1. Co nazywamy gruntem budowlanym? 

Nazywamy nim tworzywo zewnętrznych warstw skorupy ziemskiej, które jest w zasięgu wpływu obciążeń budowli lub którego używamy do budowy obiektów inżynierskich. Czasem w podłożu są lite skały. Grunty są ośrodkiem rozdrobnionym składającym się ze zwietrzałych cząstek skalnych lub z niezwietrzanych okruchów skalnych.

2.       Jakie są zasadnicze różnice między gruntami niespoistymi a gruntami spoistymi i dlaczego? 

Wymiary i kszt. ziaren gruntu są istotne dla jego cech. Z tego wzgl. podzielono grunty na niespoiste i spoiste. Niesp. składają się z ziaren powstałych z fizycznego i mechanicznego rozpadu skał, przede wszystkim kwarcu i krzemionki. Ziarna mają kszt. zwarty – bryłowaty, a krawędzie ostre lub obtoczone. Ziarna tworzą luźny zbiór, niepowiązany praktycznie żadnymi siłami ze sobą. Zależnie od wielkości ziaren grunty noszą różne nazwy.

Drobniejsze ziarna stanowią pył, na którego skład prócz kwarcu składają się też skalenie. Kszt.. cząstek pyłu są różne i są to grunty o właściwościach pośr. między niesp. a spoistymi.

Grunty spoiste są wytworem wietrzenia chemicznego przeważnie skaleni i mik. Kszt. cząstek są przeważnie blaszkowate. W budowie gruntu między cząsteczkami wyst. nieraz znaczne siły wzajemnego przyciągania, rosnące wraz z wysychaniem gruntu. Dają one przy ścinaniu i rozciąganiu gruntu opór zwany spójnością.

Różnica budowy gruntów niesp. i spoistych powoduje różnice w ich właściwościach. Oto niektóre z nich:

- W budowie ziarnistej ( niespoiste) wolne przestrzenie (pory) dochodzą najwyżej do 50% obj. gruntu, zaś w spoistych nawet do 90%.

- Zawilgocenie w gr. niesp. może dochodzić do ich wypełnienia bez zmiany obj. gruntu; zaś grunt spoisty może zmienić obj. o wartość 9-krotnie i więcej. Zatem pęcznieją, a przy wysychaniu mają skurcz.

- Grunty niesp. są sztywniejsze, nie wykazują większych odkształceń od nacisków, zaś spoiste ulegają odkształceniu przez odkształcenia samych cząstek jak i przez zagęszczenie ich układu.

- Niesp. łatwo przepuszczają wodę, uważa się je za nieprzepuszczalne.

W gruntach spoistych pow. właściwa jest b. wielka i zachowanie tych gruntów znacznie różni się od niesp..

Odrębną grupę stanowią grunty organiczne, które w zasadzie nie nadają się do posadawiania na nich budowli. Rozpoznać je można po ciemnoszarej lub czarnej barwie, specyficznym zapachu, lepkości i widocznych gnijących cząstkach organicznych. Mają dużą odkształcalność.Należą do nich:

- ziemia roślinna,

- torf (masa włóknista z obumarłych resztek roślin),

- namuł (grunt pylasty z domieszkami roślinnymi lub zwierzęcymi)

Grunty nasypowe niesp. nadają się pod zabudowę na tyle na ile są zagęszczone; spoiste nie, ze wzgl. na długotrwały proces zagęszczania.

3.       Co to jest powierzchnia graniczna gruntu? 

Jest to pow. kontaktu pomiędzy fazą stałą(cząstkami) i fazą ciekłą(wodą lub roztworem różnych związków chemicznych).

4.       Co to jest krzywa uziarnienia i do czego ona służy? 

Krzywa uz. jest utworzona poprzez naniesione na wykres wyniki (masy poszcz. frakcji) z wykonanych wcześniej badań tkj. analiza sitowa, sedymentacyjna, areometryczna, spektrofotometryczna; jest to charakterystyka uziarnienia badanej partii materiału, służy do określania rodzajów gruntu.

5.       Co to jest trójkąt Fereta, do czego służy i jak się nim posługujemy? 

Wiedząc jaki jest udział poszcz. frakcji, można określić rodzaj gruntu. Służy do tego specjalny wykres- tr. Fereta. Każdemu z boków tego trójkąta przypisano jedną z frakcji: piaskową, pyłową i iłową, a wewnątrz wyznaczono obszary odpowiadające różnym gruntom. Na boki trójkąta nanosi się wartości procentowych udziałów frakcji zredukowanych badanego gruntu, a pkt przecięcia linii wyznacza jego rodzaj.

6.       Co to jest gęstość właściwa szkieletu gruntowego, a co gęstość objętościowa gruntu? 

Gęstość właściwa szkieletu gruntowego ρ _s

Jest to stos. masy szkieletu gruntowego (m_s) do jej obj. (V_s). ρ _s = m_s/V_s można też napisać ρ _s =m_d/V_d

Gęstość tą oznacza się za pomocą pikometru. Grunt musi być wysuszony i sproszkowany (25 do 50 g). Gęstość wylicza się ze wzoru:

ρ _s = (m_g – m_t) ρ _w/[m_wt + (m_g – m_t) – m_wg ,

gdzie: m_g – masa pikometru i wysuszonego gruntu,

m_wt – masa pikometru napełnionego do kreski wodą destylowaną przy temperaturze, w której oznaczono m_wg ,

m_wg – masa pikometru z gruntem i wodą do kreski,

m_t – masa wysuszonego pikometru,

ρ _w – gęstość właściwa wody.

