Ściśliwość gruntów Jest to jego zdolność do zmniejszenia objętości pod wpływem przyłożonego obciążenia.

Pod działaniem obciążenia grunt ulega odkształceniom, co wyraża osiadaniem jego powierzchni.

Odkształcenie gruntu jest wynikiem zmniejszenia objętości spowodowanego wyciskaniem wody i powietrza wypełniających pory gruntu, przemieszczania się cząstek stałych względem siebie i zgniecenie niektórych z nich oraz sprężystego dokształcenia wody błonkowatej i cząstek gruntowych. Zależność miedzy obciążeniem a odkształceniem gruntu jest krzywoliniowa: grunt jest ciałem sprężysto plastycznym, więc po odciążeniu występuje tylko częściowe odprężenie gruntu oraz odkształcenie trwałe. Przy powtórnym obciążeniu gruntu, osiadanie jest znacznie mniejsze niż przy pierwszym obciążeniu, w danym zakresie. Wielkościami charakterystycznymi ściśliwość gruntu są między innymi edometryczne moduły ściśliwości pierwotnej M₀ i wtórnej M, moduł pierwotnego odkształcenia gruntu E ₀ i moduły wtórnego odkształcenia gruntu E oraz moduły podatności gruntu E_s . wielkościami charakteryzującymi odprężenie gruntu są odpowiednio moduły odprężania M i E.

Moduły ściśliwości:

Badanie wykonuje się w edometrach, w których próbka znajduje się w metalowym pierścieniu. Poprzez to próbka nie ma możliwości rozszerzenia się na boki w związku z tym obciążenie wywierane na próbkę powoduje tylko odkształcenie pionowe (zmiana wysokości).

Po przygotowaniu próbki gruntu ustawia się ramkę obciążającą i czujnik. Po ustawieniu czujnika zegarowego służącego do pomiaru osiadań próbki, obciąża się próbkę naciskiem 12,5 kPa. Po zakończeniu osiadań pod takim obciążeniem próbkę obciąża się dalszymi stopniami obciążenia Następny stopie obciążenia dodaje się po nastąpieniu stabilizacji osiadań.

Edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej (ogólnej)

charakteryzuje osiadanie podłoża w zakresie naprężeń dodatkowych

jest to stosunek przyrostu efektywnego naprężenia normalnego do przyrostu całkowitego odkształcenia względem dε₀

Moduł ściśliwości pierwotnej (M_o) oblicza się w kPa lub MPa, wg wzoru:

gdzie: Δσ - przyrost naprężenia [kPa];

∈ - względne odkształcenie próbki;

h_i-1 – wysokość próbki w edometrze przed zwiększeniem naprężenia[mm];

Δh_i = h_i-1 – h_i [mm] (zmniejszenie wysokości próbki w pierścieniu edometru po zwiększeniu naprężenia).

Edometryczny moduł ściśliwości wtórnej (sprężystej)

charakteryzuje osiadanie podłoża w zakresie naprężeń wtórnych

jest to stosunek przyrostu efektywnego naprężenia normalnego do przyrostu sprężystego odkształcenia względnego.

Osiadanie

Osiadaniem fundamentu nazywa się pionowe przemieszczenie fundamentu wskutek ściśliwości obciążonego podłoża.

3 fazy osiadania:

• I faza – fundament osiada tylko wskutek ściśliwości gruntu

• II faza – obserwuje się zwiększenie przyrostu osiadań i podnoszenie się terenu obok fundamentu.

• III faza – stan graniczny nośności – w gruncie powstaje poślizg (ścięcie), grunt osiąga swoją nośność.

(Stan graniczny- stan podłoża gruntowego, lub budowli posadowionej na tym podłożu, po osiągnięciu którego budowla zagraża bezpieczeństwu, albo nie spełnia określonych wymagań użytkowych)

Przy osiadaniu uwzględnia się trzy stany obciążeń podłoża:

• pierwotny, przed rozpoczęciem wykopów fundamentowych,

• odprężenie podłoża, po wykonaniu wykopów,

• ostateczny, po zakończeniu budowy.

