1.Właściwości fizyczne gruntów

-trójfazowy ośrodek rozdrobniony

Właściwości fizyczne- grunt jest traktowany jako materiał zbudowany z poszczególnych faz.

Podstawową cechą fizyczną jest uziarnienie, analiza co dzieje się w fazie stałej (V_s)

-wilgotność- zawartość wody w porach gruntu

w=
*100 [%],

gdzie M_w- masa wody, M_d- masa szkieletu (M_d- lub uzyskanie stałej masy w stałej temperaturze, 105-110⁰C)

-wilgotność naturalna (W_n)- wilgotność jaką posiada grunt w zaleganiu, w złożach

-wilgotność optymalna (W_opt)- wilgotność, którą będą miały grunty, gdzie wszystkie pory, będą wypełnione wodą.

Badanie wilgotności optymalnej wykonuje się w aparacie Proctora. Tak należy dobierać grunt, aby miał on wilgotność optymalną. Projektuje się dla danego gruntu, gdy posiada on w_opt.

(nasypy-lotniska, pod drogi, wymiana gruntów, tworzenie warstw filtracyjnych.

Nie ma gruntów zagęszczonych !

-Gęstość objętościowa gruntu (
)

[g/cm³], gdzie M.- masa gruntu, V-objętość gruntu

[kN/m³],gdzie
-ciężar obj.

, gdzie
-gęstość szkiletu

piasek kwarcowy
=2.65 [g/cm³]

kaolin
=2.67

montmorilonit
=2.34.

Zwykłe
=2.4 do 3.2 [g/cm³]

Cechy określające porowatość:

-gęstość objętościowa szkieletu gruntowego

Porowatość to stosunek objętości porów do objętości gruntu.

V=V_p+V_s, n=

Trudności są w pomiarze objętości szkieletu

M_d=V*

=(1-n)*

n=
, [1]

W gruntach spoistych jest inaczej, bo nie ma ziaren.

Wskaźnik porowatości (e), e=

-dla piasków i żwirów e=0.3 do 1

-dla gruntów spoistych e>1, dochodzi do 3

Wysokie e, to grunt pod wpływem obciążenia szybko się zagęszcza

2. Wilgotnością optymalną gruntu

w_opt nazywamy taką wilgotność, przy której grunt daje się najbardziej zagęścić. Parametrem decydującym o jakości zagęszczenia gruntu jest gęstość objętościowa szkieletu gruntowego ρ_d. Zatem wilgotność optymalna to taka wilgotność, przy której grunt ubijany w sposób znormalizowany uzyskuje max gęstość objętościowa szkieletu gruntowego. Wyznaczanie wilgotności optymalnej gruntu Wilgotność optymalna gruntu wopt jest to wilgotność, przy której grunt ubijany
w sposób znormalizowany uzyskuje maksymalną gęstość objętościową szkieletu gruntowego rds. Metoda badania polega na zagęszczeniu gruntu w cylindrze o objętości 1,0 dm³ w trzech warstwach. Każdą warstwę zagęszcza się 25 uderzeniami ubijaka o masie 2,5 kg opuszczonego z wysokości 320 mm. Przyrządy:- aparat Procrora z cylindrem o objętości 1,0 dm³,- waga laboratoryjna,- pojemnik na grunt,- naczynia z wodą destylowaną,- nóż,- parowniczki,- suszarka. Przebieg badania: Na wadze określamy masę cylindra wraz z podstawką mt. Następnie cylinder z podstawką umieszczamy w aparacie Proctora, przymocowując ją dwiema śrubami. Z przygotowanego gruntu o masie 4,0 - 5,0 kg układamy pierwszą warstwę w cylindrze. Liczbę uderzeń ustawiamy na 25 i uruchamiamy aparat Proctora. W podobny sposób przygotowujemy i zagęszczamy drugą warstwę. Następnie na cylinder zakładamy nadstawkę i wsypujemy tyle gruntu, aby po ubiciu ostatniej warstwy grunt wypełnił nadstawkę warstwą o grubości 2 - 10 mm. Przed ułożeniem kolejnej warstwy gruntu do cylindra, powierzchnię uprzednio ubitej warstwy należy zdrapać ostrzem noża. Po ułożeniu każdej warstwy gruntu należy jej powierzchnię wyrównać i lekko ugnieść. Po ubiciu ostatniej warstwy wyjmujemy cylinder z aparatu i zdejmujemy nadstawkę. Nadmiar gruntu ścinamy nożem od środka do krawędzi. Cylinder z gruntem mwt ważymy na wadze, a następnie oznaczamy gęstość objętościową gruntu r.Po wyjęciu gruntu z cylindra, pobieramy z kilku miejsc próbkę gruntu o masie około 50 g w celu oznaczenia jego wilgotności. Następnie do całej masy gruntu dodajemy tyle wody destylowanej, aby wilgotność gruntu zwiększyła się o 1,0 - 2,0 %.Przygotowany w ten sposób grunt zagęszczamy ponownie w aparacie Proctora, określając po badaniu gęstość objętościową r i wilgotność w. Opisane czynności należy powtarzać do chwili, gdy masa cylindra z gruntem zacznie się wyraźnie zmniejszać. Obliczanie wyników: Po oznaczeniu wilgotności w i gęstości objętościowej szkieletu gruntowego rd dla poszczególnych oznaczeń, sporządzamy wykres zależności rd od w, Za wilgotność optymalną wopt należy przyjąć tę wartość wilgotności, która na wykresie odpowiada maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego rds.

