Mechanika Gruntów obejmuje teoretyczne podstawy zjawisk, które występują w gruncie stanowiącym podłoże budowli, ośrodek w którym wykonywane są roboty inżynierskie oraz materiał, z którego wznoszone są budowle ziemne. Jest nauką, zajmującą się zjawiskami w gruncie na skutek inzynierskiej działalności człowieka.

Mechanika gruntów stanowi więc teoretyczną część geotechniki, dziedziny działalności inżynierskiej obejmującej roboty ziemne, fundamentowanie, budowle i konstrukcje ziemne, konstrukcje podziemne oraz wzmacnianie i uszczelnianie podłoża.

Struktura gruntu jest to wzajemny układ ziaren i cząstek gruntowych, tworzących szkielet gruntowy. Zależy ona od jakości i wymiarów cząstek oraz od warunków powstawania gruntu. Rozróżnia się trzy typowe struktury gruntów: ziarnistą,komórkową,kłaczkową Struktura ziarnista jest charakterystyczna dla piasków i żwirów o ziarnach wykazujących znikome wzajemne przyciąganie Struktura komórkowa jest charakterystyczna dla gruntów ilastych, odłożonych w wodzie bez uprzedniego skoagulowania się opadających cząstek.

Struktura kłaczkowa powstaje z cząstek prawie wyłącznie iłowych, opadających w wodzie z rozpuszczonymi solami.

Miejscem występowania zjawisk natury fizykochemicznej jest powierzchnia graniczna będąca powierzchnią kontaktu pomiędzy fazą stałą (cząstkami) i fazą ciekłą (wodą lub roztworem różnych związków chemicznych)

Wielkość powierzchni granicznej w przeliczeniu na jednostkę objętości danego gruntu nazywa się powierzchnią właściwą. Im drobniejsze są cząstki danego ośrodka, tym większa jest jego powierzchnia właściwa i tym większa jest jego aktywność fizykochemiczna.Zjawiska fizykochemiczne mają wpływ na:

jakość i pracę gruntu,

strukturę gruntu, ściśliwości i wytrzymałości.Intensywność zjawisk zależy od:

składu mineralnego ich ziaren i cząstek,

składu chemicznego roztworu wodnego znajdującego się

w porach gruntu,

wielkości powierzchni granicznej.

WARSTWA WODY ZWIĄZANEJ składa się z dwóch podwarstw:

woda adsorbowana (higroskopijna) tworzy powłokę
- warstwę kationów trwale związanych z powierzchnią cząstki

gruntu na skutek przyciągania molekuł wodnych

woda błonkowata związana słabiej z powierzchnią cząstki, przesuwa się z jednej cząstki na drugą niezależnie od siły ciężkości do chwili wyrównania grubości wodnej na obu cząstkach.

Warstwa podwójna jonowa jest to warstwa jonów utwierdzonych na powierzchni cząstki i warstwa dyfuzyjna z adsorbowanych jonów.

Grubość warstwy podwójnej i warstwy wody związanej zależy od:

składu chemicznego cząstki stałej

wartościowości adsorbowanych jonów.

Na siłę przyciągania i odpychania cząstek gruntu ma wpływ:

obecność lub brak warstwy kationów między cząsteczkami (jedna warstwa kationów osłabia wzajemne przyciąganie cząstek, a każda kolejna powoduje, że przyciąganie cząstek jeszcze bardziej maleje.)

wartościowości kationów adsorbowanych (im większa wartościowość kationów, tym mniej jest ich w warstwie dyfuzyjnej, tym lepsze właściwości mechaniczne ma grunt)

POTENCJAŁ ELEKTROKINETYCZNY ζ jest to różnica potencjału w warstwie dyfuzyjnej. Różnica potencjału pomiędzy powierzchnią cząstki a zewnętrzną granicą warstwy dyfuzyjnej nazywa się potencjałem termodynamicznym ε,

ZJAWISKA

ELEKTROKINETYCZNE

Przepływ elektroosmotyczny jest to przemieszczenie pewnej części warstwy dyfuzyjnej kationów, stycznie do warstwy utwierdzonej, pod wpływem stałego prądu elektrycznego. Nastąpi więc przepływ wody w kierunku elektrody o przeciwnym znaku.Elektroforezą lub elektrokataforezą nazywamy zjawisko wędrówki cząstek stałych, mających potencjał elektrokinetyczny, do elektrody odmiennego znaku.

