1. Lessy a grunty organiczne, ich specyfika w projektowaniu i utrzymaniu obiektów budowlanych

Grunty organiczne

Gruntem organicznym nazywamy grunt rodzimy, w którym zawartość części organicznych I_om jest większa niż 2%. Grunty organiczne możemy podzielić na grunty org. skaliste oraz nieskaliste. Grunty skaliste ze względu na stopień uwęglenia dzielimy na węgiel brunatny i węgiel kamienny. Wśród gr. org. nieskalistych wyróżniamy:

- grunty próchnicze H – grunty nieskaliste w których zawartość części organicznych jest wynikiem wegetacji roślinnej i obecności mikroflory i mikrofauny

- namuły Nm – grunty powstałe na skutek osadzania się substancji mineralnych i organicznych w środowisku wodnym. Wyróżniamy namuły piaszczyste (mają właściwości gruntów niespoistych) i namuły gliniaste (właściwości spoistych)

- gytie Gy – namuły z zawartością węglanu wapnia > 5%, który może wiązać szkielet gruntu nadając mu charakter gruntu skalistego o niewielkiej wartości wytrz. na ściskanie

- torfy T – grunty powstałe z obumarłych i podlegających stopniowej karbonizacji części roślin. Torfy cechuje zazwyczaj I_om > 30%

Grunty organiczne występujące w wykopie charakteryzują się zazwyczaj niskimi parametrami wytrzymałościowymi a także dużą wilgotnością i nie nadają się do posadowienia budowli

Lessy

Less to skała osadowa pochodzenia eolicznego (wynik działalności akumulacyjnej wiatru). Jest osadem pylastym z epoki czwartorzędowej z okresu plejstoceńskiego. W lessach dominuje frakcja aleurytowa (0,05-0,02mm) złożona z mikroskopijnych ziarenek kwarcu w ilości ok. 60-70% oraz domieszek innych materiałów jak skalenie i minerały ciężkie (rutyl, cyrkon, hornblenda). Całość zlepiona jest węglanem wapnia w ilości 10-15%. Lessy powstały przez wywiewanie drobnych cząstek pylastych z obszarów nie pokrytych roślinnością znajdujących się przeważnie w zimnej strefie klimatycznej. W Polsce lessy występują na Wyżynie Lubelskiej, na Roztoczu i w Kotlinie Sandomierskiej. Ich miąższość wynosi kilkanaście metrów.

W stanie suchym lessy są dobrym gruntem budowlanym. Jednak ze względu na dużą porowatość łatwo ulega niszczącemu działaniu wody. Pionowy układ porów sprawia, że wszelka woda znajdująca się na powierzchni lessu szybko wsiąka w warstwę powodując zjawisko dosiadania (osiadania zapadowego). Osiadanie zapadowe jest to zjawisko zmniejszenia miąższości warstwy pod wpływem nawilgocenia, bez udziału obciążenia. Może także nastąpić całkowite wymycie gruntu. Woda powoduje również wytrącanie węglanu wapnia z lessów w postaci charakterystycznych konkrecji – kukiełek lessowych.

Charakterystyczne właściwości lessów polegające na osiadaniu zapadowym powodują liczne szkody budowlane, które wzmagają się gdy podłoże budowlane nie jest zabezpieczone przed działaniem wód. Szkody takie wystąpiły między innymi przy budowie Nowej Huty i niektórych obiektów miasteczka akademickiego w Lublinie. Brak odpowiedniego zabezpieczenia spowodował również szkody w niektórych zabytkowych obiektach Lublina i Sandomierza. W wyniku działania wód podziemnych niszczone były nieobudowane piwnice i korytarze, niekiedy wielokondygnacyjne. Przykłady te pokazują, że warunki budowlane w obrębie lessów są skomplikowane, należy maksymalnie zabezpieczyć podłoże budowlane przed działaniem wody.

2. Fizyczne własności gruntów (uziarnienie, podstawowe i pochodne parametry fizyczne, I_D, I_L

Uziarnienie gruntów

Nazwę gruntu można określić między innymi poprzez ustalenie procentowej zawartości poszczególnych frakcji (ustalenie uziarnienia) w danej próbce. Frakcją nazywamy zbiór ziarn lub cząstek gruntu o wymiarach zawartych w określonym zakresie. Na podstawie procentowej zawartości poszczególnych frakcji można, za pomocą trójkąta Fereta określić nazwę badanego gruntu.