3. Wytrzymałość gruntów na ścinanie (kryterium wytrzymałościowe Coulomba-Mohra, ścieżki naprężeń, cechy wytrzymałościowe gruntów, metody badań)

Wytrzymałością na ścinanie τ_f nazywa się opór, jaki stawia ośrodek gruntowy naprężeniom ścinającym w rozpatrywanym p-kcie ośrodka. W MG wytrz. na ścin. jest wielkością zależną wprost prop od spójności i kąta tarcia wewnętrznego. τ_f=c+ σ•tgΦ, σ-naprężenia normalne do płaszczyzny ścięcia. c-kohezja, Φ - kąt TW

Badania wytrz.na ścinanie dla gruntów skalistych: *proste ścinanie, * ścinanie w aparatach bezpośredniego ścinania, *ścinanie ze ściskaniem, *ścinanie przez trójosiowe ściskanie, *ścinanie metodami skręcania.

Dla gruntów nieskalistych: *bezpośrednie ścinanie, *ścinanie obrotowe, *ścinanie przez trójosiowe ściskanie.

Badanie: Aparat skrzynkowy pozwala na wyznaczenie parametrów wytrz.na ścinanie przez napr. całk. Aparat składa się z : filtra górnego i dolnego, ramki dolnej, tłoczka, śruby, płytek oporowych, z góry zadane jest siła pionowa, z boku siła tnąca.

Oznaczenia: Połączyć dwie części skrzyneczki za pomocą śrub, grunt umieścić między płytkami których ząbki skierowane są do wewn (w stronę gruntu). Na górze umieścić tłoczek przenoszący obciążenie normalne , nałożyć ramkę z wieszakiem. Przesunąć skrzynkę by stykała się z trzpieniem dynamometru i silnika elektrycznego, wykręcić śruby i uruchomić aparat; okresowo (co 30sek) notować wskazania czujnika dynamometru (siły tnącej) i wzajemne przemieszczenie się obu części skrzynek. Powtarzać tak dla kolejnych obciążeń (50,100, 200,400 kPa. Wyniki do tabeli gdzie obliczamy m.in. F (siłę ściskającą) i obliczyć c,Φ i τ_f -wytrzymałość na ścinanie)

• Kryterium wytrzymałościowe Coulomba-Mohra (τ_f=c+ σ•tgΦ),

Naprężenia główne na płaszczyznach głównych gdzie styczne są = 0. σ-naprężenie normalne, τ -napr. ścinające. σ_1­,2,3 - napr główne największe, pośrednie, najmniejsze σ = (σ₁+ σ₃)/2 + cos2α·(σ₁- σ₃)/2; σ = p + q·cos2α, τ = sin2α ·(σ₁- σ₃)/2, τ = qsin2α

• 
  

Współrzędne każdego punktu na tym okręgu będą wartościami naprężeń , σ i τ występującymi na płaszczyznach poprowadzonych przez rozpatrywany punkt ciała pod kątem α do kierunku działania naprężeń głównych σ₃.

