.5)

Zależność ta może być aproksymowana funkcją liniową :

_sw = β₁(ω_L- 25 ) przy 9,4% ≤ ω₀ ≤ 16,2% ; (6)

_sw = β₂(ω_L- 49 ) przy 21,4% ≤ ω₀ ≤ 27,5% ; (7)

_sw = β₃(ω_L- 74 ) przy 32,5 %≤ ω₀ ≤ 33,1% ; (8)

gdzie:

β₁= 0,324 ; β₂= 0,304 ; β₃= 0,383.

Z pomocą (2), otrzymamy następujące przybliżone wzory do określenia ε_sw,i pod wpływem P_i, związane tylko z wilgotnością ω_L

ε_sw,i = β₁(ω_L- 25)
przy 9,4 %≤ ω₀ ≤ 16,2%; (9)

ε_sw,i = β₂(ω_L- 49)
przy 21,4 %≤ ω₀ ≤ 27,5%; (10)

ε_sw,i = β₃(ω_L- 77)
przy 32,5 %≤ ω₀ ≤ 33,1%; (11)

Podnoszenie fundamentu przy pęcznieniu gruntu h_sw, obliczymy ze wzoru z normy:

(12)

gdzie:

ε_sw,i - względne pęcznienie gruntu i - tej warstwy, określone wzorami (9…11)

h_i - grubość i - tej warstwy

k_sw,i - współczynnik określany wg normy

Wnioski:

1. Badane grunty przy wilgotności ω_L ≤ 46% można uznać za nie pęczniejące.

2. Klasyfikacja pęczniejących gruntów powinna być związana z wilgotnością początkową.

3. Regularna zależność zmian względnego pęcznienia od sił zagęszczających jest nieliniowa.

4. Względne swobodne pęcznienie
   _sw i ciśnienie pęcznienia P_sw jest odwrotnie proporcjonalna do początkowej wilgotności gruntu ω_o i wprost proporcjonalna do wzrostu wilgotności na granicy płynności ω_L.

5. Wzory (9…11) określają względne pęcznienie
   _sw,i przy przy różnej wilgotności ω_o pod wpływem sił zagęszczających P_i co pozwala skrócić czas badań w „przyrządach sprężeniowych” i suszenia próbek gruntu. Dzięki rezultatom badań można określić podnoszenie fundamentów z pomocą normy (Fundamenty budynków i budowli).

---