6. Ściśliwość gruntów (parametry charakt. ściśliwość, metody ich wyznaczania)

Ściśliwość - zdolność gruntu do zmniejszania swojej objętości pod wpływem obciążenia, przyczyny ściśliwości:

a) usuwanie z gruntu wody wolnej i kapilarnej; b) przesuwanie się ziarn i cząstek względem siebie i zajmowanie przez nie bardziej statecznego położenia; c) usuwanie z gruntu pęcherzyków powietrza

d) zgniatanie niektórych ziaren gruntu; e) sprężyste odkształcenie powłoki wody błonkowej; f) sprężyste odkształcenie ziarn i cząstek gruntu; g) zmniejszenie obj. powietrza zamkniętego w porach gruntu

Odkształcenie gruntu powstałe na skutek obciążenia można podzielić na odkształcenie trwałe (nieodwracalne) i sprężyste (odwracalne). O.trwałe powstają z pkt `a-d', o.sprężyste - pkt `e-g'. Odkształcenie gruntu jest sumą odkształceń trwałych i sprężystych.

Moduł ściśliwości - miara ściśliwości gruntu. Dla gruntów niesk. min i org oraz nasypowych bada w edometrach określając ściśliwość przez edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej M_o i wtórnej M.

M₀,M=∆σ/ε; ∆σ - przyrost obciążenia jedn. próbki [kPa] ∆σ= σ_i- σ_i-1

ε - odkształcenie jednostkowe próbki ε=∆h/h=(h_i-1-h_i)/h_i-1

h_i-1-wys. próbki przed zwiększeniem obciążenia; h_i - po zwiększeniu

W badaniach terenowych ściśliwość przeprowadza się za pomocą próbnych obciążeń i badań presjometrycznych określając moduł ściśliwości właściwej. W edometrze próbkę gruntu obciąża się wzdłuż osi pionowej uniemożliwiając odkształcenia w kierunkach poziomych, próbka znajduje się w trójosiowym stanie naprężeń i jednoosiowym stanie odkształceń - odkształcenie osiowe = odkształcenie objętościowe. Stosunek napr. poprzecznego do bocznego - K_o - współczynnik naprężeń poprz. w spoczynku (współ.rozporu bocznego)

Badanie polega na wykorzystaniu zdolności gruntu do zmniejszania obj. na skutek przyłożonego obciążenia. | Edometr: wieszak na obciążniki, pierścień zewn,. czujniki, śruba dociskowa, ramka, filtr górny |

Najpierw wykonuje się sprawdzanie odkształceń własnych edometru:

Do pierścienia (między dwoma sączkami z bibuły filtracyjnej) wkłada się metalowy krążek (próbka zastępcza). Na górnej pow. krążka ustawić górny filtr z kulką przekaźnikową , ustawić czujniki edometru i zanotować wskazania pierwotne. (próbkę zastępczą obciążać odpowiednio... i notować wskazania czujników)

Przebieg: w grunt o NNS wciskamy pierścień, wyrównujemy, obie ściskane powierzchnie gruntu przykrywamy bibuła filtracyjną, pierscien z próbką umieścić w dolnym filtrze edometru, nałożyć oprawkę, filtr górny, skręcić śrubami, ustawić czujniki, kulkę przekaźnikową i trzpień. Odpowiednio obciążać i później odciążać i znów obciążać : )) (12,5;25;50;100;200;100;50;25;12.5;25;50,100;200)

Obliczenia: Wyniki spisujemy do tabeli i obliczamy moduły ściśliwości pierw. i wtórnej M₀,M=∆σ/∆ε. Sporządzamy wykres konsolidacji gruntu (zależność h próbki od czasu działania obciążenia przy tej samej wartości obc.). Wykres ściśliwości gruntu (zależność h próbki od jej pion. obc. σ.)

Parametry ściśliwości

Współczynnik ściśliwości - stosunek przyrostu porowatości do przyrostu naprężeń, które spowodowały przyrost wskaźnika porowatości w wyniku niemożliwości bocznej rozszerzalności a_i=∆e_i /∆ σ _i = (e_i - e_i+1) / (σ _i+1 - σ_i) [m²/MN], gdzie ∆e_i - zmiana wskaźnika porow. przy zmianie napr. w gruncie o ∆ σ _i. WŚ określa się w oparciu o krzywą ściśliwości.

Wskaźnik ściśliwości C_C - tangens kąta nachylenia prostej naprężenia w warunkach niemożności bocznej rozszerzalności. Nachylenie prostej odprężenia daje wartości wskaźnika odprężania C_C. e_i+1 = e_i - C_Clogσ _i, gdzie e_i - wskaźnik porowatości, σ _i - naprężenie pionowe. Do tego wyznaczamy jeszcze największe naprężenie pierwotne konsolidacji.

