Mechanika gruntów

3. Mechaniczne właściwości gruntów. Parametry, sposoby wyznaczania.

1. Ściśliwość

2. Wytrzymałość na ścinanie

Ad. 1.

Ściśliwością gruntu nazywamy zdolność do zmniejszania swojej objętości pod wpływem obciążenia. Zależy ona głównie od:

• składu granulometrycznego gruntu,

• porowatości,

• wilgotności,

• składu mineralnego (zwłaszcza frakcji iłowej).

Za miarę ściśliwości przyjęto moduł ściśliwości M₀ w MPa, który jest w pewnym sensie odpowiednikiem modułu sprężystości ciał sprężystych. Różnica polega na tym, że dla gruntów zależność między przyłożonym obciążeniem i odkształceniem jest prawie zawsze krzywoliniowa. Grunt nie jest ciałem sprężystym, ulega trwałym odkształceniom i po obciążeniu nie wraca do pierwotnej objętości. Krzywa ściśliwości i krzywa odprężenia nie pokrywają się.

Zmniejszenie objętości gruntu na skutek obciążenia polega na zmniejszeniu się objętości jego porów wskutek wzajemnego przesuwania się cząstek gruntu względem siebie i zmniejszenie się odległości między cząstkami przez zmniejszenie się grubości błonek wody zagęszczonej w punktach ich kontaktu.

Po odciążeniu grunty tylko częściowo odprężają się (dekonsolidują), zachowując znaczne zasoby energii wewnętrznej, przejawiającej się zwiększeniem modułów odkształcenia E₀, kątów tarcia wewnętrznego φ i kohezji C.

Sposób wyznaczania:

Ściśliwość i odprężenia gruntu badamy w laboratorium, w edometrach. Badanie ściśliwości gruntu w edometrze jest badaniem modelowym. Polega na stopniowym obciążaniu próbki umieszczonej w metalowym pierścieniu (a więc w warunkach uniemożliwiających boczną rozszerzalność próbki). Warunki te, w dużym stopniu odpowiadają warunkom pracy elementu gruntu w naturze pod dużym fundamentem, gdzie boczna rozszerzalność każdego elementu jest również częściowo ograniczona sąsiednimi elementami gruntu. Moduł ściśliwości uzyskany na postawie badań w edometrze, nazywamy modułem ściśliwości edometrycznej.

Ad. 2.

Wytrzymałością gruntu na ścinanie nazywamy opór, jaki stawia grunt naprężeniem w rozpatrywanym punkcie ośrodka. Opór ten nazywamy oporem tarcia wewnętrznego. Wielkość ta zależy od:

• rodzaju gruntu (wymiaru i kształtu ziaren, pochodzenia gruntu),

• porowatości,

• wilgotności,

• ciśnienia wody w porach.

Po pokonaniu oporu ścinania następuje poślizg pewnej części gruntu w stosunku do pozostałej. Warunkiem wystąpienia poślizgu jest osiągnięcie przez naprężenie styczne wartości naprężenia stycznego ścinającego.

Zgodnie z hipotezą Coulomba-Mohra granicznych oporów ścinania opisywanych naprężeniem stycznym jaki ośrodek gruntowy stawia siłom przesuwającym można określić ze wzoru:

τ_f = c + σ * tan φ

c − spojnosc ∖ nφ − kat tarcia wewnetrznego

Wytrzymałość gruntu jest więc wynikiem dwóch procesów: kohezji i tarcia. Im większa ich wartość, tym większa wytrzymałość gruntu.

Sposoby wyznaczania:

• W aparacie bezpośredniego ścinania,

• W aparacie trójosiowego ścinania.

  • Bez konsolidacji i odsączania (UU)

  • Z konsolidacją, bez odsączania (CU)

  • Z odsączaniem (CD)

Wyznaczenie parametrów M₀,  E₀,  φ i c  gruntów jest bardzo trudne, gdyż próbki mają zawsze częściowo naruszoną strukturą, a więc i mniejsze wartości powyższych parametrów. W przypadku ważnych budowli lub zabudowy dużych terenów zaleca się przeprowadzenia również badań „in situ”.

Bibliografia:

• Z. Wiłun, Zarys Geotechniki, WKŁ, 2013

• Wykłady dr. Jerzego Flisiaka, z roku 2012