Mechanika gruntów- wytrzymałość materiału, którym jest grunt. Stanowi dział wiedzy inżynierskiej zajmujący się warunkami równowagi oraz odkształceniem zachodzącym w wyniku działania sił w ośrodkach skalnych okruchowych rozdrobnionych

Geotechnika- nauka o pracy i badaniach ośrodka gruntowego dla celów projektowania i wykonawstwa budowli ziemnych, podziemnych, oraz fundamentów budynków i nawierzchni drogowych.

Geotechnikę jako naukę interdyscyplinarną tworzą:

-gruntoznawstwo inżynierskie,

-mechanika gruntów i fundamentowanie,

-geologia,

-chemia fizyczna,

-mechanika budowli,

-teoria sprężystości

-teoria plastyczności,

-reologia i inne.

Nauką podstawową geotechniki jest mechanika gruntów- jest to nauka o fizycznych właściwościach ośrodka gruntowego oraz o stanie naprężeń i odkształceń podłoża gruntowego pod wpływem działających obciążeń.

Mechanika gruntów klasyczna:

-teoria Culomba 1773 r (fundamentalna zasada)

,
-wytrzymałość na ściskanie,
-kąt pochylenia zbocza

-Boussineq' (pozwala obliczyć naprężenia w punkcie A)

PRZEPŁYW WÓD GRUNTOWYCH

-teoria Darcy

-Proctor

Najważniejsze zagadnienia geotechniczne:

-ustalenie warunków gruntowo-wodnych terenu budowy, (minimalna głębokość do jakiej trzeba wiercić i jakie parametry trzeba określić, bardzo ważny punkt, najważniejszy element)

-wyznaczenie dopuszczalnych obciążeń podłoża i wymiarowanie fundamentów lub nawierzchni drogowych (dobór odpowiednich metod obliczeniowych)

-zabezpieczenie stateczności budowy (możliwe osiadanie, wpływ otoczenia na konstrukcję)

-właściwe wykonawstwo robót fundamentowych i ziemnych (ważna jest różnica osiadań
S., nie jest ważne osiadanie bo jeśli S < S_dop to wszystko jest ok.)

GENEZA I CHARAKTERYSTYKA OŚRODKA

GRUNTOWEGO

Przy genezie podajemy cztery kategorie:

A- morenowe skonsolidowane (morena denna)

B- morenowe nie skonsolidow. i inne spoiste skonsolidowane

C- inne spoiste nie skonsolidowane,

D- iły zależnie od genezy

Geneza do gruntów spoistych

Grunt- zbiór dowolnie rozdrobnionych okruchów skalnych powstały ze skał litych na skutek działania destrukcyjnych procesów geologicznych, takich jak: wietrzenie, transport, erozja, itd.

-wg. Taylora grunt- to dowolne materiały organiczne lub nieorganiczne zalegające w utworach naszej planety

-wg. Wiłuna- (najlepiej), gruntami budowlanymi -jest tworzywo............... zewnętrznej warstwy skorupy ziemskiej służące do wznoszenia budowli

KLASYFIKACJA (WG. NORMY):

Kryterium - wytrzymałość na ściskanie:

-grunty skaliste > 500 MPa

-grunty <200 MPa

Ze względu na porowatość:

-grunty skaliste n=0.01-0.03

-grunty n=0.2-0.60

Ze względu na środowisko sedymentacji (wodne, ziemne)

-glacjalne

-fluwialne,

-eoliczne (wiatr)

-limiczne - jeziorne (namuły, torfy)

-fluwioglacjalne- wodnolodowcowe (w wyniku działalności lodowca)

-morskie.

WŁAŚCIWOŚCI FIZYKO-CHEMICZNE GRUNTÓW

Grunt:

Grunt jest układem 3-fazowym, tzn na każdą objętość gruntu składają się 3 fazy: gazowa, ciekła, stała.