Stan graniczny w ośrodku gruntowym | τ | = τ_f występuje gdy naprężenia są równe wytrz. na ścinanie.

Zakładamy np. ze mamy stałe σ₃ a zmieniamy σ₁ i możemy je zwiększać aż osiągniemy stan graniczny (więcej nie bo nastąpi ścięcie próbki i wówczas napr ścinające = wytrz. na ścinanie gruntu) Otrzymane koło o σ_1max i σ₃ nazywamy kołem granicznym Mohra, musi być ono styczne do prostej Coulomba i taki stan nazywa stanem granicznym wg kryterium Coloumba Mohra

• 
  
  

• Ścieżki naprężeń

Punkty od A-J to punkty naprężenia, łącząc te punkty otrzymujemy ścieżkę naprężenia. AE, FJ - ścieżki (trajektorie naprężeń), łącząc J oraz E uzyskujemy odpowiednie odpowiednie zmodyfikowaną. C_T - spójność zmodyfikowana c = C_T / cosΦ, tgΦ_T = sinΦ

4.Ściśliwość gruntu jest to zdolność gruntu do zmniejszania objętości na skutek przyłożonego obciążenia. Zjawisko to bada się w aparacie zwanym edometrem

Badanie ściśliwości w edometrze polega na stopniowym obciążaniu próbki gruntu w warunkach uniemożliwiających jej boczną rozszerzalność. Obciążony grunt odkształca się tylko w kierunku działania siły. Badanie polega najpierw na 7-krotnym zwiększaniu obciążenia i odczytywania wyników, od 0 do 200 kPa, następnie odciążeniu próbki, i ponownemu dociążeniu od 0 do 200 kPa.

Miarą ściśliwości jest edometryczny moduł ściśliwości, rozumiany jako współczynnik proporcjonalności pomiędzy naprężeniem i odkształceniem: σ = M ⋅ ε [kPa]

gdzie: σ - naprężenie [kPa] M - moduł ściśliwości [kPa] ε - odkształcenie jednostkowe próbki

h_i-1 - wysokość próbki przed zwiększeniem obciążenia [mm],

h_i - wysokość próbki po zwiększeniu obciążenia [mm].

Znajomość modułów ściśliwości gruntu jest niezbędna przy obliczaniu osiadań pod fundamentem.

Jako wynik badania otrzymujemy wykres krzywych ściśliwości gruntu (wykres zależności zmian wysokości próbki gruntu (h) od obciążenia (σ)).

Interpretacją graficzną modułu ściśliwości jest wykres zależności wysokości próbki od przyłożonego obciążenia.

Dla każdego stopnia obciążenia pierwotnego sporządzamy krzywe konsolidacji, które opisują zmiany wysokości próbki w czasie

5.Fundamenty bezpośrednie - rodzaje
i ogólne metody projektowania

Fundament jest elementem konstrukcyjnym budowli, którego zadaniem jest przekazanie obciążenia na podłoże gruntowe w taki sposób, aby podłoże to nie osiadało nadmiernie, a cały układ budowa - fundament - podłoże gruntowe był stateczny.

