Frakcje gruntów nieskalistych

uziarnienie gruntów – procentowa zawartość poszczególnych frakcji i ich wzajemny stosunek

frakcja – (f) zbiór wszystkich ziarn (cząstek) gruntu nieskalistego o średnicach zastępczych d znajdujących się w określonym zakresie wielkości.

średnica zastępcza – jest to średnica cząstki kulistej o tej samej gęstości właściwej co cząstka gruntowa, opadającej w wodzie z taką samą prędkością jak rzeczywista cząstka gruntowa

Prawo Stokesa

gdzie:

V – prędkość opadania cząstek (cm·s^-1)

d_T – średnica zastępcza cząstki (cm)

ρ_s – gęstość właściwa szkieletu gruntowego (Mg·m^-3)

ρ_w – gęstość właściwa wody (Mg·m-3)

g – wartość przyspieszenia ziemskiego (m·s^-2)

η – współczynnik lepkości (puaz)

agregat – zbiór ziarn i cząstek nietrwały w zawiesinie

mikroagregat – zbiór ziarn i cząstek ilastych, piaszczysto pyłowych trwały w zawiesinie przy braku dyspergatora, i zewnętrznych oddziaływań mechanicznych

dyspergator – stabilizator substancja powodująca dyspersje (rozproszenie) zawiesiny np.: amoniak (25%), szkło wodne, calgon, pirofosforan sodu.

Ilościowa charakterystyka fazy stałej

Gęstość właściwa szkieletu gruntowego – stosunek masy szkieletu gruntowego do jego objętości

Wartość gęstość właściwej szkieletu gruntowego zależy od:

• składu mineralnego

• domieszek

Metody badania:

• w środowisku wodnym np.: w piknometrze

• w środowisku cieczy niepolarnych: np. denaturat, benzen, toluen, ksylen

minerały ilaste – grupa minerałów, będących przeważnie krystalicznymi uwodnionymi krzemianami glinu, niekiedy magnezu, o strukturze warstwowej lub wstęgowo warstwowej

Geneza minerałów ilastych

Minerały ilaste tworzą się w skorupie ziemskiej głównie w wyniku procesów hipergenicznych, a szczególnie wietrzenia chemicznego skał. Powstają również w wyniku procesów hydrotermalnych.

Skały macierzyste – dezintegracja (wietrzenie fizyczne)

Hydroliza – rozkład minerałów pierwotnych i utworzenie się krzemianów warstwowych (wietrzenie chemiczne)

W wyniku wietrzenia skał kształtuje się profil wietrzeniowy (współczesna gleba):

eluwium – wymywanie

iluwium – wmywanie

skała macierzysta

Główne procesy doprowadzające do tworzenia minerałów ilastych

1. Krystalizacja stałych substancji bezpostaciowych

wodorotlenki żelaza → geothyt, hematyt

wodorotlenki glinu → gibsyt

1. Hydroliza minerałów pierwotnych i wtórnych

pod wpływem wody, tlenu, dwutlenku węgla, ph i składuc hemicznego roztwotu zachodzi rozkład minerałów pierwotnych:

mika → wermikulit → kaolinit

1. Powstanie minerałów w warunkach hydrotermalnych

np. kwarc a → kwarc b temp. 575°C

1. Powstawanie minerałów w wyniku izomorficznych podstawień

podstawienie krzemu w tetraedrach przez glin powoduje powstanie beidellitu w miejsce montmorillonitu

1. Synteza przy udziale roślin

2. Synteza w warunkach laboratoryjnych

Minerały ilaste o budowie krystalicznej są krzemianami warstwowymi zawierającymi warstwy uformowane z czworościanów krzemowo tlenowych ułożonych w sześcioboki, które są połączone z warstwami utworzonymi z ośmiościanów. Zwykle minerały ilaste, są bardzo drobnoziarniste i mają zdolność tworzenia z wodą mniej lub bardziej plastycznej masy.