Faza gazowa- powietrze gruntowe z domieszką innych gazów (siarkowodór)

Faza ciekła- z wody gruntowej o różnej zawartości rozpuszczalnych soli

Faza stała- w postaci okruchów skalnych, a w określonych warunkach woda w postaci lodu.

WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZ. I MECHANICZ. ZALEŻĄ :

-od ziarn, które które je budują ( od składu mineralogicznego)

-ich ułożenia,

-od powierzchni granicznej cząstek gruntu

-od zjawisk fizyko-chemicznych zachodzących na powierzchni cząstek

Skład mineralogiczny zależy od:

-skały wyjściowej,

-stopnia obtoczenia,

-powierzchni granicznej,

-powierzchnia właściwa =

powierzchnię graniczną ziaren i cząstek gruntu w przeliczeniu na jednostkę masy nazywamy powierzchnią właściwą.

-im większa powierzchnia właściwa, tym większa aktywność fizyczna i chemiczna

Kontakt cząstek gruntu przez dipole wody

WŁAŚCIWOŚCI SZKIELETU MINERALNEGO:

Zbiór okruchów skalnych ułożonych w pewien sposób - struktura gruntu (zależy od wielkości ziaren, mineralnej budowy, od wzajemnych powiązań i oddziaływań)

Grunty spoiste (struktury):

-komórkowa (cząstki mineralne sedymentują w dół)

-równoległe (duża objętość porów pod obciążeniem, bardzo ściśliwe, stworzy się struktura równoległa upakowana, ale łatwa powierzchnia poślizgu)

Szkielet budują:

-piaski sypkie

-kwarc

(dobrze się zagęszczają gdy  >15, najlepsze grunty,  -wskaźnik różnoziarnistości)

-udział poszczególnych frakcji

poniżej 0.05 mm cząstki- grunty ilaste 100-200 nm

spoiste- oddziaływania między cząsteczk i agregaty

MINERAŁY ILASTE NAJCZĘSCIEJ BUDUJĄCE GRUNTY:

1) Kaolinit, cząstki o grubości 20
m., szerokości 100-500
m (mili mikron)

2) Montmorylonit

Jak grunt nawodniony poddamy suszeniu to powstanie skurcz

-zmiana wilgotności powoduje zmianę objętości

Projektowanie- ustalenie poziomu wilgotności. Aby nie było zmiany wilgotności ( pęcznieje do 50 %)

-struktura

-skład

-chemizm

3) Ilit- buddowa podobna do montmorylonitu, tylko na granicy są jony potasu a nie (Na, Cl), pęcznieje 2%

Właściwości fizykochemiczne gruntu

cechy:

-budowa warstwowa tetraedrów (czworościenna), oktaedrów (ośmiościenny), mocno ze sobą powiązane, tworzące zwartą siatkę krystaliczną

-cząstki iłowe wykazują dużą aktywność powierzchniową przez co odgrywają dużą rolę przy formowaniu się struktur gruntów zawierającyc te minerały.

WPŁYW SKŁADU MINERALOGICZNEGO NA WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE I MECHANICZNE:

-wpływa na rozpuszczalność gruntu w wodzie

-odporna na wietrzenie, ścieranie

-domieszka do piasków cząstek iłowych zawsze pogarsza właściwości mechaniczne piasku.

ZJAWISKA FIZYKO-CHEMICZNE W GRUNCIE:

(teoria listrzyca )

-podwójna warstwa elektryczna- wiąże się z występowaniem niezrównoważonych ładunków elektrycznych na granicy fazy stałej, co powoduje formowanie się podwójnej warstwy elektrycznej dookoła cząstki, warstwa podwójna i warstwa dyfuzyjna zbudowana z dipoli wody zorientowana w stronę po powierzchni cząstki, gdy potencjał spada do 0, ustaje wpływ pola i woda staje się wodą wolną.