Nazwa frakcji	Symbol	Zakres wielkości ziarn i cząstek [mm]	Uwagi
Kamienista Żwirowa Piaskowa Pyłowa Iłowa	fk fż fp fπ fi	d > 40 2 < d ≤ 40 0,05 < d ≤ 2 0,002 < d ≤ 0,05 d ≤ 0,002	Mączka skalna Produkt wietrzenia chemicznego

Skład granulometryczny gruntów można określić za pomocą analizy sitowej (grunty niespoiste za wyjątkiem piasku pylastego) lub analizy areometrycznej (grunty spoiste i piasek pylasty).

Podstawowe cechy fizyczne gruntów budowlanych:

1. gęstość objętościowa – stosunek masy gruntu do jego objętości, liczony ze wzoru

ρ = m / V_s m – masa gruntu w gramach

V – objętość gruntu w cm³

1. gęstość właściwa – stosunek masy szkieletu gruntowego (masy jego cząstek) do jego objętości, liczony ze wzoru

ρ_s = m_s / V_s m_s – masa szkieletu gruntowego

V_s – objętość szkieletu gruntowego

Gęstość gruntu zależy od składu mineralogicznego skały lub gruntu i wynosi od 2,4 g/cm³ do 3,2 g/cm³

1. wilgotność – procentowy stosunek zawartości masy wody zawartej w jego porach do masy szkieletu gruntowego

w = (m_w / m_s)*100% m_w – masa wody w porach gruntu

m_s – masa szkieletu gruntowego

Woda w porach gruntu może występować w postaci wody wolnej, wody kapilarnej i wody błonkowej. Woda może występować również w postaci wody związanej chemicznie. Wilgotnością naturalną w_n nazywamy wilgotność, jaką grunt ma w stanie naturalnym w złożu.

Pochodne parametry fizyczne gruntów budowlanych:

1. gęstość objętościowa szkieletu gruntowego – masa ziarn i cząstek stałych w jednostce objętości gruntu, liczona ze wzoru

ρ_d = m_d / V m_d – masa szkieletu w próbce, określona przez wysuszenie

V – objętość próbki przed wysuszeniem w cm³

ρ_d = ρ*100 / (100+w)

ρ – gęstość objętościowa gruntu

w – wilgotność gruntu w procentach

Znajomość gęstości objętościowej szkieletu gruntowego konieczna jest do obliczenia porowatości i wskaźnika porowatości, ma również duże zastosowanie przy wyznaczaniu wskaźnika zagęszczenia nasypów ziemnych.

1. porowatość – stosunek objętości porów do objętości całego gruntu (szkielet + pory). Liczona jest ze wzoru

n = V_p / V V_p – objętość porów w próbce

V – objętość próbki (szkielet + pory)

n = (ρ_s – ρ_d) / ρ_s

ρ_d – gęstość objętościowa szkieletu gruntowego

ρ_s – gęstość właściwa

1. wskaźnik porowatości gruntu – stosunek objętości porów do objętości cząstek gruntu (szkieletu). Wskaźnik obliczamy ze wzoru

e = V_p / V_s V_p – objętość porów w próbce

V_s – objętość szkieletu gruntowego

e = (ρ_s – ρ_d) / ρ_d

ρ_d – gęstość objętościowa szkieletu gruntowego

ρ_s – gęstość właściwa

Stopień zagęszczenia gruntów niespoistych I_D

Stopniem zagęszczenia gruntów niespoistych I_D nazywamy stosunek zagęszczenia istniejącego w naturze do największego możliwego zagęszczenia danego gruntu.