Gęst. właściwa szk. gruntowego zależy od skł. mineralnego i wynosi od 1,4 do 3,2 g/cm^3. Dla gr. mineralnych jest ona w granicach od 2.65 do 2,78 g/cm³.

Gęstość objętościowa gruntu ρ 

To stos. masy próbki do jej obj. (łącznie z porami): ρ = m_s/V

Oznacza się np. przez ważenie w wodzie próbki oparafinowanej, w pierścieniu, dawniej w rtęci, grunty niespoiste przez pomiar objętości kalibrowanym piaskiem lub folią z wodą.

Gęstość jest zmienna, bo zależy od porowatości, wilgotności i gęstości właściwej szkieletu.

7.       Co to jest granica plastyczności i granica płynności gruntu spoistego? Jak znając te granice możemy ustalić wskaźniki plastyczności Ip? 

Granica płynności w_L

- to wilgotność gruntu między konsystencją płynną a plastyczną. Laboratoryjnie wyznacza się w aparacie Casagranego. W miseczce umieszczony grunt z bruzdą gdy łączy się w bruździe przy 25 uderzeniach miseczki o podstawę aparatu na długości 1 cm i wys. 1 mm.

Granica plastyczności w_p

To wilgotność na granicy między konsystencją zwartą a plastyczną. Ocenia się ,że taką wilgotność ma grunt, z którego rozwałkowana kulka o śr. 7 – 8 mm w wałeczek o śr. 3 mm zaczyna się kruszyć (pękać).

Wskaźnik plastyczności I_p

- to różnica wilgotności między granicą plastyczności i płynności. I_p = w_L - w_p

Wskaźnik ten mówi ile grunt wchłania wody (w % w stos. do masy szkieletu) by przejść ze stanu półzwartego w płynny. Wskaźnik ten charakteryzuje właściwości gruntu i charakteryzuje zawartość frakcji ilastych. Między wskaźnikiem plastyczności i zawartością frakcji iłowej tych samych gruntów istnieje zależność: A = I_p/f_i gdzie A – „aktywność koloidalna”;

f_i - zawartość frakcji iłowej gruntu w %.

Zależnie od aktywności koloidalnej grunty dzieli się na 4 grupy:

- nieaktywne A < 0,75

- przeciętnie aktywne 0,75 =< A < 1.25

- aktywne 1,25 =< A < 2

- bardzo aktywne A => 2

W Polsce A = około 1, gliny i lessy A = 0,5 do 0,7, a iły A > 1.5

8.       Dlaczego powstają wysadziny; jakie grunty uważamy za wysadzinowe i dlaczego? 

Pod granicą przemarzania tworzą się soczewki lodu, które powiększają się biorąc coraz nową wodę z podciągania kapilarnego. Poniżej gruntu przemarzniętego ilość wilgoci maleje, a w gruncie przemarzniętym rośnie. Bierze się to stąd, że molekuły wody kapilarnej uzupełniają ciągle siatkę krystaliczną lodu i potem one znowu przyciągają następne molekuły. Może to prowadzić do poważnych wysadzin.

Lód wypełnia pory tworząc w nich stałe ziarna, a woda błonkowata jest nadal niezamarznięta, zatem zmniejsza się przekrój porów, co powoduje wzrost siły podciągania włoskowatego. Proces ten trwa do czasu dopóki nie zamarznie woda błonkowata lub nie będzie możliwości podciągania wody kapilarnej. Tak może być, gdy jest nagły duży spadek temp., bo wtedy grunt nie nadąży podciągnąć wody i wysadziny prawie nie powstają. Okazuje się korzystne stworzenie warunków szybkiego działania mrozu. Najbardziej niekorzystne warunki są wtedy, gdy temp. waha się długo w pobliżu zera, a nadto gdy są w tym czasie opady deszczowe lub roztopy, a woda nie może wsiąknąć niżej, bo już jest lód w gruncie, który to uniemożliwia. Wtedy powstają największe wysadziny.

Grunty gruboziarniste praktycznie nie zawierają wody błonkowatej, dlatego tam woda w porach zamarza szybko i podciąganie włoskowate ustaje. Pozostała woda jest nawet wypychana ku dołowi, co zmniejsza wilgotność po zamarznięciu. Wysadziny są tam małe i równomierne. Im większe są cząstki, tym droga w kapilarach jest dłuższa.

Najlepsze warunki na podciąganie są w gruntach pylastych, w piaskach nie ma ich wcale, a w iłach są nieznaczne.

Grunty wysadzinowe to przede wszystkim drobnoziarniste, które maja wiele wody błonkowatej. Jej temp. zamarzania jest niższa niż 0⁰ C. W takich gruntach kryształy lodu nie mają możliwości rosnąć bez przeszkód.

Jest kilka znanych kryteriów gruntów wysadzinowych.

1)Casagrande zalicza do nich grunty bardzo różnoziarniste (U > 15), które zawierają więcej niż 3 % cząstek mniejszych od 0,02 mm oraz grunty równoziarniste (U < 5) mające > 10 % takich cząstek.