ZJAWISKO TIKSOTROPII polega na przechodzenia żelu w zol i odwrotnie, wskutek mechanicznych oddziaływań (wibracji, wstrząsów, mieszania, działania ultradźwięków itp.) W tworzeniu się żelu udział biorą wszystkie cząstki zawiesiny, z których po pewnym czasie powstaje ciągła struktura komórkowa.

Właściwości tiksotropowe mają grunty zawierające cząstki iłowe o rozmiarach koloidów < 0,0002 mm.

Cząstki iłowe i koloidalne tworzą pomiędzy większymi ziarnami tiksotropowe spoiwo w postaci ciągłej siatki przestrzennej, nadają gruntowi spoistość i wytrzymałość. Naruszenie struktury triksotropowej spoiwa gruntu wskutek drgań i wibracji powoduje uplastycznienie gruntu, a nawet jego upłynnienie.

Uziarnienie i Charakterystyki Uziarnienia

Ziarna i cząstki gruntu dzielone są wg wielkości na grupy zwane frakcjami. Wyróżniamy pięć następujących frakcji:

kamienista o ziarnach d > 25 mm

żwirowa o ziarnachd = 25 - 2 mm

piaskowa o ziarnachd = 2 - 0,05 mm pyłowa o cząstkach

d = 0,05 - 0,002 mm iłowa o cząstkach d < 0,002 mm

Uziarnienie gruntu (skład granulometryczny) określa się procentową zawartością poszczególnych frakcji w stosunku do ciężaru całej próbki badanego gruntu. Określenie ilościowego podziału poszczególnych frakcji (ziaren, cząstek) w badanej próbce wykonuje się dwoma rodzajami metod: metody bezpośrednie - oparte na pomiarze rzeczywistych wymiarów cząstek gruntowych, do których należą:

 analiza sitowa,

 badania mikroskopowe (których celem jest określenie kształtu cząstek gruntu, a nie składu granulometrycznego

gruntu). metody pośrednie - w których wielkość cząstek gruntu zastępuje się średnicami teoretycznych kulek. W grupie tych metod rozróżniane są metody oparte są na procesie sedymentacji oraz metody rozdziału frakcji w strumieniu cieczy lub gazu. Metoda pośrednią jest analiza aerometryczna lub pipetowa.

Z wykresów krzywych uziarnienia można wyznaczyć:

procentowe zawartości poszczególnych frakcji (niezbędne do określenia rodzaju gruntu),

średnice cząstek d10, d30, d60 (niezbędne do określenia wskaźników uziarnienia gruntu) oznaczające średnice cząstek, które wraz z mniejszymi stanowią 10, 30, 60 %.Parametry Opisujące Własności Fizyczne

Cechy fizyczne gruntu można podzielić na podstawowe i od nich pochodne.

Do podstawowych cech fizycznych gruntów zalicza się:   wilgotność w

,,, gęstość właściwą ρs, gęstość objętościową ρ

cechy te oznaczane są na podstawie badań laboratoryjnych

Do pochodnych cech fizycznych gruntu zalicza się:  gęstość objętościową szkieletu gruntowego ρd,  porowatość n i wskaźnik porowatości e

wilgotność całkowitą wr i stopień wilgotności Sr.  stopień zagęszczania ID i wskaźnik zagęszczania Is

wskaźnik plastyczności IP stopień plastyczności ILPodstawowe Cechy Fizyczne Gruntu

Wilgotnością gruntu w nazywamy procentowy stosunek masy wody mw zawartej w jego porach do masy szkieletu gruntowego ms:W=m_w/m_s*100%gdzie mw - masa wody

ms- masa cząstek gruntu (szkieletu gruntowego)

Wilgotnością naturalna wn nazywamy wilgotność, jaką ma grunt w stanie naturalnym.

Gęstością właściwą gruntu ρs nazywa się stosunek masy szkieletu gruntowego ms do jej objętości Vs. P_{s =}m_s/V_s gdzie: ms- masa cząstek gruntu Vs- objętość samych cząstek (szkieletu gruntowego) Gęstość objętościowa gruntu ρ jest to stosunek masy próbki gruntu do objętości tej próbki łącznie z porami. P= m_m/V

gdzie: mm- masa próbki gruntu V- objętość próbki gruntu

Cechy Fizyczne Pochodne od Cech Podstawowych

Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego ρd jest to stosunek masy szkieletu gruntu (masa ziaren i cząstek) w danej próbce do jej objętości pierwotnej (razem z porami).

