Mechanika Gruntów

Opracowane zagadnienia

1.Wymienić podstawowe zadania mechaniki gruntów:

Mechanika gruntów to dział wiedzy inżynierskiej zajmujący się warunkami równowagi oraz odkształceniem zachodzącym w wyniku działania sił w ośrodkach skalnych, okruchowych rozdrobnionych. Jej podstawowe zadanie to danie konstruktorowi możliwości oceny zjawisk wywołanych w podłożu wprowadzeniem sztywnego obiektu i pomóc w odpowiedzi na pytanie czy wznosząc obiekt nie zakłócimy panującej równowagi w danym terenie lub nie ujawnią się czynne procesy geologiczne.

2.Jakie są szczególne zadania geotechniki:

Geotechnika jest interdyscyplinarną dziedziną nauki, którą tworzą:

-gruntoznawstwo inżynierskie -mechanika gruntów i fundamentowanie

-geologia     -teoria sprężystości i plastyczności

Podstawową nauką geotechniki jest mechanika gruntów – nauka o fizycznych właściwościach ośrodka gruntowego oraz o stanie naprężeń i odkształceń podłoża gruntowego pod wpływem działających obciążeń.

Zadania geotechniki:

-ustalenie warunków gruntowo- wodnych terenu budowy

-wyznaczenie dopuszczalnych obciążeń podłoża i wymiarowanie fundamentów lub nawierzchni drogowych

-zabezpieczenie stabilności budowy

-właściwe wykonawstwo robót fundamentowych i ziemnych

3.Co rozumiemy przez termin „grunt budowlany”?

Grunty budowlane nazywamy tworzywo zewnętrznych warstw skorupy ziemskiej, znajdujące się w zasięgu wpływu obciążeń nowo wznoszonych budowli lub używane jako materiał do budowli ziemnych. Dzielimy je na skały oraz grunty mineralne i organiczne , rodzime i nasypowe.

4.Podać fazy budujące grunty:

-faza gazowa- powietrze gruntowe z domieszką innych gazów

-faza ciekła- roztwór porowy (woda zawierająca rozpuszczone sole)

-faza stała – okruchy skalne, a w określonych warunkach H20 w postaci lodu

6.Wymienić główne minerały budujące fazę stałą gruntu:

Pierwotne (około 92%): kwarc, mika, hornblenda, pirokseny, kalcyt.

Z nich tworzą się minerały wtórne – ilaste. Maja one bardzo małe wymiary i tworzą cząstki. Grube frakcje w postaci ziarn >0,05 mm, mimo różnego składu mineralogicznego, mają zbliżone właściwości fizyczne i mechaniczne. Nie wykazują zależności właściwości fizycznych i mechanicznych od składu mineralogicznego . Również skład mineralny nie wpływa na strukturę gruntu. Odmienne zjawisko zachodzi przy minerałach wtórnych, występujących w postaci cząstek.

9.Co to jest powierzchnia graniczna cząstek gruntowych?

Powierzchnia graniczna między fazą stalą a ciekłą jest miejscem występowania wielu zjawisk natury fizykochemicznej, jak adsorpcja wody błonkowej, wymiana jonów, potencjał elektrokinetyczny, pojemność wymienna, korozja. Zjawiska te w istotny sposób kształtują jakość i pracę gruntu, decydują o strukturze, ściśliwości i wytrzymałości gruntu. Intensywność tych zjawisk zależy od składu mineralogicznego i jest różna dla różnych gruntów.

10.Wymienić rodzaje wody w gruncie:

Woda w gruncie występuje w postaci:

-wody błonkowej, przywartej na powierzchni cząsteczek gruntowych

-wody kapilarnej, utrzymywanej siłami napięcia powierzchniowego w porach gruntu ponad zwierciadłem wody wolnej.            -wody wolnej

Na wodę błonkową działają tak duże siły przyciągania, ze ulega ona sile przyciągania ziemskiego.Woda wolna całkowicie ulega sile ciężkości i zajmuje możliwie najniższe położenie w porach gruntów przepuszczalnych (w. gruntową). Woda kapilarna opada w dół, gdy jej ciężar przewyższy kapilarne siły napięcia powierzchniowego.

11.Opisać warstwę dyfuzyjną:

Każda cząstka gruntowa otoczona jest nie tylko molekułami wody, lecz kationami lub anionami uwodnionymi, które równoważą elektrostatycznie aniony lub kationy, utwierdzone na powierzchni wody gruntowej. Najczęściej na powierzchniach bacznych cząstek gruntowych są utwierdzone aniony, a na krawędziach kationy. Dookoła każdej cząstki występuje warstwa dyfuzyjna (z absorbowanych uwodnionych kationów lub anionów). Warstwa jonów utwierdzonych na powierzchni i warstwa dyfuzyjna tworzą łącznie tzw. warstwę podwoją.