Fundamenty bezpośrednie przekazują obciążenie budowli wprost na podłoże gruntowe wyłącznie przez dolną powierzchnię, zwaną podstawą. Wykonuje się, je w wykopach otwartych i posadawia na gruncie nośnym. Często także fundamenty te opiera się na specjalnie przygotowanej warstwie z chudego betonu, żwiru lub piasku, którą stosuje się w celu wzmocnienia gruntu w poziomie posadowienia lub wymiany słabego miejscami gruntu rodzimego. Fundamentami bezpośrednimi są np. stopy i ławy fundamentowe posadowione bezpośrednio na gruncie.

Podział fundamentów bezpośrednich ze względu na kształt:

1. ławy - ich długość jest wielokrotnie większa od szerokości; stosowane są pod ścianami i szeregami słupów ustawionych w niewielkiej odległości od siebie; najczęściej wykonuje się je z betonu lub żelbetu, czasami z cegły ceramicznej pełnej; ten
   typ posadowienia stosuje się na gruntach o dobrej nośności,

2. stopy - wykonywane są pod słupami, najczęściej jedna stopa przenosi obciążenia z jednego słupa, są też konieczne pod kominami; tak jak ławy wykonuje się je z betonu, żelbetu lub cegieł,

3. płyty fundamentowe - rozkładają obciążenia na całą powierzchnię zabudowy, dzięki czemu na każdy centymetr obciążonego gruntu wywierany jest znacznie mniejszy nacisk; ten rodzaj fundamentowania stosuje się wtedy, gdy podłoże stanowią grunty o małej nośności; jest to dobre rozwiązanie także przy niejednorodnych warunkach gruntowych, gdy pod częścią budynku występują grunty mocniejsze, pod częścią słabsze,

4. Ruszty fundamentowe projektuje się zwykle w przypadku słabych gruntów, dużej intensywności obciążeń, a szczególnie wtedy, gdy należy powiększyć sztywność całego fundamentu w celu zapewnienia równomiernego osiadania budynku.

5. Skrzynie fundamentowe stanowią ustrój składający się z dwóch żelbetowych płyt, górnej i dolnej, powiązanych ze sobą monolitycznie za pomocą ścian podłużnych i poprzecznych, rozmieszczonych zgodnie z siatką podpór konstrukcji górnej. Fundamenty skrzyniowe cechują się bardzo dużą sztywnością i są stosowane pod budynki wysokie przekazujące bardzo duże i nierównomierne obciążenia oraz w przypadku posadowienia na terenach szkód górniczych.

6. 
   Fundamenty punktowe (oszczędnościowe), tzw. bloki fundamentowe - w ten sposób posadawia się murowane domy parterowe; po zdjęciu humusu wykonuje się w gruncie betonowe bloki o wymiarach dostosowanych do obciążeń i nośności gruntu; na nich wykonuje się w deskowaniu żelbetowe belki lub układa się belki prefabrykowane; przy fundamentach punktowych znacznie ogranicza się roboty ziemne.

6.Fundamenty pośrednie

Fundamenty pośrednie - jeżeli w poziomie posadowienia znajduje się grunt nie nadający się do posadowienia bezpośredniego stosujemy fund. pośrednie. Szukamy oparcia w niższych warstwach.
RODZAJE FUNDAMENTÓW POŚREDNICH:

-fundamenty palowe -fund.głębinowe -studnie -kesony
PAL-smukły element przenoszący obciążenia na wskutek tarcia pobocznicy. Jest to element wprowadzany w grunt.
PODZIAŁ PALI Z ZALEŻNOŚCI OD:

*rodzaju materiału z jakiego został wykonany:

-drewniane - stalowe -betonowe -żelbetowe 2 ostatnie najczęstsze.
*nośność

-normalne:których nośność w równym stopniu zależy od oporu gruntu pod ostrzem i od opory tarcia wzdłuż pobocznicy pala.
-zawieszone:nośność zależy od oporu tarcia gruntu wzdłuż pobocznicy pala

-stojące(słupy); nośność zależy od opory pod ostrzem pala, (pale oparte na skale-stojące)

*ze względu na kształt i wielkość

-kółko - kwadrat -sześciokąt

-mikropale d<30cm
-normalne 80cm >d > 30cm
-wielkośrednicowe d >80cm

*sposobu wykonania:

