7.1. Narysować przykładową krzywą ściśliwości gruntu składającą się z fazy obciążenia, odciążenia i powtórnego obciążenia. Przypisać odpowiednie moduły poszczególnym fazom.

7.2. Definicja edometrycznego modułu ściśliwości pierwotnej gruntu. Zastosowanie modułu w geoinżynierii.

Edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej M₀ - jest to stosunek przyrostu efektywnego naprężenia normalnego Δσ do przyrostu całkowitego odkształcenia względnego ε.

$$M_{0} = \ \frac{d\sigma'}{d\varepsilon_{0}}$$

W budownictwie wodnym bardzo często konieczne jest określenie modułów ściśliwości gruntów, których używa się w rejonach do budowy nasypów zapór i obwałowań zbiorników i rzek. Analiza przebiegu konsolidacji podłoża pod projektowanym obiektem budowlanym.

7.3. Definicja edometrycznego modułu ściśliwości wtórnej gruntu. Zastosowanie modułu w geoinzynierii.

Edometryczny moduł ściśliwości wtórnej M - jest to stosunek przyrostu efektywnego naprężenia normalnego dσ′ do przyrostu względnego przeważająco sprężystego (odwracalnego) odkształcenia dε.

$$M_{} = \ \frac{d\sigma'}{d\varepsilon_{}}$$

- obliczanie spodziewanego osiadania projektowanych obiektów budowlanych,

- analiza przebiegu procesu konsolidacji podłoża pod projektowanym obiektem budowlanym.

7.4. Definicja edometrycznego modułu odciążenia gruntu.

Edometryczny moduł odprężania M - jest to stosunek zmniejszenia efektywnego naprężenia normalnego dσ′ do przyrostu względnego wydłużenia sprężystego próbki dε.

$$M_{} = \ \frac{d\sigma'}{d\varepsilon_{}}$$

7.5. Opis badania edometrycznego. W jakich warunkach znajduje się próbka podczas badania (brak możliwości bocznej odkształcalności!).

Laboratoryjne badanie przeprowadza się na próbkach NNS (grunty rodzime) lub NS (grunty nasypowe) poddanych w edometrze jednoosiowemu ściskaniu w warunkach niemożliwej bocznej rozszerzalności (przeważnie przy stopniowym obciążeń).

Badanie ściśliwości gruntu w edometrze wykonuje się przy projektowaniu budowli przy posadowieniu na słabych gruntach rodzimych oraz na próbkach sztucznie zagęszczanych przy określaniu modułów ściśliwości gruntu w nasypach.

Próbki NNS wycina się za pomocą specjalnego pierścienia tnącego bezpośrednio z dna dołów próbnych lub próbek dostarczonych do laboratorium w odpowiednich cylindrach. Po wycięciu próbki dokładnie wyrównuje się jej dolną i górną płaszczyznę. Próbki sztucznie zagęszczane ubija się bezpośrednio w pierścieniu edometru do określonej gęstości objętościowej. Po przygotowaniu próbki gruntu edometr napełnia się wodą do poziomu górnej krawędzi filtra dolnego, za pomocą rurki piezometrycznej. Następnie układa się na dolnym filtrze krążek z bibuły na którym umieszcza się próbkę z gruntu z pierścieniem i nakłada na górną płaszczyznę krążek z bibuły filtracyjnej oraz filtr górny. Po ustawieniu czujnika zegarowego służącego do pomiaru osiadań próbki, obciąża się próbkę naciskiem 12,5 kPa. Po zakończeniu osiadań pod obciążeniem 12,5 kPa próbkę obciąża się dalszymi stopniami obciążenia, dwukrotnie większymi od poprzednich: 25; 50; 100; 200 kPa i więcej do wartości obciążenia przekazywanego na grunt przez fundament lub podstawę budowli.