$I_{D} = \frac{e_{\max} - e_{n}}{e_{\max} - e_{\min}}$ e_max – wskaźnik porowatości maksymalnej

e_n – wskaźnik porowatości naturalnej

e_min – wskaźnik porowatości minimalnej (największe zagęszczenie)

Stan gruntów niespoistych zależne jest od stopnia zagęszczenia:

I_D ≤ 0,33 – grunt jest luźny

0,33 < I_D ≤ 0,67 – średnio zagęszczony

0,67 < I_D ≤ 1,0 – zagęszczony (czasem podawane, że I_D > 0,8 to bardzo zagęszczony)

Stopień plastyczności gruntów spoistych I_L

Stopniem plastyczności gruntów spoistych I_L nazywamy stosunek różnicy wilgotności naturalnej danego gruntu i granicy plastyczności do różnicy granicy płynności i granicy plastyczności.

$I_{L} = \frac{w_{n} - w_{p}}{w_{L} - w_{p}}$ w_n – wilgotność naturalna

w_p – granica plastyczności w procentach

w_L – granica płynności w procentach

Wielkości IL i wn	Stan gruntu
IL < 0 oraz wn ≤ ws IL < 0 oraz ws < wn ≤ wp 0 < IL ≤ 0,25 0,25 < IL ≤ 0,50 0,50 < IL ≤ 1,0 IL > 1,0	zwarty półzwarty twardoplastyczny plastyczny miękkoplastyczny płynny

3. Mechaniczne właściwości gruntów. Parametry. Sposoby wyznaczania

Ściśliwość gruntu

Pod działaniem obciążenia grunt ulega odkształceniom (1), co wyraża się osiadaniem jego powierzchni. Odkształcenie polega na zmniejszeniu objętości w wyniku wyciskania wody i powietrza z porów gruntu oraz przemieszczania się cząstek względem siebie. Grunt jest ciałem sprężysto-plastycznym, więc po odciążeniu występuje tylko częściowe odprężenie (2) gruntu oraz występuje odkształcenie trwałe. Gdy powtórnie obciążymy grunt, to osiadanie będzie znacznie mniejsze niż przy pierwszym obciążeniu w danym zakresie obciążeń (3). Przy dalszym obciążeniu (przekraczającym wartość obciążenia pierwotnego) osiadanie będzie miało taką samą krzywą jak przy obciążeniu pierwotnym (1).

Wielkościami charakteryzującymi ściśliwość gruntu są edometryczne moduły ściśliwości pierwotnej M₀ oraz wtórnej M; moduły pierwotnego odkształcenia gruntu E₀ i moduły wtórnego odkształcenia gruntu E oraz moduł podatności gruntu E_s.

Edometryczny moduł ściśliwości

Edometryczne moduły ściśliwości określa się w warunkach niemożliwej bocznej rozszerzalności próbki gruntu (jednoosiowy stan odkształcenia przy przestrzennym naprężenia)

1. edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej M₀ – stosunek przyrostu efektywnego naprężenia normalnego do przyrostu całkowitego odkształcenia względnego

M₀ = dσ’ / dε₀

1. edometryczny moduł ściśliwości wtórnej (sprężystej) M – stosunek przyrostu efektywnego naprężenia normalnego do przyrostu względnego przeważająco sprężystego odkształcenia

M = dσ’ / dε

Wartości tych wielkości uzyskuje się na podstawie badań w edometrze.

Moduł odkształcenia i moduł odprężenia

Moduły odkształcenia i moduły odprężenia wyznacza się w warunkach możliwej bocznej rozszerzalności gruntu (jednoosiowy stan naprężenia)

1. moduł pierwotnego odkształcenia gruntu E₀ – stosunek przyrostu efektywnego naprężenia normalnego do przyrostu całkowitego odkształcenia względnego

E₀ = dσ’ / dε₀

1. moduł wtórnego (sprężystego) odkształcenia gruntu E - stosunek przyrostu efektywnego naprężenia normalnego do przyrostu względnego przeważająco sprężystego odkształcenia

E = dσ’ / dε

Wytrzymałość gruntów na ścinanie

Ścinanie w gruncie polega na przesunięciu (poślizgu) jednej części ośrodka gruntowego w stosunku do pozostałej. Warunkiem powstania poślizgu wzdłuż określonej powierzchni jest przekroczenie oporu gruntu przez składową styczną (ścinającą) naprężenia.

Wytrzymałością na ścinanie nazywamy więc największy (graniczny) opór, jaki stawia grunt składowym stycznym (ścinającym) naprężenia.