Jeśli występuje odprężenie gruntu po wykonaniu wykopu fundamentowego ,a następnie grunt jest wtórnie obciążony, to w zakresie naprężeń wtórnych σ_zs osiadanie oblicza się na podstawie edometrycznych modułów ściśliwości wtórnej M, a w zakresie naprężeń dodatkowych na podstawie edometrycznych modułów ściśliwości pierwotnej M₀. Podłoże gruntowe do głębokości z_max ze względu na nieliniowy rozkład naprężeń dzieli się na warstwy obliczeniowe o miąższości nie większej niż polowa szerokości fundamentu w ten sposób, aby granice wydzielonych w podłożu warstw geotechnicznych wypadły na granicach podziału na warstwy obliczeniowe.

Wysadziny Powstawanie wysadzin : powstają tylko w gruntach wysadzinowych czyli zawierających pewna ilość drobnych cząstek pyłowych i iłowych. jeżeli zwierciadło wody zalega płytko lub podłoże jest wilgotne lub bardzo wilgotne w skutek dużych opadów deszczu brak odpływu tej wody. mróz działa dostatecznie długo i intensywnie

Kryteria Wysadzinowosci gruntów

Sasagrande’a,

Beskowa ,

Wilona – według którego uwzględnia się uziarnienie gruntu i kapilarność bierną H_B:

A – H_B < 1,0m – grunty niewysadzinowe ( żwiry, pospółki, piaski)

B – H_B <1,3 m – grunty wątpliwe (piaski drobne, pylaste, próchnicze)

C – H_B > 1,3m – grunty wysadzinowe (grunty spoiste, namuły organiczne)

Zabezpieczenia budowli przed wysadzinami

• posadowienie poniżej poziomu posadowienia,

• wymiana gruntu wysadzinowego na grunt niewysadzinowy.

• użycie do zasypki za murami oporowymi przypuszczalnych gruntów niewysadzinowych.

• zabezpieczenie wysadzinowego podłoża poprzez maty lub obsypanie fundamentu gruntem na okres mrozu.

• zastosowanie izolacji termicznej.

• pozostawienie w chłodni pod podłogą wolnej przestrzeni lub podgrzaniu gruntu wodą obiegowa lub prądem

Metoda faleniusa – stateczność skarp w gruncie spoistym

Metoda Fellenius'a jest najprostszą metodą analizy stateczności skarpy. W metodzie tej zakłada się, że potencjalne powierzchnie poślizgu są walcowe. Dla danego konturu zbocza istnieje najbardziej niebezpieczna powierzchnia poślizgu, czyli charakteryzująca się najniższym współczynnikiem bezpieczeństwa. Zakłada on, ze siły pomiędzy paskami są równoległe do ich podstawy i przez to siły działające pomiędzy paskami są zaniedbane. Jest niedokładna przy analizie naprężeń efektywnych przy wysokim ciśnieniu porowym. Wskaźnik stateczności wyznaczany jest ze wzoru:

gdzie:

G_i – ciężar paska,

α_i – kąt nachylenia siły normalnej do powierzchni poślizgu,

φ' – kąt tarcia wewnętrznego,

c – spoistość materiału,

l_i – długość podstawy paska,

n – liczba pasków.

W metodzie tej uwzględniony jest warunek równowagi momentów, ale nie jest uwzględniony warunek równowagi rzutów sił. Nieuwzględnienie sił wewnętrznych również generuje błąd (po stronie bezpiecznej). Wartości dopuszczalnego współczynnika stateczności przyjmuje się w granicach 1,1–1,3.