7.6. Definicja wskaźnika skonsolidowania gruntu.

Wskaźnik skonsolidowania gruntu - jest to stosunek wartości edometrycznego modułu ściśliwości pierwotnej do wartości edometrycznego modułu ściśliwości wtórnej.

$$ss = \ \frac{M_{0}}{M}$$

7.7. Zależność pomiędzy modułami ściśliwości ( M₀, M, M) a modułami odkształcenia (E₀, E, E).

Zależność pomiędzy modułem odkształcenia pierwotnego E₀ i wtórnego E, a edometrycznym modułem ściśliwości pierwotnej M₀ i wtórnej M jest opisana poniższym wzorem:

$$\delta = \ \frac{E_{0}}{M_{0}} = \frac{E}{M} = \frac{\left( v + 1 \right)(1 - 2v)}{1 - v}$$

W związku z powyższymi zależnościami wyprowadzono następujące równania opisujące moduły odkształcenia gruntów:

 E₀ =  M₀ • δ [kPa]

 E = M • δ [kPa] 

$\overset{\overline{}}{E} = \overset{\overline{}}{M} \bullet \delta\ \left\lbrack \text{kPa} \right\rbrack\ $

δ zalezy od typu gruntu.

8.1. i 8.2.Wytrzymałość na ścinanie gruntów niespoistych i spoistych (podać prawo wytrzymałościowe, wzór, wykres.)

Jest to opór gruntu (T) jaki stawia grunt naprężeniu stycznym w punkcie ośrodka. Po przekroczeniu tego oporu następuje poślizg jednej części gruntu względem reszty próbki. Poślizg występuje po osiągnięciu/przekroczeniu oporu gruntu przez naprężenia styczne. Opór gruntu działa na tej samej powierzchni co naprężenia styczne. |τ_max| =  τ_f

Graniczna wytrzymałość gruntów na ścinanie dla spoistych: τ_f = σ * tgφ + c

Graniczna wytrzymałość gruntów na ścinanie dla niespoistych: τ_f = σ * tgφ

Gdzie sigma-naprężenia normalne, fi-kąt tarcia wewnętrznego gruntu, c- spójność gruntu (kohezja)

Wykres:

8.3. Definicja kąta tarcia wewnętrznego i spójności gruntu.

Kąt tarcia- charakteryzuje łączne opory składowe tarcia posuwistego, potoczystego oraz zazębiania się. Opór tarcia posuwistego występuje na powierzchni ziaren i cząstek. Opór tarcia potoczystego wynika z obrotu ziaren w stosunku do ziaren sąsiednich. Opór zazębiania wynika z chropowatości, nierówności kształtów ziaren. Wartość kąta tarcia zależy od składu mineralnego, wielkości ziaren i kształtu, zagęszczenia gruntu, nasycenia wodą i rodzaju powierzchni ziaren.

Spójność (kohezja) – opór stawiany przez grunt siłom zewnętrznym, wywoływany jest siłami wzajemnego przyciągania się cząstek gruntowych. Spowodowana jest wzajemnym ścisłym przyleganiem ziaren i cząstek gruntu, częściowym ich zlepieniem. W miarę wzrostu średnicy ziaren maleje spójność i znika całkowicie (grunty niesposite). W gruntach spoistych spójność maleje wraz ze wzrostem wilgotności.

8.4. Omówić badanie za pomocą aparatu bezpośredniego ścinania (interpretacja wyników!).

Próbkę należy umieścić w dwudzielnej skrzynce aparatu. Dolną część skrzynki należy ustawić na korpusie aparatu bezpośredniego ścinania(aparat Kreya-Casagrandea) w wyznaczonym miejscu. Na dnie dolnej części skrzyni jest umieszczona perforowana ząbkowana płytka – ząbkami skierowana ku górze. Następnie należy ustawić górną część skrzynki i połączyć obie części za pomocą śrub. Kolejno wypełniamy połączone części skrzynki do połowy wysokości górnej części skrzynki gruntem. Następnie wkładamy górna płytkę perforowaną, skierowaną ząbkami w dół. Wystająca część skrzynki powinna być zwrócona w kierunku dynamometru pierścieniowego. Na tłok z kulką nakładamy ramkę z wieszakiem, na której zamocowany jest dynamometr służący do pomiaru siły pionowej przekazywanej na próbkę.

Następnie próbkę gruntu obciąża się obciążeniem pionowym, przy którym próbka ma zostać ścięta. Rozpoczynając badanie należy wykręcić i wyjąć śruby a następnie przyłożyć wymagane obciążenie normalne. Ustawić prędkość ścinania próbki. Zmierzyć suwmiarką odległość próbki od krawędzi.