Ścinaniu przeciwdziałają takie cechy gruntów jak opór tarcia wewnętrznego (związany z kątem tarcia wewnętrznego) oraz spójność gruntów spoistych.

1. Kąt tarcia wewnętrznego

Podczas ścinania gruntów w strefie poślizgu występuje tarcie (posuwiste, potoczyste, opory struktury), którego opory nazywamy oporami tarcia wewnętrznego (zależne od kąta tarcia). Na wartość kąta tarcia wew. wpływ mają m.in. skład mineralny gruntu, wielkość ziarn, stopień zagęszczenia, wilgotność, wstępne obciążenie gruntu

1. Spójność

W gruntach spoistych oprócz kąta tarcia wew. występuje również spójność, czyli opór gruntu stawiany siłom zewnętrznym, wywołany wzajemnym przyciąganiem cząstek gruntu. Spójność spowodowana jest ścisłym, wzajemnym przyleganiem ziarn i cząstek. Spójność maleje wraz ze wzrostem średnicy ziarn oraz wzrostem wilgotności.

Badanie wytrzymałości gruntu na ścinanie przeprowadza się w aparacie bezpośredniego ścinania (skrzynkowym) oraz aparacie trójosiowego ściskania.

1. Aparat bezpośredniego ścinania

Aparat składa się z metalowej skrzynki prostopadłościennej podzielonej poziomo na dwie części: dolna jest nieruchoma, a górna może być przesuwana poziomo względem dolnej. Próbka gruntu umieszczana jest w skrzynce między dwoma filtrami i obciążana siłą pionową. Ścinanie następuje na skutek przesunięcia górnej części skrzynki, do której przykładana jest siła pozioma T. Wartość siły poziomej, przy której nastąpiło ścięcie, podzielona przez pole przekroju ścięcia próbki F jest wytrzymałością gruntu na ścinanie przy danym nacisku pionowym. Po oznaczeniu na kilku próbkach można wyznaczyć liniowy wykres wytrzymałości na ścinanie w zależności od składowej normalnej naprężeń.

1. Aparat trójosiowego ściskania

Próbkę o kształcie walca (h:d = 2:1) uszczelnioną gumową osłonką umieszcza się w szczelnej komorze ciśnieniowej wypełnionej wodą. Pod wpływem wszechstronnego ciśnienia wody powstają w próbce naprężenia główne (poziome i pionowe) σ1=σ2=σ3 równe co do wartości ciśnieniu wody w komorze. Większe naprężenie główne σ1 uzyskuje się obciążając próbkę pionowym tłokiem. Ścięcie próbki przeprowadza się przy stałym ciśnieniu wody, zwiększając obciążenie pionowe. Wartość siły przy której nastąpiło ścięcie Qmax odczytuje się z czujnika.

Naprężenie główne ma wartość:

σ1 = σ3 + Qmax / F F-przekrój próbki

Kąt tarcia wewnętrznego i spójność wyznacza się graficznie za pomocą konstrukcji kół składowych naprężeń Mohra.

5. Nośność i odkształcalność podłoża gruntowego

Nośnością gruntu nazywa się obciążenie, przy którym nie następuje wypieranie gruntu spod fundamentu, a osiadanie poszczególnych części obiektu budowlanego nie wywołuje w konstrukcji dodatkowych sił wewnętrznych, które spowodowałyby jej uszkodzenie lub pogorszenie właściwości użytkowej.

Nośność gruntu zależy od jego rodzaju, układu warstw, stopnia zagęszczenia lub stopnia plastyczności, jak również od wymiarów, kształtu i głębokości posadowienia fundamentów. Największą nośność wykazują skały lite, dużą nośność mają także grunty jednorodne. Im większy stopień zagęszczenia tym większa nośność gruntów niespoistych, w przypadku spoistych im mniejsza plastyczność, tym większa nośność. Za grunty nienośne uznaje się namuły i torfy, świeżo osadzone grunty pylaste, grunty spoiste o konsystencji miękkoplastycznej i płynnej a także grunty niespoiste w stanie bardzo luźnym.