2)Kryterium Beskowa zawiera też wpływ pochodzenia gruntu, wielkość śr. d₅₀, zawartość cząstek o śr. mniejszej niż 0,062 mm i 0,125 mm, także kapilarność bierną przy wilgotności równej granicy płynności.

3)Z. Wiłun podaje 3 grupy gruntów:

A). niewysadzinowe gdy H_kb (kapilarna wysokość bierna) < 1,0 m. Zawierają one cząstek mniejszych niż 0,05 mm mniej niż 20 %, a cząstek mniejszych od 0,02 mm do 3 %. Są to żwiry, pospółki i piaski.

B). grunty wątpliwe o H_kb < 1,3 m. Cząstek jak wyżej od 20 do 30 % i od 3 do 10 %. Są to piaski bardzo drobne, pylaste i piaszczyste.

C). wysadzinowe o H_kb ponad 1,3 m, nie spełniające ww. warunków. Są to wszystkie grunty spoiste i namuły organiczne.

9.       Ile jest kategorii geotechnicznych posadowienia obiektów budowlanych i od czego one zależą? 

Ustalenie kategorii geologicznej

Kategoria geotechniczna, która warunkuje potem przyjęcie odpowiedniej metody obliczeń projektowych i badań kontrolnych, zależy od trudności warunków gruntowych i od rodzaju obiektu budowlanego. Kategorię tę ustala się z rozpoznania materiałów archiwalnych, wizji lokalnych i danych o obiekcie budowlanym. Na tej podstawie sporządza się program badań geotechnicznych. Kategoria w trakcie badań, projektowania i wykonania obiektu może ulegać zmianie. Może być też taka sytuacja, że poszczególne części obiektu są zakwalifikowane do różnych kategorii.

3 kategorie geotechniczne:.

1)kategoria obejmuje tylko małe i proste konstrukcje przy dobrych warunkach gruntowych. Wtedy stos. się tylko jakościowe badania geotechniczne. Do takich obiektów należą przykładowo budynki jedno- lub dwukondygnacyjne, przy obciążeniu na słupy do 250 kN, a na ściany do 100 kN/m, na fundamentach bezpośrednich, palowych lub studniach; ściany oporowe i zabezpieczenia wykopów przy różnicy poziomów do 2 m; płytkie wykopy powyżej zwierciadła wody gruntowej i nasypy do 3 m wys.

W takich przypadkach można pominąć ryzyko niestateczności i przemieszczenia podłoża i zastos. rutynowe metody projektowania i wyk. fundamentu.

2)kategoria obejmuje typowe rodzaje konstrukcji i fundamentów, przy których nie ma szczególnego ryzyka oraz przy braku trudnych warunków gruntowych i obciążeniowych. W dokumentacji podawane są dane geotechniczne i analizy spełniające wymogi bezpieczeństwa. Przy tej kategorii stos. się rutynowe metody badań terenowych i laboratoryjnych, takież projektowania i wykonawstwa.

Według podanych wyżej norm do tej kategorii zalicza się przykładowo nastepujące konstrukcje (lub ich częśći):

- standardowe konstrukcje posadowione bezpośr. (także na płytach),

- fundamenty palowe,

- ściany oporowe powyżej jak w 1. Kategorii i inne utrzymujące grunt lub wodę,

- wykopy (głębsze niż wspomniane wyżej),

- filary i przyczółki mostowe oraz nabrzeża,

- nasypy i budowle ziemne większe niż w 1. Kategorii,

- nawierzchnie lotnisk,

- kotwy w gruncie,

- tunele w twardych, niespękanych skałach, niewymagające specjalnej szczelności lub innych warunków.

3)kategoria geotechniczna obejmuje wszystkie te przypadki, które są pod wzgl. obiektu jak i warunków gruntowych trudniejsze niż z podane w 1. lub 2. kategorii.

Do tej kategorii zalicz się przykładowo:

- konstrukcje duże lub nietypowe (rzadko występujące), wrażliwe na osiadanie,

- konstrukcje narażone na ryzyko, w nietypowych lub trudnych warunkach gruntowych lub obciążeniowych,

- konstrukcje o nadzwyczajnym ryzyku nawet przy dobrych warunkach,

- na obszarach sejsmicznych,

- konstrukcje gdzie może wystąpić niestateczność terenu (osuwiska, szkody górnicze), gdzie wymagane są specjalne badania i zabiegi.

Do 3. kategorii zalicza się zatem między innymi:

- budynki wysokie i o bardzo dużych obciążeniach,

- z wielokondygnacyjnymi podziemiami,

- zapory i budowle w warunkach dużych różnic ciśnienia wody,

- przejścia komunikacyjne pod drogami o dużym natężeniu ruchu,

- duże mosty, wiadukty, estakady,

- fundamenty maszyn o znacznym obciążeniu dynamicznym,

- skomplikowane konstrukcje nabrzeżne,

- obiekty stosujące niebezpieczne substancje chemiczne,

- głębokie wykopy w pobliżu budowli,

- konstrukcje osłonowe reaktorów jądrowych

- tunele w miękkich i spękanych skałach, obciążone wodami naporowymi lub wymagające szczelności.

10.   Co to jest kurzawka i kiedy ona powstaje? 

Kurzawka – jest to drobnoziarnisty luźny osad, np. piasek lub muł wymieszany z wodą, o konsystencji galarety, słabo związany z gruntem.