Budowa minerałów ilastych

Warstwa tetraedryczna

Warstwa octaedryczna :

Warstwa (G) gibbstowa – ośmiościany obsadzone są głównie przez glin Al³⁺

Warstwa (B) brucytowa – ośmiościany obsadzone głównie przez magnez Mg²⁺

Warstwy oktaedryczne i tetraedryczne łączą się tworząc pakiet

pakiet – jednostka strukturalna krzemianów warstwowych

Typy pakietów

1:1 jedna warstw tetraedryczna i jedna oktaedryczna

2:1 dwie warstwy tetraedryczne i jedna oktaedryczna

2:1:1 pomiędzy dwiema warstwami typu 2:1 zawarta jest jedna warstwa oktaedryczna

Grupa kaolinitu
pakiety typu 1:1 Najbardziej rozpowszechniony minerał: kaolinit i haloizyt

Grupa łyszczyków
pakiety typu 2:1 Najbardziej rozpowszechnione minerały grupy łyszczyków: illit

Grupa smektytu
pakiety typu 2:1

Grupa chlorytu
pakiety typu 2:1:1

Struktura – cechy budowy skał zależące od wymiarów, kształtu i wzajemnych stosunków elementów składowych skał.

Tekstura – rozmieszczenie i układ tych elementów w przestrzeni

Makrostruktura – wszystkie makroskopowe cechy budowy gruntów dobrze rozpoznawalne gołym okiem

Mezostruktura – charakteryzują wymiary, kształt, charakter powierzchni, ilościowe stosunki mezoagregatów, mezobloków, a także ziarn piasku i cząstek pyłu w gruntach spoistych

Mikrostruktura – wymiary, formy, charakter powierzchni i stosunki ilościowe, pierwotnych drobnych cząstek, tworzących w gruncie mikroagregaty

• mikrostruktura komórkowa

• mikrostruktura szkieletowa

• mikrostruktura matrycowa

• mikrostruktura turbulentna

• mikrostruktura laminarna

Faza Stała + Faza ciekła

Wilgotność – stosunek masy wody zawartej w danej próbce do masy szkieletu gruntowego

w – wilgotność [%]

m_w – masa wody [g]

m_s – masa szkieletu gruntowego [g]

Właściwości wody

Cząstka wody jest polarna, czyli jest dipolem.
Jej polarność związana jest z przesunięciem elektronów w jedną stronę cząsteczki, gdyż pomiędzy atomami wodoru i atomem tlenu wytwarzają się wiązania kowalencyjne spolaryzowane w stronę atomu tlenu.

Powoduje to, że atom tlenu ma pewien ładunek ujemny, a atomy wodoru odpowiadający mu ładunek dodatni. Ujemny ładunek atomu tlenu przyciąga dodatnio naładowane atomy wodoru sąsiedniej cząsteczki i pomiędzy nimi powstaje tzw. wiązanie wodorowe.

Rodzaje wód:

• Woda w postaci pary

• Woda związana

• Woda wolna

• Woda w stanie stałym

• woda krystalizacyjna

Woda związana

Woda związana – stanowi 42% wody zawartej w skorupie ziemskiej

Woda silnie związana

Woda słabo związana

Woda wolna

Woda kapilarna:

Woda naroży porów – woda stykowa tworząca się w miejscach styków cząstek w postaci oddzielnych cząstek

Woda zawieszona – woda która nie ma styku z poziomem wód gruntowych

Właściwa woda kapilarna – woda podsiąkająca od poziomu wód gruntowych

Woda krystaliczna i chemicznie związana

Woda krystaliczna - biorąca udział w budowie siatek krystalicznych różnych minerałów np.: gipsu

CaSO₄·H₂O

Woda chemicznie związana wchodzi w skład hydratów typu

Ca(OH)₂

Faza stała + ciekła

Konsystencja – stopień ruchliwości (spójności) cząstek w gruncie spoistym, zależny od ilości wody i stanu fizycznego tych cząstek