Odkształcalność najłatwiej zobrazować na przykładzie stopniowo obciążanego bloku fundamentowego, podczas którego jednocześnie prowadzony jest pomiar osiadań fundamentu i odkształceń terenu obok niego w punkcie A.

W I fazie (a,b) przyrost osiadania fundamentu i terenu w punkcie A jest wprost proporcjonalny do przyrostu obciążenia w gruncie. W fazie II (c) obserwuje się zwiększenie przyrostu osiadania fundamentu i podnoszenie się terenu obok fundamentu. Po przekroczeniu granicznego obciążenia q_f, fundament zagłębia się bez zwiększenia obciążenia przy jednoczesnym wypieraniu gruntu i znacznej przechyłce fundamentu (d).

W fazie I fundament osiada jedynie wskutek ściśliwości gruntu. W przypadku fundamentów sztywnych, pod ich krawędziami (wzdłuż obwodu na bardzo wąskiej powierzchni) występują nieskończenie wielkie naprężenia nawet przy nieznacznych obciążeniach, jednak obszar gruntu objęty uplastycznieniem jest tak mały, że w początkowym okresie obciążenia, uplastycznienie to nie odgrywa większej roli. W II fazie strefy uplastycznienia występują dookoła krawędzi fundamentu i zachodzą częściowo pod fundament, osiadanie zależy nie tylko od ściśliwości gruntu, ale i wypierania gruntu spod fundamentu. W fazie III uplastycznienia gruntu zachodzą całkowicie pod fundament, podłoże gruntowe jest w równowadze granicznej. Przy niewielkim wzroście obciążenia nastąpi wypieranie gruntu spod fundamentu wzdłuż powierzchni poślizgu. Podłoże gruntowe traci całkowicie wytrzymałość. Osiadanie i przechyłka występują prawie wyłącznie wskutek wypierania gruntu spod fundamentu.

Odkształcenia gruntu nie występują natychmiast po przyłożeniu obciążenia, lecz narastają stopniowo, osiągając wartości ostateczne po upływie odpowiedniego czasu. Naciski, działające bezpośrednio po obciążeniu gruntu, są przenoszone częściowo lub całkowicie przez wodę znajdującą się w porach gruntu. Wzrasta ciśnienie wody w porach, następnie woda jest z nich wypierana. Zjawisko odkształceń gruntu zachodzących w wyniku wypierania wody z porów nosi nazwę konsolidacji.

6. Przepływ wody w podłożu gruntowym oraz jego wpływ na właściwości gruntów

Woda w gruncie może występować w gazowym, płynnym i stałym stanie skupienia. Przyjmuje się, że w podłożu gruntowym występuje woda:

- jako para wodna

- związana jako woda higroskopijna i błonkowata (silnie i słabo związana)

- kapilarna (włoskowata)

- wolna

- krystalizacyjna i chemicznie związana

- jako lód

Woda w podłożu gruntowym wpływa w znacznym stopniu na jego zachowanie się pod obciążeniem oraz powoduje zmianę wł. fizycznych i mechanicznych.

Woda higroskopijna – tworzy powłokę przylegającą do ziarna, jest z nim silnie związana, nie ulega sile przyciągania ziemskiego i nie przekazuje ciśn. hydrostatycznego. Ma większą gęstość od wody wolnej co nadaje jej cechy ciała stałego.

Woda błonkowata – tworzy drugą otoczkę wodną ziarna, jest z nim luźniej związana, w miarę oddalania się od pow. ziarna właściwości w. błonkowatej zbliżają się do w. ciekłej.

Woda kapilarna – woda wypełniająca w gruncie pory połączone ze sobą kanalikami (kapilarami), podnosi się powyżej zwierciadła wody wolnej w gruncie. Wysokość podciągania zależy od uziarnienia gruntu (większa średnica - mniejsze podciąganie). Nie wywołuje ciśnienia hydrostatycznego.

Woda krystalizacyjna i związana chemicznie – nie ma istotnego znaczenia w praktyce inż.