Podczas prowadzenia robót górniczych kurzawka zachowuje się jak gęsta ciecz. Kurzawkę zwalcza się zamrażając grunt lub drenując. Spowodowana jest zaistnieniem krytycznego spadku hydraulicznego i niewystępowaniem naprężeń efektywnych w gruncie.

Wyróżnia się kurzawki:

-właściwe, pylaste, które nie mają tendencji do oddawania wody

-piaszczyste, w których przy zmniejszaniu się prędkości przepływu wody następuje oddzielenie ziaren od wody i stopniowe ich osadzanie.

Filtracja może powodować sufozję, co powiększa pory w gruncie. Zjawisko może narastać lawinowo i powst. kawerny, kanały – przebicie hydrauliczne. W szczególnym przypadku powstaje zjawisko kurzawki.

11.   Do czego służy siatka filtracyjna i co ona przedstawia? 

Siatka filtracyjna

Równanie Laplace’a dotyczy ruchu wody na płaszczyźnie. W przestrzennym ujęciu trzeba dodać trzecią składową. Przyjmując, że pole wektorów prędkości ma potencjał ψ to równanie linii jednakowego potencjału prędkości ma postać ψ(x,y) = const.

W ten sposób można wyznaczyć linie jednakowego potencjału prędkości oraz linie prądu, wzajemnie ortogonalnych, które zwie się siatką filtracyjną ( lub hydrodynamiczną).

Na podst. takiej siatki można określić kierunek filtracji, spadek hydrauliczny i pr. wody w dowolnym pnkcie ośrodka. Kierunek można odczytać z linii prądu. Spadki hydrauliczne obl. ze wzoru: i_n = Δ h/ml_n

gdzie: i_n – spadek hydrauliczny w n-tym elemencie siatki,

Δ h - różnica naporów przed i za ścianką, m,

m – liczba odcinków, na które podzielono drogi filtracji,

l_n – odległość między dwiema liniami jednakowego potencjału w rozpatrywanym elemencie siatki , m.

Znając spadek hydrauliczny w danym pnkcie można ustalić jaki jest przepływ i pr. wody dla wycinka gruntu szer. 1 m. q = ki_ns_nlm gdzie:

q – przepływ filtracyjny w jednym elemencie siatki filtracyjnej [m³/s],

s_n – wymiar elementów siatki, m,

i_n - spadek hydrauliczny.

1.       Co to jest wietrzenie skał i jakie są jego rodzaje? 
Wietrzenie skał i rozdrabnianie:

Wietrzenie trwa od 5 miliardów lat do dzisiaj. Jest ono:

- fizyczne (przeważnie od szybkich zmian temp.),

- chemiczne (tlen, kwas węglowy, kwasy organiczne). Tu skalenie i miki tworzą cząstki iłowe.

- organiczne (np. bakterie wytwarzające kwasy),

- mechaniczne (toczone wodą lub lodem odłamki skał).

3.       Co to jest powierzchnia właściwa gruntu? 

Wielkość powierzchni granicznej w przeliczeniu na jednostkę objętości danego gruntu nazywa się powierzchnią właściwą. Im drobniejsze są cząstki danego ośrodka, tym większa jest jego pow. właściwa i tym większa jest jego aktywność fizykochemiczna.

4.       Jakie metody stosujemy polowe i jakie laboratoryjne dla rozpoznawania gruntów? 

Laboratoryjne ustalenie składu uziarnienia gruntu:

Analiza sitowa

Pobiera się próbkę gruntu wagi od 199 do 1000 g (zależnie od uziarnienia). Próbkę należy wysuszyć, rozdrobnić i zważyć. Z próbki należy wydzielić ziarna małe, przemywając je przez sito o oczkach 0,063 lub 0,1 mm, które poddaje się analizie areometrycznej. Grubsze cząstki suszy się ponownie i przesiewa przez komplet sit, przez coraz to mniejsze wymiary oczek. Silnik może wstrząsać sitami. Zwykle jest 8 rodzajów sit. Pozostałość na każdym z sit waży się i też pod ostatnim sitem i oblicza się ich ciężar w stosunku procentowym do całkowitego ciężaru próbki. Suma procentów nie może się różnic więcej niż o 1% od 100%.

Analiza areometryczna

Metoda ta opiera się na prawie Stokesa, które powiada, że drobne cząstki kuliste opadają w cieczach z prędkością jednostajną określoną wzorem.

Cząstki większe opadają szybciej niż mniejsze. Wg badań Casagrandego wzór Stokesa nadaje się dla cząstek o wymiarach od 0,0002 do 0,2 mm. Większe opadają wolniej niż wynika ze wzoru, bo powodują zaburzenia w cieczy. Mniejsze ulegają ruchom Browna. Praktycznie więc bada się cząstki do o,001 mm a mniejsze wlicza się jako „pozostałość”.

Metoda pipetowa

Jest podobna, ale co pewien czas pobiera się określoną ilość zawiesiny, którą po odparowaniu cieczy się waży. Przy badaniach woda musi mieć określoną, stałą temp.

W badaniach polowych (terenowych) analiza makroskopowa obejmuje też ustalenie bez przyrządów takich cech jak:

- rodzaj (nazwa),

- stan,

- wilgotność,

- barwa,

- zawartość węglanu wapnia.