P_{d =}m_s/V=100p/100+w_n

gdzie:ms - masa próbki wysuszonej do stałej wagi w

temperaturze 105 ÷ 110 °C

V - objętość próbki gruntu przed wysuszeniem

ρ - gęstość objętościowa gruntu

Wn - wilgotność naturalna gruntu Znajomość gęstości objętościowej szkieletu jest konieczna do obliczenia porowatości, wskaźnika porowatości i wskaźnika zagęszczenia nasypów.Porowatością gruntu n nazywamy stosunek objętości porów Vp w danej próbce gruntu do objętości całego gruntu V (szkielet gruntu + pory).

n=V_p/V Wobec trudności bezpośredniego pomiaru objętości porów Vp i objętości szkieletu Vs wykorzystuje się metodę pośrednią.

Wskaźnikiem porowatości gruntu e nazywamy stosunek objętości porów Vp do objętości cząstek gruntu (szkieletu gruntowego) Vs.

e=V_p/V_s

Wilgotność całkowita wsat gruntu istnieje wtedy, gdy jego pory są całkowicie wypełnione wodą (oblicza się ją w procentach).

Stopień wilgotności gruntu Sr określa stopień wypełnienia porów gruntu wodą.

Zależnie od wartości stopnia wilgotności gruntu Sr rozróżniono następujące stany zawilgocenia gruntów niespoistych:

suchy Sr = 0 mało wilgotny

0 < Sr ≤ 0,4

wilgotny 0,4 < Sr ≤ 0,8

nawodniony 0,8 < Sr ≤ 1,0

Maksymalna wartość stopnia wilgotności Sr = 1 (pory są całkowicie wypełnione wodą).

Parametry Zagęszczania Gruntów

Wilgotność optymalna wopt to taka, przy której uzyskuje się największe zagęszczenie w przypadku gruntów spoistych i niektórych gruntów niespoistych.

Zależność Proctora: gęstość objętościowa szkieletu gruntowego ρd zależy od wilgotności (przy stałej energii zagęszczania). Maksymalne zagęszczenie jest tym większe, im większa jest energia zagęszczania. Wartości wopt i ρds zależą od rodzaju gruntu.Wskaźnik zagęszczenia gruntów Is jest miernikiem charakteryzującym jakość zagęszczenia nasypu:

gdzie:ρd nas - gęstość objętościowa szkieletu gruntu w nasypie,

ρds.- maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntu.

Stopień zagęszczenia gruntów niespoistych ID jest to stosunek zagęszczenia występującego w stanie naturalnym do największego możliwego zagęszczenia danego gruntu.

Granice konsystencji gruntów spoistych

Granice konsystencji są granicznymi wilgotnościami rozdzielającymi poszczególne konsystencje:

granica płynności wL - wilgotność na granicy między konsystencją płynną i plastyczną.

 granica plastyczności wp - wilgotność na granicy między konsystencją plastyczną i zwartą.

 granica skurczalności ws - wilgotność na granicy stanu półzwartego i zwartego

Parametry Plastyczności Gruntów

Plastycznością nazywa się zdolność gruntu do poddawania się trwałym (nieodwracalnym) odkształceniom przy stałej objętości, bez pęknięć i kruszenia się. Cechę tę wykazują tylko te grunty, które zawierają w swoim składzie cząstki minerałów ilastych.

Wskaźnik plastyczności IP jest to różnica pomiędzy granicą płynności i granicą plastyczności (zakres wilgotności wyznaczony granicami), oznacza ile wody w procentach (w stosunku do masy szkieletu) wchłania dany grunt przy przejściu ze stanu półzwartego w półpłynny.

gdzie:wP-granica plastyczności,

wL-granica płynności.

Między wskaźnikiem plastyczności i ilością frakcji iłowej istnieje następująca zależność:

A=Ip/f_i gdzie :A - „aktywność koloidalna”,

ƒi - zawartość frakcji iłowej w danym gruncie

(o uziarnieniu poniżej 2 mm) w %.

Zależnie od aktywności koloidalnej grunty dzieli się na 4 grupy:

nieaktywne A < 0,75

przeciętnie aktywne 0,75 ≤ A < 1,25aktywne 1,25 ≤ A <2

bardzoaktywne A ≥ 2

Stopień plastyczności IL jest to stosunek różnicy wilgotności naturalnej danego gruntu i granicy plastyczności do różnicy granicy płynności i granicy plastyczności. Wskaźnik ten określa, jaką konsystencję ma badany grunt oraz odzwierciedla właściwości gruntu w stanie in situ.