W warstwie podwójnej istnieją 2 potencjały:

-potencjał termodynamiczny- max, różnica potencjałów powierzchniowego i warstwy dyfuzyjnej,

-potencjał elektrokinetyczny- różnica potencjałów warstwy dyfuzyjnej

Obydwa potencjały termodynamiczny i elektrokinetyczny determinują wytwarzanie się wó związanych z powierzchnią cząstki

Grunty ilaste w naturze zawsze posiadają wodę.

W iłach występuje konsolidacja (osiadanie trwa 10-20 lat)

RODZAJE WODY W GRUNCIE:

1) Woda grawitacyjna: (będąca w ruchu)

-wpływ chemiczny- działalność chemiczna przejawia się rozpuszczaniem soli

-działanie mechaniczne

przekazuje na szkielet gruntowy ciśnienie hydrostatyczne

stan upłynnienia gruntu

2. Woda przesączająca się

Woda w ruchu podlega prograwitacji.

3) Woda kapilarna

Strefa kapilarna - utworzona przez ziarna piasku strefy wody, która jest podciągana i wypełnia w sposób częściowy

minerał + powietrze + woda

Strefa saturacji: woda + minerał

Występowanie wody kapilarnej związane jest z występowaniem sił napięcia powierzchniowego i sił podciągania wody

Wpływ niskich temperatur

Zdolność kapilarna gruntu

Soczewki lodowe (zmiana objętości
V=9.1 %)

Migracja wody kapilarnej

Wzrost wysadzin w fazie zamarzania

Przy rozmarzaniu wzrost wilgotności

Procesy termodyfuzyjne

Woda kapilarna może utworzyć się w gruntach o średnicy ziarn < 6 mm. Wypełnia ona kanaliki istniejące w gruncie podnosząc się powyżej zwierciadła wody gruntowej wskutek działania sił molekularnych wody związanej i otaczającej cząstki gruntu na molekuły wody wolnej wskutek czego wytwarzają się meniski.

Zjawisko kapilarności występuje wskutek:

-zjawiska adhezji- przyczepność wody do ścianek rurki

-napięcia powierzchniowego wody.

Rozróżniamy 2 rodzaje kapilarności:

Strefa na jaką podniesie się samoistnie woda w kapilarach nazywa się kapilarnością czynną (max zasięg podniesienia się wody)

H_kc > H_kb

H_kc- strefa kapilarności czynnej,

H_kb- strefa kapilarności biernej

H_kc- podstawowe kryterium o zamarzalności gruntów.

Siła podciągająca słup wody F_k na wysokość h_k przypadająca na jednostkę przekroju kapilary wyznacza się ze wzoru Laplace'a:

F_k=a_k*
, gdzie:

R₁, R₂- główne promienie menisku

a_k- jednostkowe napięcie powierzchniowe przypadające na jednostkę (długości) objętości kapilary

A_k=2*
*R*a_k*sin
, gdzie

A_k- całkowite napięcie powierzchniowe

- kąt zwilżania

=2*
*R*a_k*sin
,

F=
*R²*sin²
,

F_k=
,

ponieważ siła F_k unosi wodę o ciężarze F_k=
*h

Porównując oba wzory

wielkość wniosu kapilarnego h_k=
, im mniejsze kapilary tym woda się wyżej wzniesie

a_k=0.0727
,

h_k=
, gdzie r- promień kapilary

Wpływ sił kapilarnych w warunkach rzeczywistych

-jeżeli w piaskach chcemy wykonać otwór, to wykonuje się wykopy w mokrym piasku (bez szalowania)

-zagęszczenie (spajanie ziaren)

Wilgotność optymalna (W_opt)- wilgotność gruntu, przy której następuje bardzo dobre spajanie ziaren, powstaje bardzo twarde podłoże

Wysokość podnoszenia się wody zależy od uziarnienia

-w żwirach 1-3 cm

-w piaskach grubych 3-7 cm

-w piaskach średnich 7-20 cm

-w piaskach drobnych (P_d) 20-100 cm

-w pyłach (
) 1.0-30 m

Obserwuje się kapilarność w granicach 3-4 m. Przepuszczalność gruntu ma wpływ na kapilarność. Kapilarność jest pomijana w literaturze, w praktyce ma małe znaczenie, istotne w warunkach przemarzania.