Konsystencja: zwarta; plastyczna; płynna

Stan gruntu wg ASTM i BS: zwarty, półzwarty, plastyczny, płynny

Stan gruntu	symbol	Stopień plastyczności	w gruntu w stosunku do granic konsystencji
Zwarty	zw	IL<0	w<ws
Półzwarty	pzw	Il=0	ws<w≤wp
Twardo-plastyczny	tpl	0<IL≤0,25	wp<w≤wL
Plastyczny	pl	0,25<IL≤0,50
Miękko-plastyczny	mpl	0,50<IL≤1,00
Płynny	pł	1,00<IL	wL<w

Faza stała +faza ciekła

Wilgotności graniczne :

- granica skurczalności – pomiędzy stanem zwartym a półzwartym;

- granica plastyczności – pomiędzy stanem półzwartym a plastycznym (twardoplastycznym);

- granica płynności – pomiędzy stanem plastycznym (miękkoplastycznym) a płynnym

granica skurczalności – wilgotność w procentach, przy której grunt pomimo dalszego suszenia nie zmniejsza swojej objętości i jednocześnie zaczyna zmieniać barwę na powierzchni na odcień jaśniejszy

granica plastyczności – wilgotność w procentach, jaką ma grunt, gdy przy kolejnym wałeczkowaniu wałeczek pęka po osiągnięciu średnicy 3 mm.

granica płynności – wilgotność w procentach, jaką ma masa gruntowa umieszczona w aparacie Casagrande’a, w momencie, gdy wykonana w niej bruzda zlewa się przy 25 uderzeniu miseczki o podstawkę, na długości 10 mm i wysokości 1 mm.

Konsystencja gruntu

Stan gruntu zależy:

• Od ilości wody zawartej w gruncie

• Od właściwości wody

• Od składu cząstek stałych

• Od właściwości cząstek stałych

Wartość granic konsystencji kształtuje:

• Skład granulometryczny

• Skład mineralny

• Skład kationów wymiennych

• Kształt cząstek

• Domieszki substancji organicznej

Granice konsystencji

Metody wyznaczania:

1. granica skurczalności – aparatem do badania granicy skurczalności, według PN-88/B-04481

2. Granica plastyczności – metodą wałeczkowania

3. granica płynności – aparatem Casagrande’a; metodą stożka

Inne parametry określające plastyczność

Wskaźnik plastyczności

Stopień plastyczności

Stopień konsystencji

Wskaźnik konsystencji Ic – wilgotność pasty gruntowej określoną przy pomocy penetrometru stożkowego

Nowy stopień plastyczności

Wskaźnik skurczalności

Aktywność

Klasyfikacja wg Skemptona (1953)

nieaktywne A<0,75

normalne A=0,75-1,25

aktywne A>1,25

Faza stała + ciekła + gazowa

Wiązania strukturalne – warunkują większość właściwości inżyniersko-geologicznych gruntu, wartości dochodzą do kilku tysięcy kPa, powstają w wyniku złożonych procesów fizykochemicznych, zależą od stanu gruntu.

Wiązania chemiczne – może powstawać przy bezpośrednim kontakcie mineralnych ziarn czy cząstek lub przy zapełnieniu przestrzeni międzycząsteczkowych substancją cementującą, najbardziej wytrzymały typ wiązania strukturalnego

Wiązania cząsteczkowe i cząsteczkowo-jonowo-elektrostatyczne – zachodzą pod wpływem istnienia sił cząsteczkowych spowodowane nieznaczną wzajemną polaryzacją powłok elektronowych, znaczny zasięg oddziaływań do kilku tysięcy Å

Wiązania o charakterze magnetycznym – związane z występowaniem w gruntach ferromagnetyków takich jak hematyt, geothyt

Wiązania spowodowane ładunkami powstającymi na styku cząstek mineralnych – przy bezpośrednim styku cząstek ich powierzchnie mogą otrzymywać ładunek na skutek kontaktowej różnicy potencjałów

Porowatość gruntów

Porowatość – stosunek objętości porów w gruncie do całkowitej objętości próbki

Wskaźnik porowatości – stosunek objętości porów do objętości szkieletu gruntowego

Zależność między porowatością a wskaźnikiem porowatości

Porowatość gruntów zależy od:

1. uziarnienia

2. stopnia jednorodności uziarnienia

3. kształtu ziarn

4. wilgotności

5. stopnia ułożenia ziarn i cząstek

Pory – wolne przestrzenie między ziarnami, cząstkami mineralnymi i organicznymi

Pory:

- ultrapory <0,1µm

- mikropory 0,1 – 10 µm

- mezopory 10 – 1000 µm

- makropory >1 mm

Pory:

- izometryczne

- anizometryczne

- szczelinowate

Pory:

- międzycząsteczkowe;

- międzymikroagregatowe

- międzyziarnowe

-wewnątrzziarnowe

Porowatość:

• Międzykrystaliczna – porowatość skał krystalicznych ziarnistych (magmowych, metamorficznych i części skał osadowych scementowanych)

• Intergranularna – porowatość tworząca się przy niezupełnym przyleganiu do siebie ziarn i okruchów w gruntach gruboziarnistych i niespoistych

• Wewnątrzgranularna – porowatość składników mineralnych

• Interagregatowa – porowatość występująca pomiędzy agregatami cząstek mineralnych

• Wewnątrzagregatowa – porowatość występująca między elementami tworzącymi agregat

• Wyługowania – tworząca się przy rozpuszczaniu i wymywaniu soli

Szczelinowatość

Szczeliny:

• Bardzo wąskie <1mm

• Wąskie 1-5 mm

• Średnie 5-20 mm

• Szerokie 20-100 mm

• Bardzo szerokie >100 mm

Szczeliny:

• Synklazy – szczeliny powstałe w wyniku działania sił wewnętrznych w czasie powstawania niektórych skał najczęściej spowodowane kurczeniem się stygnącej magmy

• Szczeliny uwarstwiena – są związane z procesami sedymentacji i diagenezy osadów

• Szczeliny tektoniczne – są związane z kompresją i tensją skorupy ziemskiej w procesach tektonicznych

• Szczeliny wietrzeniowe – związane z procesami wietrzenia

Szczelinowatość	Współczynnik szczelinowatości, %	Charakter szczelin
Słaba	<2	Występują kapilarne i bardzo wąskie szczeliny o szerokości do 1 mm, oraz pojedyncze do 2 mm
Średnia	2-5	Występują razem z bardzo wąskimi (do 1mm), szczeliny wąskie (1-5mm) oraz szczeliny średnie
Silna	5-10	Występują oprócz wyżej wymienionych szczeliny szerokie (20-100mm)
Bardzo silna	10-20	Występują wszystkie rodzaje szczelin łącznie z bardzo szerokimi (powyżej 100mm)
Nadzwyczaj silna	>20

Stopień nasycenia, wilgotności

Stopień nasycenia wyraża objętość wody zawartej w porach względem całkowitej objętości porów

Stopień wilgotności wyraża objętość wody zawartej w porach względem całkowitej objętości porów

Pęcznienie – proces polegający na wzroście objętości gruntu na skutek oddziaływania wody (roztworów o różnym chemizmie), głównie na pęczniejące minerały ilaste z grupy smektytu (montmorillonit, beidelit), minerały mieszanopakietowe (smektyt/illit) oraz illit.

Czynniki wpływające na intensywność pęcznienia:

• rodzaj gruntu i jego skład granulometryczny,

• procentowa zawartość frakcji iłowej

• skład mineralny frakcji iłowej,

• procentowy udział minerałów ilastych,

• chemizm wód (roztworów) nasycających,

• skład kationów wymiennych (Na⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>Al³⁺>Fe⁺³⁺)

• procentowa zawartość substancji organicznej,

• procentowa zawartość węglanów,

• procentowa zawartość anhydrytu, pirytu,

• stopień nasycenia,

• struktura i mikrostruktura,

• rodzaj próbki,

• gęstość objętościowa, gęstość objętościowa szkieletu gruntowego

• przemiany zachodzące w strefie hipergenezy,

• metody badań i inne.