Rozróżnia się trzy konsystencje gruntów spoistych:

płynną - grunt zachowuje się jak ciecz i nie ma prawie żadnej wytrzymałości

plastyczną - odkształca się przy pewnym nacisku, nie ulega przy tym spękaniom i zachowuje nadany mu kształt

zwartą - odkształca się dopiero przy dużych naciskach, przy czym odkształceniom towarzyszą spękania

Klasyfikacja Gruntów

Uziarnienie jest podstawowym kryterium podziału gruntów.Do określenia rodzaju gruntów według uziarnienia, stosuje się klasyfikację opartą na trzech najdrobniejszych frakcjach: piaskowej, pyłowej i iłowej. Wzajemny stosunek zawartości tych frakcji w gruntach przedstawia trójkąt Fereta:

Podział gruntów gruboziarnistych ze względu na uziarnienie.

Podział gruntów niespoistych ze względu na uziarnienie.

Podział gruntów spoistych ze względu na uziarnienia.

Rodzaje Wód Występujących w Gruncie

Rodzaje wody w gruncie klasyfikuje się na podstawie jej stanu skupienia (stały, ciekły, gazowy), ruchliwości i wzajemnego oddziaływania na cząstki gruntowe. Przyjmuje się, że w podłożu gruntowym występuje woda :

 w postaci pary

 związana:

 silnie związana - higroskopijna

 słabo związana - błonkowata

 wolna:

 gruntowa

 wsiąkowa

 kapilarna (włoskowata)

 w stanie stałym

 krystalizacyjna i chemicznie związana

Woda związana otacza cząstki gruntu w postaci warstw, które są przyciągane przez grunt z różną siłą. Dzieli się na silnie związaną i słabo związaną.

 Woda silnie związana - higroskopowa jest silnie połączona z powierzchnią cząstek

gruntowych. Nie może działać rozpuszczająco, przechodzić z jednej cząstki na drugą oraz przekazywać ciśnienia hydrostatycznego

 Woda słabo związana - błonkowata dzieli się na wodę błonkowatą utwierdzoną

i wodę błonkowatą luźną

Wtórnie zorientowana woda poliwarstw (błonkowata utwierdzona) tworzy się wokół cząstek i adsorbowanych jonów dzięki wiązaniom międzymolekularnym powstającym między molekułami wody silnie związanej a molekułami wody dostającej się do gruntu.

Woda błonkowata luźna - osmotyczna tworzy się w wyniku przenikania molekuł wody z roztworu w warstwę dyfuzyjną miceli, gdzie koncentracja jonów jest wyższa niż w roztworze. Słabo związana z powierzchnią cząstki wykazuje ruchliwość.

Woda wolna - gruntowa występuje w podziemnych nieckach i łożyskach wypełnionych żwirami i piaskami. Zasilana jest przesiąkającą wodą deszczową, infiltracją wód powierzchniowych z otwartych zbiorników wodnych, rzek oraz kondensacją pary wodnej, znajdującej się w porach gruntów.

Zwierciadło wody podziemnej nazywane powszechnie, zwierciadłem wody gruntowej jest to granica między strefą aeracji i saturacji w przestrzennym rozmieszczeniu wód pod powierzchnią terenu.

Strefa aeracji, czyli napowietrzania, występuje między powierzchnią terenu a zwierciadłem wody podziemnej. W strefie aeracji pory gruntowe wypełnione są powietrzem, a woda występuje w różnych postaciach (np. jako higroskopijna, błonkowata, kapilarna).

Strefa saturacji, czyli nasycenia wodą, występuje poniżej zwierciadła wody gruntowej. W strefie tej wolne przestrzenie między ziarnami mineralnymi otoczonymi wodą higroskopijną i błonkowatą wypełnia woda wolna.

Rozróżniamy wody gruntowe właściwe i zaskórne.

Wody zaskórne występują przejściowo, blisko powierzchni terenu, na lokalnych soczewkach gruntów mało przepuszczalnych, leżących powyżej zwierciadła właściwej wody gruntowej.

Wody gruntowe właściwe stanowią ciągły poziom wodonośny, występują na większej głębokości i zalegają na znacznym obszarze. Są oddzielone od powierzchni terenu strefą aeracji, nieraz znacznej miąższości.