Woda związana z powierzchnią graniczną

W gruntach, w których brak siły wiążącej

Woda wolna- temperatura krzepnięcia 0⁰C , podlegają prawom grawitacji

Woda silnie związana: temperatura krzepnięcia -78⁰C do -150⁰C, gęstość objętościowa
=1.8 g/cm³, zaczyna odparowanie w temperaturze +200⁰C do 400⁰C

Woda absorbcyjna i błonkowa- woda błonkowa przesuwa się z jednej cząstki na drugą niezależnie od sił ciężkości do chwili wyrównania gr powłoki wodnej w obu cząstkach, nie przekazuje ciśnienia hydrostatycznego.

Wpływ wody związanej na właściwości fizyczne i mechaniczne jest tym większa im drobniejsze jest jego uziarnienie, przejawia się w takich właściwościach jak:

-przepuszczalność,

-podnoszenie kapilarne

-ściśliwość, itp.

Woda wchodząca w skład minerałów

-woda krystalizacyjna (np. gips), CaSO₄*2H₂O

-woda chemicznie mieszana (wchodzi w skład Ca)

Usunięcie tej wody w obu przypadkach powoduje wyraźną zmianę właściwości chemicznych i fizycznych i rozkład mineralny.

Woda w postaci pary wodnej- występuje w strefie aeracji (napowietrzania) ogólnie nie przekracza 1% ciężaru gruntu.

Jest źródłem tworzenia się innych rodzajów wody, przede wszystkim związanej z powierzchnią cząstek

Dużą rolę odgrywa w procesie przemarzania gruntów

Woda w postaci lodu

Występuje w temperaturze <0⁰C i strefie przemarzającej, w Polsce 1-2 m. poniżej poziomu terenu.

Półzwarte iły zamarzają w temperaturze -10⁰C. Zamarzanie gruntu, to zamarzanie wody. Można wykonać wykopy w gruntach pzw lub zw (gdy są zamarznięte).

Każde ciało fizyczne zmieniające fazę zmienia swoją objętość.

Tiksotropia gruntów ( w przypadku gruntów spoistych)

-izotermiczne i odwracalne zwiększenie (odporności) wytrzymałości gruntu przerobionego w miarę upływu czasu po przerobieniu.

Wg. Wiłuna własności tiksotropowe (zawierające frakcje iłowe)

Następuje zmiana orientacji układu cząstek o kształtach blaszek i płytek w trakcie upływu czasu po przerobieniu. Przerobienie powoduje częściowo równoległe ułożenie cząstek, których siły międzycząsteczkowe są w równowadze z siłami zewnętrznymi powodującymi upłynnienie.

W przypadku gruntów miękkoplastycznych i plastycznych bardzo często zdarza się tak, że maszyny zapadają się, następuje upłynnienie. Zaleca się podczas wykopów ostatnie warstwy wybrać ręcznie.

Właściwości fizyczne gruntów

-trójfazowy ośrodek rozdrobniony

1.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)

Klasyfikacja uziarnienia gruntu. Całkowity rozkład waha się

Oznaczenie składu granulometrycznego

-dla gruntów sypkich- analiza sitowa

analizy hydrometryczne

-dla gruntów spoistych- analiza areometryczna

-dla gruntów spoistych- analiza pipetowa

Po wykonaniu analizy granulometrycznej, wykonujemy przesianie. Obliczamy ile zostało zatrzymanych ziarn na poszczególnych sitach.

Krzywe uziarnienia:

Średnica efektywna (miarodajna)- d_e- jest to średnica cząstki gruntu, których wraz z mniejszymi w gruncie jest 2%.

d₁₀-średnica miarodajna d₁₀ jest to średnica cząstek gruntu, których wraz z mniejszymi jest w gruncie 10%.