Pierwsza kategoria geotechniczna

Pierwsza kategoria geotechniczna obejmuje niewielkie obiekty budowlane, o statycznie wyznaczalnym schemacie obliczeniowym w prostych warunkach gruntowych, w przypadku których możliwe jest zapewnienie minimalnych wymagań na podstawie doświadczeń i jakościowych badań geotechnicznych.

Należą do niej:

• jedno- i dwu- kondygnacyjne budynki mieszkalne i gospodarcze;

• ściany oporowe i rozparcia wykopów, jeżeli różnica poziomów nie przekracza 2,0 m;

• wykopy do głębokości 1,2 m i nasypy budowlane do wysokości 3,0 m wykonywane w szczególności przy budowie dróg, pracach drenażowych oraz układaniu rurociągów.

Druga kategoria geotechniczna

Druga kategoria geotechniczna to obiekty budowlane posadawiane w prostych i złożonych warunkach gruntowych, wymagające ilościowej i jakościowej oceny danych geotechnicznych i ich analizy, takie jak:

• fundamenty bezpośrednie lub głębokie;

• pozostałe ściany oporowe lub inne konstrukcje oporowe utrzymujące grunt lub wodę;

• wykopy, nasypy budowlane, z zastrzeżeniem pkt 1 lit. c, oraz inne budow- le ziemne;

• przyczółki i filary mostowe oraz nabrzeża;

• kotwy gruntowe i inne systemy kotwiące.

Trzecia kategoria geotechniczna

• obiekty budowlane posadawiane w skomplikowanych warunkach gruntowych;

• nietypowe obiekty budowlane niezależnie od stopnia skomplikowania warunków gruntowych, których wykonanie lub użytkowanie może stwarzać poważne zagrożenie dla użytkowników (na przykład obiekty energetyki, zakłady chemiczne, zapory wodne)

• obiekty, których projekty budowlane zawierają nieznajdujące podstaw w przepisach nowe niesprawdzone w krajowej praktyce rozwiązania techniczne;

• obiekty budowlane zaliczane do inwestycji mogących zawsze znacząco oddziaływać na środowisko;

• budynki wysokościowe projektowane w istniejącej zabudowie miejskiej;

• obiekty wysokie, których głębokość posadawiania bezpośredniego przekracza 5,0 m lub które zawierają więcej niż jedną kondygnację zagłębionąw gruncie; 

• tunele w twardych i niespękanych skałach, w warunkach niewymagających specjalnej szczelności; obiekty infrastruktury krytycznej; obiekty zabytkowe i monumentalne.

Gdy mamy już trzecią kategorię obiektu, wymaga się dodatkowo sporządzenia dokumentacji geologiczno-inżynierskiej.

Naprężenia w gruncie:

• Pierwotne σ_z – naprężenia w gruncie, wynikające z ciężaru wyżej leżących warstw. Wyróżnia się pionowe oraz poziome naprężenia pierwotne, w praktyce fundamentowania najczęściej SA potrzebne wartości pionowych naprężeń pierwotnych.

Wyznaczanie pierwotnych naprężeń w gruncie:

$$\sigma_{z} = \ \sum_{}^{}{_{i} \bullet \text{\ \ }h_{i} \bullet g}\backslash n$$

_i - gęstość objętościowa warstwy gruntu

h_i – grubość poszczególnych warstw

g – przyspieszenie ziemskie

• Od siły skupionej

• Od obciążenia ciągłego na obszarze prostokątnym

Metody wyznaczania: Metoda sił skupionych, metoda punktów narożnych, metoda punktów środkowych, metoda pól wpływowych.