5.       Co to jest wilgotność gruntu i jak ją oznaczamy w warunkach polowych a jak w laboratorium? 

Wilgotność gruntu w

- procentowy stosunek masy wody (m_w) zawartej w porach próbki do masy szkieletu gruntowego (m_s). w = m_w .100/m_s

W laboratorium przy oznaczaniu próbkę suszy się w temp.105 do 110⁰ C, bo wtedy uwalnia się woda wolna, kapilarna i błonkowa. Ponieważ badanie takie trwa do kilkunastu godzin, są też polowe, przyśpieszone, np. elektroniczna.

Wilgotność jaką grunt ma w naturze nazywamy wilgotnością naturalną (czasem oznaczana jako w_n).

Pomiar wilgotności gleby oparty na metodzie reflektometrii w domenie czasu TDR pol. na pomiarze pr. rozchodzenia się impulsu elektromagnetycznego w badanym ośrodku, która zależy od stałej dielektrycznej tego ośrodka. Woda ma względną stałą dielektryczną (ok. 81), dużo większą od wzgl. stałej dielektrycznej fazy stałej gleby (ok. 4) i powietrza glebowego (ok. 1). Zawartość wody istotnie modyfikuje stałą dielektryczną gleby, a zatem wpływa na pr. propagacji w niej fali elektromagnetycznej. Aparat mierzy czas rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w umieszczonej w wybranej warstwie gleby sondzie stanowiącej falowód. Inne metody określania względnej wilgotności to badania elektro-oporowe i georadarowe.

Dawniej używano także metod chemicznych, bazujących na wykorzystaniu reakcji wilgoci zawartej w próbce gruntu z karbidem i mierzeniu obj. wywiązującego się w tej reakcji acetylenu. Służyły do tego odpowiednio przygotowane aparaty wielkości walizki. Metoda ta jest jednak kłopotliwa, powolna i w wielu sytuacjach zawodna.

Wilgotność gruntu można określić met. przyspieszonymi, szczeg. przydatnymi w warunkach terenowych:

-aparatkarbidowy

-pikometr wodny

-pikometr powietrzny

-aparatura elektroniczna

-aparatura radioizotopowa

6.       Co to jest porowatość gruntu i co wskaźnik porowatości? 

Porowatość n

Jest to stos. obj. porów do obj. V próbki gruntu (szkielet + pory). n = V_p/V

Wobec trudności z pomierzeniem porów, korzystamy z wzorów: V = V_s + V_p ; ρ_s = m_s/V_s oraz ρ_d = m_s/V

Otrzymujemy zależność: n = V_p/V = (V – V_s)/V = 1 – (m_s/ ρ_s)/V = 1 - ρ_d/ ρ_s = (ρ_s - ρ_d)/ ρ_s

Porowatość zależy od struktury gruntu.. Ziarniste mają mniejszą porowatość , a spoiste większą. W teorii gdy układamy kulki, niezależnie od ich śr., możemy mieć porowatość od 0,476 do 0,258.

Wskaźnik porowatości gruntu e

- stos. obj. porów V_p do obj. cząstek gruntu (szkieletu gruntowego). e = V_p/V_s = V_p/(V – V_p) = n/(1 – n) = (ρ_s - ρ_d)/ ρ_d

także n = e/(1 + e)

7.       Co to jest aparat Proctora i jak ustalamy wskaźnik zagęszczenia gruntu? 

Wskaźnik zagęszczenia I_s

- jest on miernikiem jakości zagęszczenia gruntu, np. wbudowywanego w nasyp. I_s = ρ _dnas/ ρ _ds.

gdzie: ρ _dnas – gęstość obj. badanego gruntu (np. z zagęszczanego nasypu);

ρ _ds - maksymalna gęstość obj. szkieletu gruntu.

Wskaźnik zagęszczenia I_S to stos. gęstości obj. szkieletu gruntowego w nasypie r_d do maksymalnej wartości gęstości obj. szkieletu gruntowego r_ds, uzyskanej w warunkach laboratoryjnych.

Wilgotność optymalną w_opt i maksymalną gęstość obj. szkieletu gruntowego r_ds oznacza się w aparacie Proctora, wg metod opracowanych przez Proctora, polegających na ubijaniu kilku warstw gruntu w cylindrze określoną energią. Ważne jest, aby warunki zagęszczenia w aparacie Proctora odpowiadały warunkom zagęszczenia nasypu w skali naturalnej. W tym celu należy wybrać najbardziej odpowiednią metodę zagęszczania gruntu w laboratorium.

Do badania wilgotności optymalnej i maksymalnej gęstości obj. szkieletu gruntowego służy aparat Proctora w wersji ręcznej lub mechanicznej (sposób zagęszczania gruntu). Aparat Proctora wyposażony jest w dwa cylindry (mały i duży) oraz cztery ubijaki.

 należy określić rodzaj badanego gruntu w wyniku przeprowadzonej analizy makroskopowej,

 próbkę gruntu przeznaczoną do badań wysuszyć na powietrzu. Masa próbki w stanie „powietrznosuchym” powinna wynosić ok. 3 kg na 1 dm³ użytego cylindra (w zależności od przyjętej metody),

 wybrać wariant metody badania wg tabeli (w zależności od warunków zagęszczania gruntu na budowie),

 suchy grunt należy rozdrobnić tłuczkiem w celu pozbycia się agregatów i grudek, a następnie przesiać przez sito o odp. wymiarze oczek (w zależności od metody),

 pozostałość na sicie zważyć i oznaczyć stos. jej masy do masy całej próbki (X),

 do przesianej próbki dolać wodę w ilości 60 cm³ dla gruntów niesp. oraz 100 ÷ 150 cm³ dla gruntów spoistych, licząc na każdy 1 dm³ obj. cylindra użytego do badania. Bardzo ważne jest dokładne wymieszanie gruntu z wodą,

 zważyć pusty cylinder z podstawą, bez górnej części (m_t),

 w zależności od wybranej metody badania ubijanie wyk. się w trzech lub pięciu warstwach,