12.Jakie właściwości nadaje gruntom woda kapilarna.

Woda włoskowata wypełnia kanaliki istniejące w gruncie, podnosząc się samoistnie powyżej zwierciadła wody gruntowej wskutek działania sił molekularnych wody związanej i otaczającej cząstki gruntu na molekuły wody wolnej, wskutek czego wytwarzają się meniski. Występują tu zjawiska:

-adhezji (woda -> ścianki szkieletu)

-napięcia powierzchniowego wody

Wpływ wody kapilarnej na podłoże budowlane przejawia się w postaci dodatkowego obciążenia szkieletu gruntowego. Przyczynia się także do dodatkowego zagęszczenia gruntu i powoduje występowanie dodatkowych sił wiążących ziarna szkieletu. Na podstawie wielkości kapilarności ustala się kryteria wysadzinowości gruntu.

13.W jakiej strefie gruntu występuje woda w postaci lodu?

Występuje w temperaturze <0 C . Zamarzanie wody w gruncie nazywane jest zamarzaniem gruntu. W gruncie zamarza woda w postacie wolnej. Lód występuje wyłącznie w strefie przemarzania gruntu.

14.Co to jest struktura gruntu?

Strukturą gruntu nazywamy wzajemny układ ziarn i cząstek gruntowych, tworzących szkielet gruntowy. Zależy on od jakości i wymiarów cząstek oraz od warunków powstawanie gruntu. Rozróżnia się 3 typowe struktury:

-ziarnista – piaski, zwiry            -komórkowa- grunty ilaste

-kałczukową-grunty ilaste z cząstek opadających w H2O z rozpuszczalną solą

15.Zdefiniować tiksotropię gruntów i jej praktyczne zastosowanie:

Tiksotropią nazywamy zjawisko przechodzenia  żelu w zol (płynną zawiesinę) i odwrotnie, wskutek wyłącznie mechanicznych oddziaływań. Właściwości tiksotropowe mają grunty o wymiarze koloidów d<0,0002 mm , głównie montmoryllionit (bentonit).

Jest to izotermiczne i odwracalne zwiększenie się wytrzymałości gruntu przerobionego w miarę upływu czasu po przerobieniu. Zastosowanie praktyczne: użycie zawiesiny tiksotropowej w ściankach szczelinowych.

16. Wymienić właściwości fizycz. gruntów istotne z punktu widzenia inż

-Uziarnienie- zawartość poszczególnych frakcji (%), oznaczone przy pomocy metody sitowej lub sitowo - areometrycznej

-Wilgotność W=MwMd∙100% (masa wody do szkieletu)

-Ciężar objętościowy γ=ϑ∙g[Knm3]  szkieletu: δd=Q∙100W+100 [%]

-Stan gruntu: -luźny-0<ID<0,33 (ln),-śr. Zagęszczony – 0,33<ID<0,67 (szg)         

-zagęszczony – 0,67 <ID< 0,8 (zg)   -b. zagęszczony – 0,8 <ID< 1 (bzg)

gdzie ID- stopień zagęszczenia     ID=emax-eemax-emin (e-wskaźnik porowatości)

-Kapilarność       -Wodoprzepuszczalność

-Wskaźniki umowne:  - wskaźnik porowatości  e=VpVs                                           -wskaźnik plastyczności Ipl=WL=Wp    -wskaźnik zagęszczenia

17.Zdefiniować wskaźnik U (uziarnienia gruntu)

Wskaźnikiem uziarnienia gruntu nazywamy stosunek średnicy d60 do d10 . Wartość U określa stopień różnoziarnistości gruntu:

-U<5 – grunt równoziarnisty    -6<U<15 – grunt różnoziarnisty 

-U>15 – grunt bardzo różnoziarnisty

18. Co nazywamy wilgotnością optymalną

Wilgotnością optymalną nazywamy wilgotność przy której uzyskuje się maksymalną gęstość objętościową. Jest to wilgotność przy której ubijając grunt uzyskuje się max gęstość objętościową.

20.Co to jest porowatość i wskaźnik porowatośći?