Wpływ wody na stateczność skarpy

Osuwisko – występuje gdy wzdłuż dowolnej ciągłej powierzchni na skarpie, przekraczana równowaga między naprężeniami ściskającymi oporem gruntu na ścianie Przyczyny powstawania: podmycie, podkopanie zbocza skarpy, obciążenia skarpy przez budowę, wypełnienie szczelin w skorupie wodą, działanie ciśnienia spływowego w obszarze skarpy, nasiąknięcie gruntu na skutek opadu deszczu, śniegu, wstrząsy drgania, sufozja, złe zaprojektowanie skarpy Rodzaje powstawania ruchów masowych : osuwisko asekwentne, osuwisko konsekwentne, osuwisko insekwentne

Wpływ wody na stateczność skarpy – grunt nasycony wodą powoduje spływy, szybkie, krótkie przesunięcia gruntów sypkich lub spoistych ze zbocza

Podział zboczy

• w zależności od kształtu geometrycznego:

płaskie, łamane, wklęsłe i wypukłe

• w zależności od budowy geologicznej:

jednorodne pod względem genezy, rodzaju i właściwości mechanicznych, grunty niejednorodne z różnymi rodzajami gruntu o różnych właściwościach mechanicznych.

• w zależności od pochodzenia gruntu:

zbudowane z gruntów niezwięzłych, zbudowane z gruntów zwięzłych(spoistych) , skalne, zwietrzelinowe

• ze względu na stopień nawodnienia:

suche (tylko z woda kapilarna), nawodnione przy braku ruchu wody gruntowej, nawodnione z woda gruntową w ruchu

Osuwiska powstają w wyniku działania siły ciężkości, gdy zostaje przekroczona równowaga pomiędzy naprężeniami ścinającymi i oporem gruntu na ścinanie. Utratę stateczności zbocza powodują wiec nowe siły albo zmniejszenie sil oporu gruntu na ścinanie

Przyczyny powstawania osuwisk

• powodujące zmiany stanu naprężenia w zboczu: podcięcie w dolnej części, dodatkowe obciążenie, wstrząsy, wyciśniecie gruntu plastycznego u podstawy zbocza, ciśnienie hydrostatyczne, ciśnienie hydrodynamiczne.

• powodujące zmniejszenie wytrzymałości gruntów tworzących zbocze: nasycenie wodami gruntowymi, nasycenie woda dolnej części zbocza, wysychanie i powstawanie szczelin na skutek skurczu, zawilgocenie wodami powierzchniowymi, nasycenie szczelin woda

Przyczyny powstawania osuwisk dzielimy na:

• czynniki bierne-pasywne - mało zmienne w czasie: budowa geologiczna, morfologia stoku,

• czynniki aktywne - zmienne w czasie: warunki hydrogeologiczne, procesy geologiczne (abrazja, erozja, wietrzenie, trzęsienie ziemi),

• działalność człowieka(obciążenie i podcinanie stoku, nadmierny ruch samochodowy), wegetacja roślinności, warunki atmosfer(roztopy śnieżne, opady)

Metody określania zagrożenia osuwiskami:

• ocena warunkow morfologicznych obejmuje: sprawdzenie wierności i wiarygodności map oraz planow geodezyjnych, uzupełnienie ostatniego planu geodez obserwacjami świadczącymi o aktywności powierzchniowych ruchow masowych

• ocena warunkow geologicznych analiza map geologi, ustalenie modelu budowy geolog zbocza

• ocena warunkow wodnych ustalenie obecności wod powierzchniowych i gr wysteopujacych bezpośrednio na zboczu, rejestracja ciekow powierzchniowych z podaniem kierunkow ich płynięcia, przepływów z wyznaczeniem stref możliwej ucieczki wod w podloze, rejestracja wod stojacych, źródeł i wyciekow z podaniem ich wydajności i wahan. Należy zwrocici szczegolna uwage na charakter zwierciadla wody :napiete, swobodny. Możliwość awarii drenow, filtrow lub innych