Woda naporowa międzywarstwowa jest to woda gruntowa występująca między dwiema mało przepuszczalnymi warstwami. Wywiera ona ciśnienie zwane ciśnieniem piezometrycznym na spąg wyżej leżącej mało przepuszczalnej warstwy.Woda artezyjska to taka, której zwierciadło wody naporowej znajduje się ponad powierzchnią terenu.Woda wolna - wsiąkowa (infiltracyjna) pochodzi z opadów, przesącza się przez całą strefę aeracji do strefy saturacji pod wpływem sił ciężkości.Woda włoskowata - kapilarna przenosi ciśnienie hydrostatyczne, zamarza w temperaturze poniżej 0ºC.

Wodę kapilarną dzieli się na trzy typy: Woda naroży porów tworzy się w miejscach styku cząstek w postaci

oddzielnych kropli.

 Woda zawieszona nie ma bezpośredniej łączności z poziomem wód

gruntowych, stąd nie może być przez nie zasilana.

 Właściwa woda kapilarna podnosi się w górę do poziomu wód

gruntowych.

KapilarnośćKapilarność jest wynikiem działania dwu zjawisk:

przyczepności (adhezji) wody do ścianek rurki

 napięcia powierzchniowego wody Kapilarnością czynną nazywamy zjawisko podnoszenia się wody w kapilarze do góry w stosunku do zwierciadła wody wolnej

Kapilarnością bierną nazywamy obniżenie się poziomu zwierciadła wody w stosunku do poziomu wody w kapilarach.

Kapilarną wysokością bierną Hkb nazywamy maksymalną możliwą do uzyskania różnicę poziomów menisków wody kapilarnej i zwierciadła wody

Skurczalność

Skurczem gruntu nazywa się zmniejszenie jego objętości w wyniku wydzielenia wody przy wysychaniu (wyparowywaniu wody pod działaniem różnych temperatur) lub przy rozwinięciu procesów fizykochemicznych (osmoza).

Granica skurczalności ws, oznaczona jest

Odkształcenie skurczu wyrażane jest symbolem εsh lub εs i opisane wzorem: gdzie: Δh - zmniejszenie wysokości próbki po suszeniu,

H0 - wysokość początkowa próbki. Parcie czynne gruntu Ea. Jest to wypadkowa siła działająca od strony ośrodka gruntowego, spowodowana przemieszczeniem konstrukcji lub jej elementu w kierunku od gruntu o wartości dostatecznej do uzyskania najmniejszej wartości parcia gruntu. Parcie czynne występuje w przypadku ścian oporowych i ścianek szczelnych, ścian szczelinowych, płyt kotwiących, obudowy wykopów itp.)

2. Parcie pośrednie gruntu E1. Jest to wypadkowa sił działających od strony ośrodka gruntowego, spowodowana przemieszczaniem konstrukcji mniejszym od przemieszczania powodującego wystąpienie parcia granicznego, czynnego. Parcie pośrednie występuje w przypadku ścian doków suchych, śluz, ścian basenów, kotwionych ścian szczelinowych, przyczółków mostowych, itp.)

3.Parcie spoczynkowe gruntu E0. Jest to wypadkowa siła działająca od strony ośrodka gruntowego, gdy nie istnieje możliwość przesunięcia konstrukcji lub jej elementu. (Parcie spoczynkowe występuje przy obudowach tuneli zagłębionych w gruncie, ścianach budynku itp.)

Odpór pośredni gruntu EII. Jest to reakcja podłoża gruntowego w przypadku, gdy konstrukcja lub jej element ulegnie przemieszczeniu w kierunku ośrodka gruntowego, nie przekraczającemu przemieszczenia powodującego wystąpienie odporu granicznego (parcia biernego). (Odpór pośredni może wystąpić w przypadku ścian oporowych, podpór mostów łukowych, masywnych nabrzeży łukowych itp.)

5.Odpór graniczny (parcie bierne) gruntu Ep. Jest to reakcja podłoża gruntowego spowodowana przemieszczaniem konstrukcji lub jej elementu w kierunku gruntu, o wartości wystarczającej do osiągnięcia przez odpór wartości największej. (Odpór graniczny może występować w przypadku płyt lub innych elementów kotwiących, nośności podłoża fundamentowego, nabrzeży masywnych itp.)