-porowatość (n)- stosun. objętości porów do objętości całego gruntu n=VpV

-wskaźnik porowatości (e) - stosunek objętości porów do objętości cząstek gruntu (szkieletu) e=VpVs=n1-n

21.Zdefiniować stopień zagęszczenia i wskaźnik zagęszczenia

-stopień zagęszczenia – stosunek zagęszczenia istniejącego w naturze do maksymalnego możliwego zagęszczenia gruntu:  ID=Vmax-VVmax-Vmin=emax-eemax-emin

23.Co to jest stopień plastyczności

Jest to stosunek różnicy wilgotności naturalnej danego gruntu i granicy plastyczności do różnicy granicy płynności i plastycznościIL=Wn-WpWl-Wp

24.Co nazywamy wskaźnikiem aktywności koloidalnej

Jest to liczba niemianowana, przyjmowana jako A=1, z wyjątkiem glin pokrywowych i lessów, gdzie A=0,5-0,7, oraz iłówmontmorillonitowych –A>1,5 A=Ipfi (fi-zawartość frakcji iłowej)

25.Zdefiniować stopień wilgotności

Określa on stopień wypełnienia porów gruntu wodą  Sr=VwVp=Wnρs100eρw

 

 

 

26.Wymienić stany zawilgocenia gruntu:

Stany zawilgocenia określają w jakim stopniu pory w gruncie wypełnione są wodą:  Sr=0 – grunt suchy (s) , Sr=0-0,4 – grunt mało wilgotny (MW), Sr=0,4-0,8 – gr. Wilgotny, Sr=0,8-1 – grunt mokry

Sr wpływa na spójność, kąt tarcia wewnętrznego i ściśliwość

27.Podać prawo Darcy dla przepływu wody w gruncie:

Przepływ wody w gruncie jest wprost proporcjonalny do wielkości spadku hydraulicznego i zależy jedynie od rodzaju gruntu (uziarnienie, porowatość) oraz od lepkości wody. V=k∙i (k- spadek hydrauliczny 10-1-10-12m/s ,i –współczynnik filtracji ∆hl) V>Vkr  (Vkr=Re∙ngD*γ - ruch burzliwy)

28.Podać rzeczywistą prędkość przepływu wody w gruncie (pr. Darcy)

Rzeczywista prędkość przepływu wody w gruntach będzie większa, gdyż należy ją odnieść do powierzchni porów.

Powierzchnia rzeczywista Fr=F∙1+ee , stąd Vr=V∙1+ee

29.Od jakich własności gruntu zależy współczynnik filtracji?

Współczynnik filtracji k zdefiniowany jest jako prędkość przepływu wody przy spadku hydraulicznym równym 1. Jest on charakterystyczny dla danego ośrodka gruntowego, tj nie zależy od ‘’i’’, natomiast zależy od porowatości gruntu, jego uziarnienia, oraz od temperatury przepływanej wody. k=Cd102 - współczynnik doświadczalny

31.Jakie warunki muszą być spełnione, aby nastąpił stan upłynnienia gruntu?    Jest to taki stan gruntu, w którym przy przepływie wody wytrzymałość gruntu na ścinanie wynosi zero, wobec nie występowania naprężeń efektywnych.

-warunek „i” koniecznego : ikr=γ'γwody=1

-stan kurzawki (upłynnienie gruntu) odnosi się do stanu gruntu a nie materiału (grunt zachowuje się jak woda)

Muszą wystąpić 2 czynniki aby nastąpiło upłynnienie:

-wytrzymałość na ścinanie musi być proporcjonalna do naprężeń efektywnych

-wartość tego naprężenia w chwili upłynnienia =0

32.Które grunty przejmują ciśnienia spływowe w układzie warstw o zróżnicowanej wartości k.

Ciśnienie spływowe- siła wewnętrzna , dążąca do przesunięcia szkieletu gruntowego , występująca pomiędzy fazami gruntu.

33.Wymienić fazy współpracy fundamentu z podłożem gruntowym

1 Faza – osiadanie proporcjonalne do obciążenia (wskutek ściśliwości gruntu)

2 Faza – przyrost osiadań związany z powstaniem stref uplastycznień. Występuje coraz większy wpływ obszarów stanu granicznego gruntu pod krawędziami fundamentu

3 Faza – osiągniecie Qgr Osiadanie i przechyłka fundamentu występują prawie wyłącznie wskutek wypierania gruntu spod fundamentu. Osiadanie występuje z 2 przyczyn: osiadania właściwego, osiadania wskutek uplastycznienia

34.Scharakteryzuj  1 fazę współpracy fundamentu z podłożem gruntowym.    Charakteryzuje się liniową zależnością pomiędzy przyrostem obciążeń a osiadaniem. W tej fazie występują przemieszczenia cząstek gruntu w kierunku pionowym, powodujące wzrost naprężenia. Grunt zachowuje się jak ośrodek sprężysty.