-ilość gruntu na każdą z warstw należy tak dobierać, by po ubiciu ostatniej warstwy grunt w cylindrze „wystawał” 5 ÷ 10 mm ponad krawędź dolnej części cylindra,

-należy zdjąć górną część cylindra i ściąć nadmiar gruntu do krawędzi dolnej części cylindra i oczyścić zewnętrzną część cylindra oraz podstawę z gruntu. Czynności te należy prowadzić starannie,

-zważyć cylinder z gruntem (m_mt),

-pobrać próbki gruntu z cylindra do dwóch parowniczek w celu zbadania wilgotności gruntu. Każda z próbek powinna być pobrana z kilku miejsc objętości cylindra,

-pozostały w cylindrze grunt wysypać do miski, w której grunt do badania jest mieszany. Dodać taką ilość wody, aby wilgotność gruntu do następnego badania wzrosła o 1 ÷ 2 %,

-po starannym wymieszaniu powtórzyć cykl ubijania gruntu w cylindrze dla następnej wilgotności,

-powtarzać powyższe czynności dodając do gruntu coraz mniejsze ilości wody do chwili, aż masa ubitego gruntu w cylindrze zacznie się zmniejszać,

-po wysuszeniu próbek gruntu należy obl. ich wilgotności. Obl. wilgotności średnie dla każdego napełniania cylindra (w),

-obliczyć gęstości obj. (r) i gęstości obj. szkieletu gruntowego (r_d) dla każdej średniej wartości wilgotności,

-sporządzić wykres zależności r_d = f(w),

-jako wilgotność optymalną (w’_opt) przyjmuje się wilgotność odpowiadającą maksymalnej wartości gęstości obj. szkieletu gruntowego (r’_ds),

-wprowadzić ewentualne poprawki wynikające z ilości odsianych uprzednio grubszych frakcji, wg wzorów:

oraz

-Wskaźnik zagęszczenia gruntu oblicza się ze wzoru:

8.       Jakie szkody w budownictwie powodują wysadziny i jak możemy im zapobiegać? 

Uszkodzenia i zniszczenia budynków i dróg od przemarzania gruntu mogą być b. poważne. Budynki mają unoszone fundamenty. Na drogach, które mają nawierzchnię dobrze przewodzącą ciepło, lepiej niż pobocza, na wiosnę pod jezdnią grunt odmarza szybciej i woda pod nią pozostaje jakby w niecce, z której nie może odpłynąć. Powoduje to powstawanie tzw. przełomów wiosennych.

Niszczeniu ulega też nawierzchnia kolejowa i pasy startowe lotnisk. Wysadziny wypychają je ku górze. Uszkodzeniom ulegają zabezpieczenia zboczy wykopów i nasypów, rusztowania (o ile stoją na gruntach wysadzinowych), budynki w stanie surowym jeżeli pozostawi się na zimę niezasypane wykopy na fundamenty. Z tych powodów nie należy też na zimę pozostawiać otwartych piwnic i murów oporowych z zasypką pylastą.

Radykalny sposób zabezpieczenia pol. na wymianie w granicach przemarzania gruntu wysadzinowego na niewysadzinowy. Wodę przesiąkającą od góry należy ująć i odprowadzić. Czasem stos. są domieszki chemiczne do wody (roztwór kwasu siarczanego lub chlorku wapnia) co zmniejsza wysadziny o połowę. Wykopów na zimę nie pozostawiać otwartych, bo nawet gdy jeszcze nie ma tam elementów budowli, grunt ulega osłabieniu. Piwnice zamknąć stropem i okna osłonić (czasem nawet podgrzewać). Zbocza dobrze odwodnić. Ściany oporowe zasypać piaskiem i też dobrze odwodnić. Odrębne zagadnienie to chłodnie i lodowiska. Czasem podgrzewa się tam podłoże ciepłą wodą albo buduje się chłodnie z podłogą wzniesioną ponad terenem w celu uzyskania warstwy izolacyjnej.

9.       Jakie rodzaje wody znajdują się w gruncie? 

*w postaci pary

*związana

-silnie związana-higroskopijna

-słabo związana-błonkowata

*wolna

-gruntowa

-wsiąkowa

*kapilarna(włoskowata)

*w stanie stałym

*krystalizacyjna i chemicznie związana

Woda związana

Cząstki gruntu są otoczone kilkoma warstewkami wody. Które im są bliżej cząstki tym siłami molekularnymi są mocniej związane z gruntem. Taka woda związana stanowi 42 % całej wody zawartej w skorupie ziemskiej, szczególnie w gruntach spoistych. Rozróżniamy wody związane silnie i słabo.