Po przyłożeniu danej siły należy uruchomić aparat i obserwować wskazania na czujniku dynamometru. Pomiar siły należy prowadzić do chwili jej ustabilizowania. Następnie należy wyłączyć silnik, odczytać wartość siły ścinającej i naprężenia normalnego i odnotować w formularzu (na zajęciach siłę ścinającą odczytywaliśmy na podstawie „ściśnięcia” gruntu 1 mm=0,629 kN). Suwmiarką należy zmierzyć przesunięcie skrzynki. Badanie powtórzyć daną ilość razy dla obciążeń pionowych.

$$\sigma = \ \frac{P}{A}\ \lbrack kPa\rbrack$$

A = a²

F = a*(a-r)

τ_f = $\frac{Q}{F}$

- wykres liniowy,

- podobne przesunięcie skrzyni,

- dla coraz większych naprężeń normalnych wzrasta odczyt z czujnika dynamometru.

8.5. Podać interpretację graficzną badania (analiza wyników!) w aparacie bezpośredniego ścinania.

Dla otrzymanych naprężeń stycznych τ_f tworzymy wykres naprężeń stycznych od naprężeń normalnych σ , poprzez naniesienie je na wykres. Powinniśmy otrzymać linię prostą która w przypadku gruntu niespoistego zaczyna się w punkcie (0,0). Między narysowaną prostą a osią poziomą naprężeń normalnych odczytujemy powstały kąt, który jest kątem tarcia wewnętrznego.

- wykres liniowy,

- tangens kąta tarcia wewnętrznego wyliczony na podstawie wyników powinien pokrywać się z tangensem odczytanym i wyliczonym z rysunku,

- na podstawie wyników na wykresie można odróżnić grunt spoisty od niespositego,

- z wykresu można odczytać spójność gruntu,

- jest to wykres zależności σ od τ_f: τ_f=f(σ).

9.1. Definicja wilgotności optymalnej. Omówić aspekt praktyczny wyznaczania wilgotności optymalnej gruntu.

Wilgotność dzięki, której w danych warunkach ubijania można osiągnąć największe zagęszczenie gruntu czyli uzyskuje on maksymalną gęstość objętościową szkieletu gruntowego.

Badanie tego typu wykonuje się przede wszystkim przy projektowaniu gruntów pod nawierzchnie drogowe, lotniska, boiska itp.

9.2. Definicja wskaźnika zagęszczenia. Omówić aspekt praktyczny wyznaczania wskaźnika zagęszczenia. Od czego zależy wymagana wartość wskaźnika zagęszczenia?

Jest to miara zagęszczenia gruntów nasypowych (spoistych, niespoistych) i służy do kontroli jakości wykonywania robót ziemnych. $I_{s} = \frac{\rho_{d}}{\rho_{\text{ds}}}$ gdzie ρ_d-gęstość objętościowa szkieletu gruntowego gruntu w nasypie. ρ_ds- maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntowego.

Nasyp jest dobrze zagęszczony kiedy Is > Is wym. Is wymagane- zależy od rodzaju robót ziemnych.

Wskaźnik zagęszczenia jest bardzo ważnym aspektem w budownictwie drogowym. Wskazuje on na to, czy dana warstwa została dobrze zagęszczona. Jeżeli badania kontrolne wykażą, że zagęszczenie warstwy nie jest wystarczające, to wykonawca powinien spulchnić warstwę, doprowadzić grunt do wilgotności optymalnej i powtórnie zagęścić. Jeżeli powtórne zagęszczenie nie spowoduje uzyskania wymaganego wskaźnika zagęszczenia, wykonawca powinien usunąć warstwę i wbudować nowy materiał. Jeżeli wartości wskaźnika zagęszczenia nie mogą być osiągnięte przez bezpośrednie zagęszczenie podłoża, to należy podjąć środki w celu ulepszenia gruntu podłoża.

Wartość wskaźnika zagęszczenia zależy od kategorii drogi i wysokości położenia danej warstwy.

9.3. Omówić metodę I/II/III/IV określania wilgotności optymalnej i maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego.