6. Parcie silosowe gruntu Es. Jest to siła działająca od strony grunt na ścianą oporową w przypadku, gdy strefa klina odłamu jest ograniczona przez blisko zalegającą przeszkodę. (Jest to częsty przypadek obciążenia gródź, szybów, bunkrów, nabrzeży płytowych itp.)

Parcie Spoczynkowe

Parciem spoczynkowym nazywamy ciśnienie, które ośrodek gruntowy będący w stanie równowagi wywiera na ścianę oporową, przy jej zerowym przemieszczeniu. (Parcie to określa się wzorami definiującymi poziomą składową naprężenia mnożąc współczynnik parcia spoczynkowego K0 przez pionową składową naprężenia in situ σvo'.)

Parcie Czynne i Bierne

Metody stosowane do oceny parcia gruntu na konstrukcje oporowe to:

Metoda Rankine'a (1857)

MetodaCouloma (1776)

Graniczny stan naprężenia powstaje przy wystąpieniu wystarczająco dużego odkształcenia w gruncie.

Metoda Rankine'a

Teoria Rankine'a opisuje stan naprężenia w gruncie w momencie osiągnięcia w nim stanu plastyczności.

W przypadku ruchu ściany w kierunku od gruntu następuje zmniejszenie wartości składowej σx do wartości minimalnej w chwili osiągnięcia stanu granicznego zwanego czynnym. W stanie tym składowa pozioma σx jest mniejszą składową naprężenia głównego σ3 a składowa pionowa σz jest większą składową naprężenia głównego σ1.

Metoda Coulomba

Teoria Coulomba opisuje stan naprężenia w gruncie przy założeniu, że stan graniczny występuje na powierzchni zniszczenia klina odłamu powstającego podczas ruchu ściany od gruntu lub w kierunku gruntu. (W opisie Culomba uwzględniono tarcie pomiędzy ścianą a gruntem poprzez kąt δ oraz dowolnie nachylony naziom pod kątem β i dowolnie zorientowaną ścianę do pionu pod kątem α).Przy obliczaniu parcia zgodnie z teorią Coulomba przyjmuje się szereg założeń upraszczających:

1.Grunt za ścianą jest ośrodkiem jednorodnym izotropowym.

2.Część gruntu wywierająca parcie na ścianę jest oddzielona od gruntu pozostałego płaszczyzną nachyloną do poziomu pod pewnym kątem. Płaszczyznę tę nazywa się płaszczyzną odłamu.

3.Płaszczyzna odłamu przechodzi przez dolną tylną krawędź ściany.

4.Cześć gruntu wywierająca parcie na ścianę i ograniczona tylną powierzchnią ściany, płaszczyzną odłamu i linią naziomu nazywa się klinem odłamu. Klin odłamu znajduje się w warunkach równowagi granicznej i wobec tego w płaszczyznach oddzielających od ściany od pozostałej części gruntu istnieją siły tarcia.

5.Parcie gruntu na ścianę równe jest parciu tego z przyjętych klinów odłamu (odpowiadających równym kątom nachylenia płaszczyzny odłamu), który wywołuje największe parcie.

Obciążenie Krytyczne

Za obciążenie krytyczne przyjmuje się obciążenie, którego przekroczenie powoduje w podłożu gruntowym, poniżej krawędzi powierzchni obciążonej, powstanie strefy uplastycznienia. W obrębie strefy uplastycznienia grunt znajduje się w stanie granicznym.

Czynniki wpływające na warunki stateczności skarp:

- kształt i wymiary skarpy,

-budowa geologiczna, a szczególnie istnienie nieciągłości w postaci powierzchni kontaktowych i powierzchni zaburzeń tektonicznych,

-woda, powodująca obniżenie wytrzymałości gruntów oraz przejawiająca się działaniem ciśnienia hydrostatycznego i spływowego,

-obciążenia dynamiczne, wywołane ruchem pojazdów i pracą maszyn, robotami strzałowymi, trzęsieniami Ziemi i t.p.,

-warunki atmosferyczne,

-wpływy chemiczne,

wpływy biologiczne.

etody analizy stateczności skarp

-metody, których celem jest określenie geometrii (kształtu profilu) skarpy statecznej, jeżeli znana jest jej budowa geologiczna i własności gruntów. Do tej grupy zaliczyć można metody bazujące na teorii stanów granicznych (metoda Sokołowskiego, metoda Sokołowskiego-Senkowa) oraz metody empiryczne (metoda Masłowa Fp).