stateczność skarp w gr niespoistych wzor Coulomba T=NtgØ S=Wsinβ, N=Wcosβ rownowaga będzie zachowana, jeżeli kat nachylenia zbocza będzie mniejszy lub rowny katowi tarcia wewnętrznegoS≤T, Wsinβ≤WcosβtgØ, β≤Ø. Wskaźnik pewności F rozpatrywanego zbocza można wyznaczyc ze stosunku wartości sily oporu na sciananie gruntu T do wartości działającej sile zsuwającej S na rozpatrywany element gr F=T/S=WcosβtgØ/wsinβ=tgØ/tgβ. Warunke jest słuszny dla skarp z gr niespoistyc(c=0, Ø=/=0) dla celow praktyxznych przyjmuje się Fmin=Fdop=1,1 do 1,3, w przypadku przepluwu wody gr w skarpie lub zboczu- woda o zmiennym spadku hyraulicznym , kat nachylenia zbocza ulega znacznemu zmniejszeniu, gdyz do sily zsuwającej S’ dochodzi sila ciesnienia spływowego S”. rownowaga lementu zachowana jest jeżeli S’+S”=T/F, gdzie F-wspolczynnik stateczności sakrpy, S’=Wsinβ=Wγ'sinβ, S”=Vj=Vi(γw)=Vsinβ(γw), T=WcosβtgØ=Vγ’cosβtgØ zatem tg βmax=0,5tgØ wzory SA sluszne dla skarp o nieograniczonej długości

Ścinanie:

Ścinanie w gruncie polega na przesunięciu jednej części ośrodka gruntowego w stosunku do pozostałej.

Warunkiem powstania poślizgu wzdłuż określonej powierzchni jest przekroczenie oporu przez naprężenie ścinające:
τ> τ_f

Gdzie: τ - naprężenie ścinające , τ_f - opór gruntu na ścinanie.

Stan graniczny ścinania w gruncie: τ= τ_f

Stan równowagi sprężystej w gruncie: τ< τ_f

Wytrzymałością gruntu na ścinanie (τ_f) nazywa się największy (graniczny) opór jaki stawia grunt naprężeniom ścinającym.

τ_f = σ tg ϕ + c,

gdzie:

σ - naprężenie normalne do płaszczyzny ścinania,

ϕ - kąt tarcia wewnętrznego,

tg ϕ - współczynnik tarcia wewnętrznego,

c – spójność gruntu (kohezja).

Gdy c = 0 (grunty niespoiste), otrzymuje się wynik zgodny z prawem proporcjonalności tarcia do nacisku podanym przez Coulomba.

Kąt tarcia wewnętrznego jest miarą oporu gruntu przeciw poślizgowi dwóch części względem siebie.

tg ϕ = (τ_f – c)/ σ - dla gruntu spoistego
tg ϕ = τ_f / σ - dla gruntu niespoistego.

Badanie wytrzymałości na ścinanie w aparacie skrzynkowym (bezpośredniego ścinania)

Aparat skrzynkowy składa się z metalowej, prostopadłościennej skrzynki, podzielonej poziomo na 2 części: dolną – nieruchomą i górną – możliwość przesuwania poziomego względem dolnej.
Próbkę gruntu o wymiarach 6/6/2cm, 10/10/3cm lub 14/14/4cm umieszczamy w skrzynce, ujmujemy ją miedzy dwoma filtrami o ząbkowanej powierzchni, obciążamy naciskiem σ , a następnie próbka ścinana jest w wyniku przesuwania górnej części skrzynki, do której przykładane jest naprężenie ścinające τ . Graniczna wartość naprężenia, przy którym nastąpiło ścięcie nazywa się wytrzymałością gruntu na ścinanie τ_f. Ścinanjąc kilka próbek, przy różnych naciskach i nanosząc wyniki na wykres τ_f=f(σ) otrzymujemy prostą, która (dla gruntów spoistych) odetnie na osi rzędnych wartość spójności c, nachylenie tej prostej do poziomu jest równe kątowi tarcia wewnętrznego ϕ.

W przypadku gruntów niespoistych (c=0) prosta przechodzi przez początek układu współrzędnych.