-gotowe:drewniane,stalowe np. zaślepiane rury stalowe, żelbetowe
-wykonane w gruncie

-wpłukiwane(duże ciśnienie)

-wkręcane*sposób zbrojenia

PRACA PALA- polega na tarciu pobocznicy i jego stopy

TARCIE POBOCZNICY: zależy od wielkości przekroju
TARCIE PODSTAWY STOPY: zależy od wielkości przekroju i rodzaju gruntu.
FUNDAMENTY PALOWE- staramy się robić na trzech i więcej palach, żeby siły ścinające nie niszczyły konstrukcji.

Q_s - opór pobocznicy pala, Q_b - opór podstawy pala, t - jednostkowy opór na pobocznicy pala, h- zagłębienie pala

RODZAJE PALI:

- pale bez rury w zawiesinie
- pale Franki- o dużej nośności(czasochłonne)
- pale strumieniowe(wysokociśnieniowe) zaczyn cementowy 600-800 atmosfer wprowadzamy w ziemie(zmiksowany grunt z zaczynem). Zbroimy przez wciśnięcie zbrojenia w pal

- mikropale: wykonane metodą iniekcji(zastrzyk cementowy)

- Vibro: są to pale przemieszczeniowe wykonane w gruncie bez jego wydobywania na powierzchnię. Wbijamy stalową rurę ze szczelną podstawą za pomocą młota spalinowego lub hydraulicznego. Następnie do wnętrza rury wprowadza się zbrojenie i wypełnia rurę betonem. Wyciągniecie rury wibratorem powoduje zagęszczenie betonu oraz dobre zespolenie trzonu pala z podłożem.

- pale nowej generacji np: pale CFA: śr. 0,4-1 m, dł. Do 30m. Wykonawstwo polega na wywierceniu w gruncie ciągłego świdra ślimakowego na pełną dł. Pala. W czasie pogrążania świdra grunt jest częściowo rozpychany na boki, a częściowo wynoszony nad powierzchnię terenu. Przez przewód rdzeniowy(rurę) tłoczony jest beton w czasie podciągania świdra(wyrywamy- nie wykręcamy) Bezpośrednio po betonowaniu wprowadza się zbrojenie, musimy je wibrować.

STUDNIE
- betonowe - żelbetowe -drewniane
tworzą klocki które przenoszą obciążenia
KESONY

Jest to skrzynia bez dna, pozwalająca na wykonywanie robót pod wodą na znacznych głębokościach po usunięciu wody przy użyciu sprężonego powierza. Stosuje się je przede wszystkim przy posadowieniu filarów mostowych na słabych gruntach.

METODA PROJEKTOWANIA

h2- zakotwienie pali w warstwie mocnej
h2=1m dla gruntów zagęszczonych i zwartych
h2=2m dla średniozagęszczonych, półzwartych i twardoplastycznych

h-wysokość oczepu

L- dł. Pala

1. wybieramy technologię pala i jego średnice
np.wbijane Sr.=0,4m
2.Nośność pala pojedynczego

3. Ustalamy nośność gruntu pod podstawą q- odczytuję z normy

ustalono w zyleznosci od rodzaju gruntu oraz stopnia zageszczenia lun plastyczności.
4. sprawdzam zależność q obliczeniowe od głębokości i średnicy pala.
jeżeli hc mnijsze od 10 m. wartość q wyznacza się przez interpolacje liniowa przyjumjac wartość 0 na pierwotnym poziomie terenu.
5. obliczamy liczbe potrzebnych pali

przyjmując co najmniej jeden pal wiecej

6. sprawdzamy I stan graniczny czyli stan nośności.

N obliczeniowa nośność pala

m współczynnik korekcyjny dla wiecej niż 2 pale 0,9.dwa pale 0,8. jeden 0,7

7.rysunki

7.Woda w gruncie

Postacie wody w gruntach:

*woda błonkowa przywarta na powierzchni cząstek gruntowych, *woda kapilarna utrzymywana siłami napięcia powierzchniowego w porach gruntu ponad zwierciadłem wody wolnej, *woda wolna.