Woda silnie związana (higroskopijna)

Woda ta, osadzona z powietrza (pary) na powierzchni, jest bardzo silnie połączona z cząstkami gruntu. Przy wiązaniu tej wody higroskopijnej cząstka gruntu wydziela ciepło, co różni tę wodę z innymi, które są w gruncie. Ciężar właściwy tej wody ma około 2 g/cm³, a jej temp. zamarzania wynosi - 78⁰ C. Woda ta nie może przechodzić z cząstki na cząstkę i nie działa rozpuszczająco. Woda ta nie przekazuje ciśnienia hydrostatycznego. Ilość wody, którą może wchłonąć grunt z wydzielaniem ciepła stanowi jego maksymalną pojemność higroskopijną. Określana ta pojemność jest w % stosunku tej wody do ciężaru suchej próbki gruntu. Pojemność ta wzrasta wraz z większą powierzchnią właściwą, tj. gdy grunt jest drobniejszy, i zależy także od rodzaju sorbowanych kationów.

Woda słabo związana (błonkowata)

Dzieli się ona na błonkowatą silnie utwierdzona oraz błonkowatą luźną.

Woda błonkowata utwierdzona otacza cząstki i jony dzięki wiązaniom międzymolekularnym, powstałym miedzy molekułami wody silnie związanej, a molekułami innej wody. Woda ta otacza cząstkę gruntu jak błonka, która im jest cieńsza tym ma większy ciężar właściwy i tym ma niższą temp. zamarzania. Woda ta może współdziałać z innymi ciałami i ma wpływ na lepkość. Największa możliwa zawartość tej wody w gruncie zwie się maksymalną pojemnością molekularną gruntu. Określa to stan rozgraniczający wodę błonkową utwierdzoną od wody błonkowej związanej luźno.

Woda błonkowata luźna: Jej ilość zależy od potencjału elektrokinetycznego i rozdrobnienia gruntu. Woda ta wykazuje ruchliwość, bo może przechodzić z cząstki o powłoce grubszej do cieńszej, by wyrównać napięcia na powierzchniach błonek.

Woda błonkowata luźna nie może jednak poruszać się na skutek sił grawitacji i też nie wywiera ciśnienia hydrostatycznego. Trudno ją oddzielić od wody kapilarnej, gdy kapilary mają małą śr.. Obecność wody osmotycznej powoduje jednak plastyczność gruntu, przy odpowiedniej wilgotności, tj. powyżej maksymalnej molekularnej wilgotności. Gdy pojawi się woda wolna to plastyczność może zaniknąć. Gdy w wodzie jest dużo soli ilość wody błonkowatej osmotycznej zmniejsza się.

Woda gruntowa wolna

Woda opadowa wsiąka, tworzy warstwę wodonośną, a górna powierzchnia to zwierciadło wód gruntowych. Od górnej granicy do spodu jest str. saturacji. Powyżej woda tylko przesiąka i tam jest strefa aeracji, tam są wody zawieszone (przypowierzchniowe).

Na warstwie nieprzepuszczalnej powyżej może być niewielka warstwa wody podskórnej. Zatem rozróżniamy wodę gruntową właściwą i zaskórną. Woda gruntowa właściwa stanowi ciągły poziom wodonośny, wyst. na większej gł. i zalega na znacznym obszarze. Wody te mogą wykazywać znaczne wahania zwierciadła.

Zwierciadło wód gr. może być swobodne (zmieniające poziom) lub napięte. Wody przemieszczają się z różną pr.

Wody w pewnym układzie warstw są wodami podziemnymi naporowymi, a głęboko pod ziemią są wody głębinowe, nie związane z wyższymi, przeważnie z odległych czasów.

Wody gruntowe zasilane z reguły przez wody opadowe, ale także ze zbiorników wodnych (rzeki, jeziora …). Może być też sytuacja odwrotna, że rzeki i zbiorniki są zasilane podwodnymi źródłami wody gruntowej.

Woda między dwiema warstwami o małej przepuszczalności wywiera napór na spąg wyższej warstwy i zwie się wodą naporową międzywarstwową. Cisnienie które wywiera na spąg wyżej leżącej warstwy nazywamy ciśnieniem piezometrycznym. Gdy taka warstwa zalega w dolince (w zagłębieniu terenu) to poziom wody naporowej może być ponad poziomem terenu i woda taka nazywa się artezyjską.

Przepływ wody gr. międzywarstwowej i artezyjskiej jest w kierunku niższego poziomu piezometrycznego. Zbadanie takich poziomów i ustalenie przepływu, pr. przepływu ma wpływ na budowle.

Pomiędzy wodą gr. jest wolna woda wsiąkowa, której ilośc zależy od opadów, bywa że w czasie suszy może jej nie być.

Źródła

Źródło to naturalny, samoczynny wypływ wody podziemnej z miejsca przecięcia się lustra wody gr. z powierzchnią terenu (lub wody). Źródło może być juwenilne lub meteoryczne (z wód atmosferycznych).

Źródło może być stałe, okresowe lub pulsujące. Gdy mało wypływa wody to są wycieki lub wysięki. Ilość wypływającej wody to wydajność źródła, a wydajność, skład chemiczny ciśnienie i właściwości fizyczne to razem nosi miano reżimu źródła.