Metody bezpośredniego badania zmian deformacyjnych gruntów:

• pęcznienie swobodne wg Holtza-Gibbsa (FS_HG, %);

• pęcznienie jednoosiowe (S_max, %) lub osiadanie (-L,%);

• pęcznienie początkowe (S_p);

• pęcznienie wtórne (S_s);

• pęcznienie początkowe (FS);

• podniesienie (L);

• osiadanie (-L);

• procentowe podniesienie lub osiadanie (%)

• ciśnienie pęcnienia (s_sp)

• wskaźnik pęcznienia (C_s)

• odkształcenie pęcznienia (e_s, %)

• wskaźnik ekspansji (EI)

• skurcz

ekspansywność - wyraża zmiany objętościowe, zachodzące w całym masywie gruntowym bądź skalnym, gdy naturalne warunki panujące w środowisku ulegają zmianie w wyniku: długotrwałych ulewnych deszczów, awarii kanalizacji, zmiany naturalnego ustroju wód podziemnych, w przypadku budownictwa hydrotechnicznego, budowy różnego typu tuneli, sztolni, wkopów fundamentowych i innych.

Zjawisko to zachodzi w wyniku zmiany naturalnych warunków panujących w środowisku np.:

- długotrwałych ulewnych deszczy lub susz

- awarii kanalizacyjnych

- zmian naturalnego ustroju wód podziemnych.

Odkształcalność gruntów

odkształcenia trwałe – plastyczne, powstające pod wpływem przyłożonych naprężeń, lecz nie znikające po ustąpieniu naprężeń;

odkształcenia odwracalne – sprężyste, natychmiastowe i lepko-sprężyste, które powstają pod wpływem przyłożonych naprężeń i zanikają po ustąpieniu tych naprężeń

Odkształcenia gruntów charakteryzujemy między innymi poprzez:

Moduł ściśliwości

Osiadanie zapadowe

Ściśliwość – zdolność gruntu do zmniejszania objętości pod wpływem obciążenia

Zmniejszanie objętości jest wynikiem:

Zmniejszanie objętości porów na skutek wzajemnego przesuwania się cząstek gruntu;

Zmniejszanie się grubości warstwy podwójnej;

Zagęszczanie lub (i) usuwanie powietrza;

Odkształcanie się cząstek

Wielkość ściśliwości zależy od:

• Składu granulometrycznego

• Porowatości

• Wilgotności

• Składu mineralnego

• Skład kompleksu wymiennego

• Skład chemiczny wody

• Stopień mineralizacji wody porowej

• Tekstura gruntu

Proces zmiany objętości gruntu w czasie, zachodzący w wyniku wypływania wody z porów pod wpływem przyłożonego obciążenia nazywamy konsolidacją.
Czas trwania konsolidacji zależy głównie od przepuszczalności gruntu. Grunty o niskiej przepuszczalności (np. grunty spoiste) wymagają dłuższego czasu na zakończenie konsolidacji. Dlatego grunty te osiadają znacznie wolniej niż grunty niespoiste, i, co za tym idzie, proces ten trwa znacznie dłużej. Proces ten ilustruje krzywa konsolidacji.

OSIADANIE ZAPADOWE - Zdolność gruntu, znajdującego się pod określonym obciążeniem, do szybkiej zmiany objętości pod wpływem nasycenia wodą

Cechy warunkujące osiadanie zapadowe lessów

• Skład granulometryczny (przewaga frakcji pyłowej z małą ilością części koloidalnych)

• Skład mineralny

• Wapnistość

• Zasolenie powyżej 0,3%

• Wilgotność naturalna niższa od granicy plastyczności

• Makroporowatość dobrze widoczna

• Porowatość powyżej 45%

• Pozycja stratygraficzna

Miarą zdolności gruntu do osiadania zapadowego jest wskaźnik osiadania zapadowego (i_mp)

h’ - wysokość próbki nienaruszonej w mm po stabilizacji odkształceń przy naprężeniu całkowitym σ_zt, odpowiadającym ciężarowi gruntu i budowli przed nasyceniem wodą (200kP)

h’’ – wysokość tej próbki w mm przy tym samym naprężeniu, ale po całkowitym nasyceniu wodą

h₀ – wysokość próbki po stabilizacji odkształceń przy naprężeniu pierwotnym σ_zg odpowiadającym ciężarowi gruntu na rozpatrywanej głębokości