Woda w postaci pary wodnej – wywiera wpływ na ciśnienie wody w porach gruntu i na wartość naprężeń efektywnych w gruncie

Woda w stanie stałym – ma istotne znaczenie na przemieszczanie się wody w gruncie i na właściwości gruntu (np. wysadziny, przełomy na drogach)

Woda wolna – swobodnie wypełnia pory w gruncie, całkowicie podlega działaniu siły ciężkości i wywołuje cieśn.. hydrostatyczne na grunt.

Wody podziemne możemy podzielić na dwie strefy – aeracji i saturacji. Strefa aeracji występuje między pow. terenu a zwierciadłem wody gruntowej – pory gruntowe wypełnione są powietrzem a woda występuje w różnych postaciach. Strefa saturacji występuje poniżej zwg – w strefie tej przestrzenie między ziarnami i pory gruntowe wypełnia woda wolna.

Ruch wody w gruncie

Ruch wody w naturalnych warunkach spowodowany jest siłami grawitacji, dążącymi do wyrównania poziomów wody w kanalikach gruntu utworzonych przez pory. Ruch wody nastąpi więc jeżeli między dwoma punktami występuje różnica wysokości.

Filtracja

Przepływ wody w gruncie zwany filtracją zależy od uziarnienia, struktury i porowatości gruntu oraz od temperatury i lepkości wody. Im drobniejsze uziarnienie tym większe są opory ruchu. Miarą filtracji jest współczynnik filtracji k (stała Darcy’ego) – prędkość przepływu wody przy spadku hydraulicznym równym jedności. Stała jest wart. char. dla każdego gruntu i zależy od czynników podanych wyżej.

Przepływ w gruntach spoistych nie przebiega zgodnie z prawem Darcy’ego. Filtracja wody w gr. spoistych występuje dopiero po przekroczeniu początkowego spadku hydraulicznego. Przy małych spadkach hydr. Przez próbkę nie przepływa woda – ruch wody rozpoczyna się dopiero po wystąpieniu początkowego spadku.

Mechaniczne działanie wody na szkielet gruntowy

1. Wypór w gruncie

Na szkielet gruntowy znajdujący się poniżej zwg działa wypór wody (zgodnie z prawem Archimedesa), jest więc on pozornie lżejszy i wywiera mniejszy nacisk na warstwę leżącą niżej niż szkielet gruntowy leżący powyżej zwg. Pozorny ciężar objętościowy jest mniejszy niż rzeczywisty ciężar objętościowy gruntu

1. Zjawiska w gruncie wywołane filtracją

   1. Wpływ ciśnienia spływowego na ciężar obj. gruntu

Jeżeli występuje przepływ wody przez grunt to obliczając pozorny ciężar obj. szkieletu gruntowego pod wodą należy uwzględniać ciśn. spływowe

1. Krytyczny spadek hydrauliczny

W gruntach uwarstwionych o znacznych różnicach wsp. filtracji pionowe ciśn. spływowe prawie w całości przekazuje się na mniej przepuszczalny grunt. Jeżeli przepływ występuje z dołu do góry to pozorny c. obj. może osiągnąć wartość = 0. Ciśnienie skierowane do góry ma destrukcyjny wpływ na grunt. Przy krytycznym spadku hydr. następuje upłynnienie niespoistych gruntów drobnoziarnistych i gruntów mało spoistych. Grunt traci wówczas cechy ciała stałego i przechodzi w stan płynny. Zjawisko to nazywa się kurzawką.

1. Wyparcie gruntu

Zjawisko przesunięcia pewnej objętości gruntu. Wyparta masa powiększa swoją objętość, a więc i porowatość. Może występować w kierunku pionowym a także poziomym, czasem także w dół. Występuje razem z przebiciem i sufozją.

1. Przebicie hydrauliczne

Zjawisko tworzenia się kanału w masie gruntowej, wypełnionego gruntem o naruszonej strukturze, łączącego miejsca o wyższym i niższym ciśnieniu w porach. Na powierzchni widoczne jest w postaci źródła.

1. Sufozja

Zjawisko polegające na unoszeniu przez filtrującą wodę drobnych cząstek gruntu. Cząstki mogą być przesunięte w inne miejsce lub wyniesione poza obręb gruntu. W wyniku tego zjawiska powstawać mogą kawerny lub kanały. Sufozja występuje gdy przekroczony jest krytyczny spadek hydrauliczny.