Jeżeli występuje przegięcie na krzywej granulometrycznej to brak jest frakcji.

Z wykresu granulometrycznego można wyznaczyć średnice miarodajne; z przebiegu krzywej otrzymujemy wskaźnik różnoziarnistości (U).

U=

U<5 -grunt równoziarnisty,

5<U
15 -grunt różnoziarnisty

U>15 -grunt bardzo różnoziarnisty

-grunty równoziarniste są to grunty pochodzenia eolicznego fluwialnego (są dobre do podsypek filtracyjnych)

-grunty o U>5 są dobre do zagęszczania (wymiana słabego podłoża)

Jeżeli d₁₀ i d₆₀ są bardzo małe, to grunty trudno filtrują.

k=
-współczynnik filtracji.

Faza ciekła

-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 objętościowy.

, 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

Dla gruntów niespoistych wprowadzono parametr:

-Stopień zagęszczenia I_D

Parametrem wyznaczającym stan trwały między stanami max i min

I_D=
[1], podany w jednościach

e_max i e_min są pewnymi stałymi dla danego gruntu. Każdy inny stan jest stanem pośrednim.

Podział stanu gruntu ze względu na zagęszczenie:

-stan luźny I_D
0.33 (grunt słabonośny)

-stan średniozagęszczony 0.33<I_D
0.61

-stan zagęszczony 0.67<I_D
0.80

-stan bardzo zagęszczony I_D>0.80

Dla gruntów niespoistych parametrem wiodącym jest I_D, resztę można dobrać z tablic

Metody określania I_D:

a) laboratoryjne

b) polowe

-sondowanie dynamiczne

-sondowanie statyczne,

-sondy izotropowe,

-sondy geoelektryczne

(wyróżniamy sondy lekkie i ciężkie, wskaźnikiem liczba uderzeń N, {nauczyć się jeszcze więcej}

wg. Piszczyca I_D=0.426*logN+0.077 (sonda ITBZW, jest niewłaściwa)

-sondy izotropowe- mierzy się gęstość promieniowania izotropowego

-sondy statyczne- nowoczesne sondy

Potrzebny jest profil otworu.

Sondowanie nie jest miarodajne tuż nad lustrem wody (duże zagęszczenie). Po przekroczeniu lustra wody gwałtownie maleje zagęszczenie. 1m. nad wodą i 1m. pod nią są miarodajne i 20 cm od powierzchni terenu.

Do kontroli konstrukcji inżynierskiej badamy wskaźnik zagęszczenia

wskaźnik zagęszczenia

I_s=
, I_s>0.95

Wskaźnik zagęszczenia I_s, najlepiej, że by był powyżej jedności.

Grunty spoiste, granice konsystencji i stany fizyczne gruntów spoistych

-konsystencja zwarta

-konsystencja plastyczna

-konsystencja płynna

Granice konsystencji:

-granica plastyczności (między konsystencją zwartą, a plastyczną)

-granica płynności (między konsystencją plastyczną, a płynną)

Granice płynności i plastyczności, wilgotność, która określa przejścia

-granica skurczalności (w_s) jest to taka wilgotność gruntu, przy której w miarę dalszego suszenia próbka nie wykazuje zmian objętości.

-granica plastyczności (w_p)- wolgotność w %, jaką ma grunt, gdy przy kolejnym wałeczkowaniu gruntu wałeczek pęka po osiągnięciu 3 cm.

-granica płynności (w_l) wilgotność w %, jaką ma pasta gruntowa umieszczona w miseczce aparatem Casagrandego, gdy wykonana w nim bruzda zlewa się przy 25 uderzeniach miseczki o podstawę aparatu.

Metoda stożka Wasiliewa (stożek opadowy)

Granice te służą aby wyznaczyć stopień plastyczności I_L

5

---