Wody gruntowe są zasilane przesiąkającą do gleby wodą deszczową, infiltracją wód powierzchniowych z otwartych zbiorników wodnych i rzek oraz kondensacją pary wodnej, znajdującej się w porach gruntów. Występują odwrotne sytuacje; woda gruntowa na powierzchni terenu w postaci źródeł lub zasila otwarte zbiorniki przez ich dno. Rozróżniamy wody gruntowe: właściwe(stanowią ciągły poziom wodonośny, zalegają na znacznym obszarze) i zaskórne(występują na lokalnych soczewkach gruntów mało przepuszczalnych powyżej zwierciadła właściwej wody gruntowej, zależy od ilości opadów), woda naporowa międzywarstwowa (występuje między dwiema małoprzepuszczalnymi warstwami),artezyjska(gdy górna małoprzepuszczalna warstwa gruntu spoistego znajduje się w zagłebieniu na pow. terenu, wówczas woda naporowa może znaleźć się ponad powierzchnią).

Przepływ wody w gruncie. Prędkość ruchu wody zależy od uziarnienia (kanaliki), temperatury, składu mineralnego. W rzece wyróżniamy ruch laminarny(cząstki poruszają się po torach równoległych),turbulentny(burzliwy, tory cząstek się przecinają).W gruncie mamy do czynienia z ruchem laminarnym. Prędkość wody opisuje prawo Darcy'ego v=k*i i-spadek hydrauliczny,k-stała:żwir-10^-2 do 10^-3 m/s,piaski grube i śr.-10^-3 do 10^-5,piaski pylaste 10^-4 do 10^-6,gliny 10^-8 do 10^-10,iły 10^-10 do 10^-12.

Trzy zasadnicze kierunki: -przepływ w kierunku poziomym(po warstwie nieprzepuszczalnej),-przepływ w kierunku pionowym w dół(najczęściej występuje przy przesączaniu się wody zaskórnej przez niżej leżącą mało przepuszczalną warstwą),-w kierunku pionowym w górę.

Zjawiska wywołane filtracją:

ciśnienie spływowe- wywołane przez przepływającą wodę przez grunt na szkielet gruntowy, powstaje opór tarcia wody o cząstki gruntowe, aby pokonać ten opór musi być zużyta hydrauliczna różnica ciśnień wody. p_s=P/V=iγ[kN/m³] siłę tę nazywamy ciśnieniem spływowym, liczbowo równa się iloczynowi spadku hydraulicznego i cięzaru objętościowego wody. Siły te powodują różne zmiany w gruncie (zmiana porowatości)

stan równowagi granicznej

G=h₂*l*1.0*γ'-ciężar objętościowy gruntu;P_s=p_s*V;p_s=γi;P_s=γi*h₂*l*1.0; G>P_s;G<P_s;G=P_s-stan równowagi granicznej, odpowiadający mu spadek hydrauliczny nazywamy spadkiem krytycznym.

h₂*l*1.0*γ'=γi*h₂*l*1.0 => i=γ'/γ np.i=h₁-h₂/h₂

Gdy występuje stan równowagi:cząstki „pływają” nie oddziaływując na siebie, grunt przyjmuje właściwości cieczy,traci cechy ciała stałego-kurzawka.Zjawisko to nie występuje w żwirach i iłach.

wypieranie gruntu-zjawisko powodujące wypor gruntu przez ciśnienie spływowe

-głębokośc do jakiej można kopać:h₂=γ*h₁/γ'+γ

sufozja - zjawisko przenoszenia przez przepływającą wodę(nastąpić musi v_krytyczna =15^-1/k wody przepływającej) cząstek gruntu które wydostają się poza obszar gruntu. Im większa prędkość wody tym większe wymywa cząstki, sufozja występuje głównie w gruntach pylastych, nie występuje w gruntach spoistych.

---