-metody, których zadaniem jest ocena, czy skarpa (zbocze) o zadanej budowie geologicznej i geometrii jest stateczna. Metody tej grupy noszą również nazwę metod równowagi granicznej. Zakłada się w nich znajomość kształtu i położenia powierzchni poślizgu, wzdłuż której spełnione są warunki stanu granicznego Coulomba-Mohra. Miarą stateczności jest wskaźnik stateczności, definiowany jako stosunek sił utrzymujących równowagę do sił zmierzających do destrukcji. Metody te najczęściej stosują podział potencjalnej bryły osuwiskowej na paski (bloki) o ściankach pionowych, na których przyłożone są siły styczne i normalne. Ze względu na statyczną niewyznaczalność zadania, poszczególne metody tej grupy przyjmują różne założenia, dotyczące rozkładu sił pomiędzy paskami, oraz warunków równowagi gwarantujących stateczność.

Metoda Masłowa Fp

Metoda Masłowa Fp, zwana również metodą jednakowej stateczności służy do wyznaczania kształtu profilu zboczy statecznych. Została ona opracowana w oparciu o wyniki obserwacji procesów osuwiskowych zachodzących głównie na zboczach rzeki Wołgi. Obserwacje te wykazały, że:

-w wyniku naturalnych procesów osuwiskowych w gruntach spoistych tworzy się krzywoliniowy profil zbocza, który gwarantuje zachowanie stanu równowagi,

- generalne nachylenie profilu statecznego jest ściśle związane z wytrzymałością gruntów na ścinanie,

-krzywizna profilu jest największa w górnych partiach skarpy i maleje prawie do zera w miarę oddalania się od naziomu,

w dużej odległości od naziomu profil skarpy staje się prostoliniowy, nachylony do poziomu pod kątem tarcia wewnętrznego gruntu.

Metody sprawdzania stateczności skarp i zboczy

Główne założenia tych metod są następujące:

-znany jest kształt i położenie powierzchni poślizgu. W praktyce przyjmuje się najczęściej, że powierzchnia poślizgu ma kształt linii prostej, wycinka okręgu, spirali logarytmicznej, dowolnej krzywej lub linii łamanej.

-wzdłuż powierzchni poślizgu spełnione są warunki stanu granicznego. Dla określenia stanu granicznego stosuje się najczęściej wytężeniową hipotezę Coulomba-Mohra.

-w przypadku różnej od prostoliniowej powierzchni poślizgu potencjalną bryłę osuwiskową dzieli się na bloki (paski) o ściankach pionowych, zgodnie z metodą zaproponowana przez Pettersona (1916 r). Na boczne powierzchnie pasków działają siły wzajemnego oddziaływania, których charakter jest odmienny w różnych metodach.

-miarą stateczności zbocza jest wskaźnik stateczności, który pierwotnie definiowany był jako iloraz sił utrzymujących i zsuwających:

Stateczność zbocza o nieskończonej długości bez filtracji

Z analizą stateczności zboczy o nieskończonej długości mamy do czynienia najczęściej wówczas, gdy na mocniejszym podłożu o niewielkim nachyleniu zalega warstwa materiału o niższych wartościach parametrów wytrzymałościowych. Z duża dozą prawdopodobieństwa można wówczas przyjąć, że poślizg nastąpi po powierzchni kontaktu gruntów słabych i mocniejszego podłoża. W górnictwie podobna sytuacja występuje przy powiększaniu starych, skonsolidowanych zwałów, podczas sypania na stok.Analiza stateczności w takim przypadku ogranicza się do paska o ograniczonej szerokości, na który działają siły jak na rysunku.metoda Felleniusa (1925 r)

Metoda Felleniusa jest najstarszą z metod, które umożliwiają przeprowadzenie analizy stateczności dla różnych od prostoliniowej powierzchni poślizgu. Opracowana ona została na podstawie wyników badań Szwedzkiej Komisji Geotechnicznej, której prace prowadzone były w latach 1916-1925. Metoda ta wykorzystuje podział potencjalnej bryły osuwiskowej na bloki (paski)pionowe. Z powyższych względów metoda ta znana jest również pod nazwą metody Pettersona-Felleniusa lub metody szwedzkiej.

W metodzie Felleniusa przyjęto następujące założenia:

-powierzchnia poślizgu ma kształt walca cylindrycznego,

-siły oddziaływania pomiędzy blokami są równoległe do podstawy bloku i nie wpływają na wartość reakcji normalnej do podstawy bloku oraz wartość sił oporu ścinania,

-wskaźnik stateczności definiowany jest jako stosunek momentów sił biernych (utrzymujących równowagę) i sił czynnych (zsuwających).