Wody mineralne i termalne

Wody min. to te, które zawierają więcej niż 1 g/dm³ rozpuszczonych związków mineralnych. Niektóre wypływają jako źródła. Mają one o tyle znaczenie dla posadowień budowli, że wody min. mogą wpływać na stan materiałów, z których są budowane fundamenty. Mogą to być:

- szczawy

- solanki

- solanki gorzkie _;

- wody bromkowe;

- wody fluorkowe;

- wody jodkowe;

- wody siarkowe

- wody żelaziste ;

- wody manganowe;

- wody krzemowe;

- wody radoczynne .

Źródła mają temp. podobną jak średnia roczna, a gdy jest ona co najmniej 5^o wyższa, to jest to woda termalna (cieplica).

Woda włoskowata – kapilarna

Woda kap. przenosi ciśnienie hydrostatyczne, zamarza poniżej 0⁰ C, ale temp. zamarzania zależy od śr. porów. Są 3 typy wody kapilarnej:

- woda naroży porów,

- woda zawieszona,

- właściwa woda kapilarna.

Kapilarność jest wynikiem: przyczepności (adhezji) wody do ścianek rurki, ciśnienia powierzchniowego wody.

Woda naroży porów. Tworzy się w miejscach styku cząstek w postaci oddzielnych kropli, zajmując oddzielne części porów ograniczonych meniskami. Części zajętych wodą naroży porów są izolowane, zajmując nieznaczne w stos. do wszystkich porów powierzchnie. W rzeczywistości w porach w tej sytuacji jest więcej powietrza niż wody. Ale woda uwięziona między ziarna i meniskami nie może się przemieszczać. Przy większej wilgotności wszystkie pory zostają zapełnione wodą, a woda kapilarna może być właściwa, gdy łączy się z poziomem wody gruntowej, lub zawieszona, gdy nie łączy się.

Właściwa woda kapilarna (ponad poziomem gruntowej), gdy wszystkie pory kapilarne są zapełnione tą wodą, to taka wilgotność nazywa się pojemnością kapilarną. Oczywiście obok wody kapilarnej jest również woda związana, otaczająca cząstki, która utrudnia przy małych śr. kapilarów, ruch wody.

Woda zawieszona nie może być zasilana od dołu. Taką wodę znajdujemy przede wszystkim w piaskach o mniejszej śr. ziaren (nie w gruboziarnistych). W piaskach suchych tworzy się u góry warstwy na wys. kilku cm, oraz na granicy warstw o różnym składzie ziarnistości. Jeżeli w takich gruntach dodać od góry więcej wody, to spłynie ona w dół.

Woda krystalizacyjna i woda chemicznie związana

Takie wody maja udział w budowie siatki krystalizacyjnej minerałów.

Woda krystalizacyjna jest w składzie minerałów np. CaSO₃.2H₂O (gips), może być oddzielona od minerału w wyższej temp. (nawet 82⁰ C).

Woda chemicznie związana wchodzi w skład hydratów, np. Ca(OH)₂ . Jest bardziej związana niż krystalizacyjna\, oddziela się w temp. > 200⁰ C, a minerał jest zniszczony. Wiele minerałów nie ma w składzie wody, lecz wtórne zawierają ją. Dlatego w gruntach spoistych woda wchodząca w siatkę krystaliczną minerałów odgrywa większą rolę niż w niesp.

10.   Co to jest ciśnienie porowe wody, naprężenie całkowite i naprężenie efektywne? 

Ciśnienie wody w porach, napr. całkowite i efektywne

Rozważmy grunt nawodniony, będący układem dwufazowym. Jeśli na grunt nawodniony nieobciążony(a więc działa na grunt tylko ciśnienie atm.) przyłożymy dodatkowe obc. to wskutek wzrostu ciśnienia w wodzie następuje jej spływ do miejsc o ciśnieniu mniejszym. W analizowanym przypadku nastąpi wypływ wody z próbki do góry i wypełnienie pustych przestrzeni. W miarę wypływu wody obciążenie jest przejmowane przez szkielet gruntowy i następuje jego zagęszczenie, a więc i zmniejszenie się wys. próbki gruntu. W trakcie zagęszczania następuje obniżenie poziomu wody w rurce piezom., a po zakończeniu procesu następuje ustabilizowanie na wys. początkowej. W trakcie tego procesu wyst. przekazywanie obciążenia z wody na szkielet gruntowy, a sam grunt zmienia swe właściwości fizyczne, porowatość, gęst. obj., stopień zagęszczenia lub konsystencję oraz właściwości mechaniczne, jak wytrz. na ścinanie, moduł odkszt. Podczas procesu zagęszczenia wartość obciążenia zewn. nie ulega zmianie i całkowite naprężenie normalne ma stałą wartość б. Zmienia się natomiast wartość ciśnienia przekazywanego na szkielet gruntowy, określonego mianem napr. efekt. б’, oraz ciśnienia wody w porach gruntu u. Z warunków równowagi wynika, że: б=б’+u. Ciśnienie wody w porach istnieje w dolnym pnkcie środowiska wodnego w wyniku działania sił powierzchniowych i masowych. Może być traktowane jako wartość skalarna, w danym pnkcie ma jednakową wartość we wszystkich kierunkach, czyli nie zależy od kierunku powierzchni, na którą działa. Napr. efekt. jest to nacisk na grunt z uwzgl. wyporu.

11.   Co ma wpływ na filtrację wody?

Filtracja-ruch wody w skałach.

-spadek hydrauliczny

-temperatura cieczy, która wpływa również na jej lepkość

-od ośrodka gruntowego, od jego uziarnienia, struktury i porowatości.