1. Metoda I- w małym cylindrze układamy grunt w trzech warstwach, każdąz nich zagęszczamy 25 uderzeniami lekkiego ubijaka opuszczanego z wysokości 320 mm co odpowiada jednostkowej energii zagęszczania równej 0,58 dzula na 1 cm3 gruntu.

2. Metoda II- to samo co w metodzie 1 tylko że 55 uderzeń.

3. Metoda III- to samo tylko że 25 uderzeń – CIĘŻKI UBIJAK- 480 mm wysokości – 2,65 dzula na 1 cm3 gruntu

4. To samo co Metoda III – tylko 55 uderzeń.

9.4. Od czego zależy wybór metody badania wilgotności optymalnej i maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego?

Wartość wilgotności optymalnej oraz gęstości objętościowej szkieletu gruntowego zależne są od zastosowanej metody. Wybór metody oznaczania zależy od wielkości ziarn i programu badań.

9.5. Podać interpretację graficzną (wykres!) badania wilgotności optymalnej i maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego.

10.1. Definicja granicy plastyczności gruntu (podać symbol , dwa warianty definicji).

Symbol Wp. Jest to wilgotność gruntu spoistego między stanami półzwartym i twardoplastycznym. Jest określana metodą wałeczkowania.W trakcie wałeczkowania grunt zmniejsza swoją wilgotność o 1,25%. Powtarzając czynność tą wielokrotnie dla gruntu o konsystencji plastycznej uzyskuje się zmniejszenie wiglotności do wilgotności odpowiadającej granicy plastyczności.

10.2. Definicja granicy płynności gruntu (podać symbol , dwa warianty definicji).

Wl-symbol. Jest to wilgotność pomiędzy stanami miękkoplastycznym i płynnym kiedy to grunt przechodząc w stan płynny traci zdolność zachowania nadanego mu kształtu.

10.3. Definicja granicy skurczalności gruntu (podać symbol , dwa warianty definicji).

Ws-symbol. Wilgotność gruntu pomiędzy stanami zwartym i półzwartym. Przyjmuje się, że jest to wilgotność przy której grunt pomimo dalszego suszenia nie zmienia swojej objętości a jego barwa staje się jaśniejsza.

10.4. Definicja wilgotności naturalnej gruntu (wzór!).

Stosunek masy wody zawartej w danej próbce gruntu do masy szkieletu gruntowego wyrażony w %.

10.5. Omówić wyznaczanie granicy plastyczności.

Z próbki gruntu należy wykonać kulkę o średnicy 7mm i wałeczkować do chwili uzyskania wałeczka grubości 3 mm. Następnie zbijamy znowu w kulkę i powtarzamy te czynności do momentu aż wałeczek dozna uszkodzeń (spękań, rozwarstwień, rozsypie się). Za moment popękania przyjąć chwilę gdy wałeczek rozdzieli się na oddzielne kawałki po podniesieniu za jeden koniec. Taki wałeczek wkładamy do naczynka wagowego i przykrywamy przykrywką. Czynność powtarza się do chwili napełnienia dwóch naczynek do 5-7g grutnu. Wilgotność oblicza się ze wzoru: w=(mmt-mst)/(mst-mt)*100% mt-puste naczynko, mst- mmt-masa wilgotnej probki w pojemniku, mst- masa suchej probki z naczyniem.

10.6. Omówić wyznaczanie granicy płynności metodą Casagrande.

Przednią część miseczki wypełnić gruntem aby miało wklęsła powierzchnię i było pozbawione pęcherzyków powietrza. Masa naczynia z gruntem powinna wynosić 210g. Formujemy rylcem bruzdę w gruncie przeciągając go prostopadle do powierzchni dna w kierunku prostopadłym do obrotu miseczki. Umieszczamy miskę w aparacie i obracamy korbą aparatu powodując uderzenia miseczki o podkładkę. Policzyć uderzenia do momentu gdy brzegu bruzdy zleją się ze środka bruzdy należy pobrać około 10g gruntu do porcelanowego tygielka i oznaczyć jego wilgotność.

10.7. Omówić wyznaczanie granicy płynności metodą Wasiliewa.

Jako wartość granic płynności w_L gruntów należy przyjąć wilgotność pasty gruntowej, w której stożek zagłębia się pod własnym ciężarem na głębokość h=10 mm w warunkach badania.