Wypadkowa sił oddziaływania pomiędzy blokami wywołuje wprawdzie moment przy analizie pojedynczego bloku, ale ze względu na wewnętrzny charakter tych sił wywołany przez nie moment dla całej bryły względem dowolnego punktu powinien być równy zeru.

metoda Bishopa (1955 r)

Podstawowe założenia metody Bishopa są podobne jak w metodzie Felleniusa. Podstawowe różnice sprowadzają się do odmiennych założeń odnośnie sił oddziaływania pomiędzy blokami. Założenia metody Bishopa są następujące:

-powierzchnia poślizgu ma kształt walca cylindrycznego,

-siły oddziaływania pomiędzy blokami są nieznane, a ich wartość określa się metodą kolejnych prób przy zastosowaniu ogólnych równań równowagi wewnętrznej.

-wartość reakcji normalnej w podstawie bloku określa się z warunku rzutów sil na kierunek pionowy, wskaźnik stateczności określany z równania równowagi momentów sił względem środka potencjalnej powierzchni poślizgu. W równaniu tym nie uwzględnia się sił oddziaływania pomiędzy blokami. Wypadkowa sił oddziaływania pomiędzy blokami wywołuje wprawdzie moment przy analizie pojedynczego bloku, ale ze względu na wewnętrzny charakter tych sił wywołany przez nie moment dla całej bryły względem dowolnego punktu powinien być równy zeru.

Metoda Nonveillera (1965)

W metodzie tej przyjęto następujące założenia:

-powierzchnia poślizgu ma kształt dowolnej krzywej,

-siły oddziaływania pomiędzy blokami są nieznane, a ich wartość określa się metodą kolejnych prób przy zastosowaniu ogólnych równań równowagi wewnętrznej.

-wartość reakcji normalnej w podstawie bloku określa się z warunku rzutów sil na kierunek pionowy, wskaźnik stateczności określany z równania równowagi momentów sił względem dowolnego punktu. W równaniu tym nie uwzględnia się sił oddziaływania pomiędzy blokami. Wypadkowa sił oddziaływania pomiędzy blokami wywołuje wprawdzie moment przy analizie pojedynczego bloku, ale ze względu na wewnętrzny charakter tych sił wywołany przez nie moment dla całej bryły względem dowolnego punktu powinien być równy zeru.

Metoda Janbu (1957)

W metodzie Janbu przyjęto następujące założenia:

-powierzchnia poślizgu ma kształt dowolnej krzywej,

-siły oddziaływania pomiędzy blokami są nieznane, a ich wartość określa się po przyjęciu dodatkowych założeń dotyczących położenia sił wypadkowych na bocznych powierzchniach pasków lub też ich nachylenia,

-wartość reakcji normalnej oraz siły oporu ścinania w podstawie bloku określa się z warunku rzutów sił na kierunek pionowy i poziomy, dla określenia sił oddziaływania pomiędzy paskami stosuje się równanie równowagi momentów względem środka podstawy paska.

metoda Morgensterna-Price'a (1965)

Metoda Morgensterna-Price'a umożliwia badanie stateczności skarp dla dowolnych powierzchni poślizgu. Zakłada się w niej, że szerokość paska ma szerokość nieskończenie małą, która wynosi dx. Przy takim założeniu, równania równowagi mają postać równań różniczkowych. Założenia metody ilustruje rysunek 19.

W metodzie tej wykorzystuje się następujące równania równowagi:

-równanie równowagi momentów względem środka podstawy paska,

-równanie rzutów na kierunek styczny do podstawy paska, równanie rzutów na kierunek normalny do podstawy paska.

Metoda Sarmy-Hoeka (1973, 1979, 1986)

Założenia tej metody opracował Sarma w 1973 roku. Założył on, że powierzchnia poślizgu może mieć kształt dowolny oraz wykorzystał podział potencjalnej bryły osuwiskowej na paski o ściankach pionowych. W metodzie tej Sarma przyjął odmienny niż w innych metodach sposób określania wskaźnika stateczności. Przyjął mianowicie, że bryła znajduje się w stanie równowagi granicznej wówczas, gdy przyśpieszenie poziome wywołane przez siły czynne i bierne na nią działające, jest równa zeru: K_c=0

---