35. Zjawiska zachodzące w 2 fazie współpracy fundament z podłożem:

Jest to faza sprężysto – plastyczna . W pewnych punktach podłoża następuje przekroczenie wytrzymałości an ścinanie połączone z poziomymi przemieszczeniami cząstek gruntu i powstaniem obszarów plastycznych. Rozkład naprężeń jest nierównomierny i koncentruje się pod osią

37.Opisz fazę graniczną:

Jest to faza wypierania (3 faza). W tej fazie podłoże jest uplastycznione pod całym fundamentem i następuje wypieranie

Gruntu spod fundamentu oraz przechylenie. W tej fazie traktujemy grunt jako ośrodek plastyczny. Obciążenie na granicy 1 i 2 fazy bo obciążenie graniczne  model Treski i Saint-Venant’a.

38.Co to jest ściśliwość gruntu?

Jest to zdolność gruntu do zmniejszania objętości pod wpływem przyłożonego obciążenia. Miarą ściśliwości jest moduł ściśliwości.Ściśliwość charakteryzuje związek pomiędzy obciążeniem a odkształceniem z 1 fazie obciążenia.  Badanie ściśliwości w enometrze, który odwzorowuje trójosiowy stan naprężeń i jednoosiowy stan odkształceń.

Badania ściśliwości ogólnej w aparacie trójosiowego ściskania, stwarzający warunki przestrzennego stanu naprężeń i odkształceń.

39.Co to jest współczynnik rozporu Ko?

Przy obciążanie próbki bez osłony bocznej, nastąpiłoby jej boczne rozszerzenie, zwiększające odkształcenia pionowe w kierunku działającego obciążenia. W tej sytuacji : E0=∆G'h0'∆h'<Mo

Ko określa zależność pomiędzy Eo i Mo. Odpowiada warunkom pierwotnego obciążenia gruntu. Ko=υ1-υ

Dla gruntów prekonsolidowanych Ko jest większe niż dla gruntów normalnie konsolidowany i zależą od stosunku Ko=f(GprekonsGz) => (2 – 3)

41.Określić grunty ekspensywne i zapadowe:

a)zapadowe – są to grunty spoiste o luźnym ułożeniu cząstek, mogące po zamoczeniu wykazywać znaczne dodatkowe osiadanie (osiadanie zapadowe). Współczynnik zapadowości izp=h-h'h0

b)ekspansywne – grunty zdolne do zwiększania swojej objętości pod wpływem wody. Charakteryzuje je wskaźnik pęcznienia:Ipc=∆hphp

43.Jakie wartości osiąga Ko dla gruntów prekonsolidowanych:

Ko=f(GprekonsGz) => (2 – 3)

44.Opisać ściśliwość gruntów makroporowatych

Ściśliwość to zmniejszanie objętości pod wpływem działającego naprężenia.  Lessy to grunty mikroporowate, wykazujące tzwosiadanie zapadowe – przyrost osiadań po zamoczeniu. Współczynnik zapadowości: izp=h-h'h0

-grunty mikroporowate o strukturze trwałej: izp<0,01

-grunty mikroporowate o strukturze nietrwałej (zapadowej): izp>0,01

45. Co to jest pęcznienie gruntów?

Pęcznienie jest to proces zwiększania objętości pod wpływem wody.

46.Scharakteryzujparametry pęcznienie gruntów Jest to ciśnienie , jakie wykazuje próbka gruntu po zalaniu wodą w warunkach uniemożliwionego jej odkształcenia. Jest to nacisk zapewniający ∆hp=0

47.Co to jest wytrzymałość gruntu na ścinanie?

Wytrzymałość gruntu na ścinanie nazywamy taki opór, jaki stawia grunt naprężeniom stycznym w rozpatrywanym punkcie ośrodka. Po pokonaniu oporu ścinania następuje poślizg. Poślizg może być jedno-powierzchniowy lub strefowy.

Warunek poślizgu: τ=|τf| , ze wzoru Columba τf=Gtg∅+C

48.Scharakteryzuj opór właściwy tarcia wewnętrznego

Jest to opór tarcia, jaki stawia grunt po zakończeniu konsolidacji, a więc przy określonym stopniu porowatość ek i przy określonym konsolidacyjnym naprężeniu efektywnym Gk’. Zależy od wymiarów ziarn...