Próbkę gruntu w postaci jednorodnej masy należy nałożyć do naczynia cylindrycznego za pomocą łopatki w taki sposób, aby nie pozostawały w niej pęcherzyki powietrza, a górna powierzchnia próbki powinna być wyrównana z brzegiem naczynia i wygładzona. Przed przystąpieniem do badania stożek przetrzeć watą lekko zwilżoną olejem wrzecionowym, a następnie trzymając go w palcach ostrzem skierowanym w dół, dotknąć ostrzem powierzchni próbki w naczyniu i zwolnić uchwyt palców tak, aby stożek zagłębił się w próbkę pod własnym ciężarem. Po upływie około 5s od momentu zwolnienia uchwytu stożka należy ustalić jego zagłębienie oceniając je wg poziomu położenia obu rowków stożka. Następnie należy wyjąć stożek z naczynia, z bezpośredniego sąsiedztwa miejsca zagłębienia stożka należy pobrać do tygielka 10-15 g gruntu i oznaczyć jego wilgotność. Jeżeli zagłębienie wynosi 10mm to badanie należy powtórzyć po uprzednim wymieszaniu. Jeśli zagłębienie stożka wynosi mniej niż 10 mm lecz jest większe niż 8 mm, to przed następnym badaniem należy dodać do pasty gruntowej nieco wody destylowanej. W przypadku gdy przy pierwszym pomiarze zagłębienie stożka było większe niż 12mm to próbkę należy podsuszyć

Jeżeli w obu badaniach uzyskano zagłębienie stożka równe 10 mm to jako granicę należy przyjąć średnią arytmetyczną wilgotności gruntu przy obu oznaczeniach. Różnica wartości wilgotności nie powinna przekraczać 5% wartości średniej. W przypadku, gdy przy kolejnych badaniach uzyskano różne zagłębienia stożka to wartość w_L należy określić za pomocą interpolacji graficznej.

10.8. Podać interpretację graficzną wyników badania granicy płynności metodą Casagrande.

Otrzymane wartości wilgotności nanieść na wykres przedstawiający zależność ilości uderzeń miseczki o aparat od wilgotności gruntu. Przez punkty odpowiadające poszczególnym badaniom należy poprowadzić linię, przy czym co najmniej trzy punkty powinny leżeć w przybliżeniu na prostej, jeden poniżej a drugi powyżej linii, lecz w obu przypadkach w odległościach nie większych niż 0,6% w skali wilgotności.

Odczytać z wykresu wartość granicy płynności dla 25 uderzeń.

10.9. Klasyfikacja gruntów spoistych ze względu na stan (PN i ISO – materiał z kolokwium nr 1)

PN: zwarty, półzwwarty, twardoplastyczny, plastyczny, miękkoplastyczny, płynny

ISO: bardzo zwarty, zwarty, twardoplastyczny, plastyczny, miękkoplastyczny, płynny.

10.10. Definicja stopnia plastyczności (wzór).

Stosunek różnicy wilgotności naturalnej i granicy plastyczności do wskaźnika plastyczności. Charakteryzuje grunty spoiste i jest ważny w projektowaniu $I_{L} = \frac{w - w_{p}}{w_{L} - w_{p}}$

10.11. Definicja wskaźnika plastyczności (wzór).

Różnica pomiędzy granicą płynności i plastyczności. Wskazuje ile wody wchłania grunt przy przejściu ze stanu półzwartego w stan płynny. Stanowi kryterium podziału gruntów na grupy pod względem spoistości. I_p = w_L − w_p

10.11. Klasyfikacja gruntów ze względu na spoistość (przedziały wskaźnika plastyczności – materiał z kolokwium nr 1).

10.12. Definicja wskaźnika konsystencji (wzór).

Wskaźnik konsystencji I_C - jest to wartość stosunku różnicy granicy płynności i wilgotności naturalnej do wskaźnika plastyczności. Można go wyznaczyć za pomocą wzorów:

$$I_{C} = \frac{(w_{L} - w)}{I_{P}} = \ \frac{(w_{L} - w)}{(w_{L} - \ w_{p})}$$

lub

I_C = 1 − I_L