Moduł odkształcenia gruntu pierwotnego E₀ i wtórnego E - wyznacza się w warunkach swobodnej bocznej rozszerzalności. E₀,E=∆ σ_z / ε_z. Podczas badania ściśliwości w edometrze próbka nie może odkształcać się poprzecznie (pierścień) więc w próbce powstają naprężenia poziome σ_X= σ_Y które są proporcjonalne do naprężenia pionowego σ_Z. σ_X= σ_Y=K₀ σ_Z, gdzie K₀ wsp.rozporu bocznego

Z prawa Hooke'a : σ_X/E₀ - σ_Yν/E₀ - σ_Zν/E₀ =0 (w edometrze suma odkształceń musi = 0), gdzie po podstawieniach otrzymujemy

K₀= ν / 1-ν, gdzie ν - wsk. Poissona (bocznej rozszerzalności)

Zależność między E₀ a M₀ dla gruntów izotropowych E₀=δM₀, gdzie

δ=(1 + ν) (1 - 2 ν) / (1- ν)

5. Wytrzymałość gruntów na ścinanie (kryterium wytrzym. Coulomba-Mohra, ścieżki naprężeń, cechy wytrzym. gruntów, metody badań)

Wytrzymałością na ścinanie τ_f nazywa się opór, jaki stawia ośrodek gruntowy naprężeniom ścinającym w rozpatrywanym p-kcie ośrodka. W MG wytrz. na ścin. jest wielkością zależną wprost prop od spójności i kąta tarcia wewnętrznego. τ_f=c+ σ•tgΦ, σ-naprężenia normalne do płaszczyzny ścięcia. c-kohezja, Φ - kąt TW

Badania wytrz.na ścinanie dla gruntów skalistych:

*proste ścinanie, * ścinanie w aparatach bezpośredniego ścinania, *ścinanie ze ściskaniem, *ścinanie przez trójosiowe ściskanie, *ścinanie metodami skręcania. Dla gruntów nieskalistych: *bezpośrednie ścinanie, *ścinanie obrotowe, *ścinanie przez trójosiowe ściskanie.

Badanie: Aparat skrzynkowy pozwala na wyznaczenie parametrów wytrz.na ścinanie przez napr. całk. Aparat składa się z : filtra górnego i dolnego, ramki dolnej, tłoczka, śruby, płytek oporowych, z góry zadane jest siła pionowa, z boku siła tnąca.

Oznaczenia: Połączyć dwie części skrzyneczki za pomocą śrub, grunt umieścić między płytkami których ząbki skierowane są do wewn (w stronę gruntu). Na górze umieścić tłoczek przenoszący obciążenie normalne , nałożyć ramkę z wieszakiem. Przesunąć skrzynkę by stykała się z trzpieniem dynamometru i silnika elektrycznego, wykręcić śruby i uruchomić aparat; okresowo (co 30sek) notować wskazania czujnika dynamometru (siły tnącej) i wzajemne przemieszczenie się obu części skrzynek. Powtarzać tak dla kolejnych obciążeń (50,100, 200,400 kPa. Wyniki do tabeli gdzie obliczamy m.in. F (siłę ściskającą) i obliczyć c,Φ i τ_f -wytrzymałość na ścinanie)

Kryterium wytrzymałościowe Coulomba-Mohra (τ_f=c+ σ•tgΦ),

Naprężenia główne na płaszczyznach głównych gdzie styczne są = 0.

σ-naprężenie normalne, τ -napr. ścinające. σ1­,2,3 - napr główne największe, pośrednie, najmniejsze σ = (σ1+ σ3)/2 + cos2α·(σ1- σ3)/2; σ = p + q·cos2α, τ = sin2α ·(σ1- σ3)/2, τ = qsin2α

Współrzędne każdego punktu na tym okręgu będą wartościami naprężeń , σ i τ występującymi na płaszczyznach poprowadzonych przez rozpatrywany punkt ciała pod kątem α do kierunku działania naprężeń głównych σ₃.

Stan graniczny w ośrodku gruntowym | τ | = τ_f występuje gdy naprężenia są równe wytrz. na ścinanie.

Zakładamy np. ze mamy stałe σ₃ a zmieniamy σ₁ i możemy je zwiększać aż osiągniemy stan graniczny (więcej nie bo nastąpi ścięcie próbki i wówczas napr ścinające = wytrz. na ścinanie gruntu) Otrzymane koło o σ_1max i σ₃ nazywamy kołem granicznym Mohra, musi być ono styczne do prostej Coulomba i taki stan nazywa stanem granicznym wg kryterium Coloumba Mohra

Ścieżki naprężeń

Punkty od A-J to punkty naprężenia, łącząc te punkty otrzymujemy ścieżkę naprężenia. AE, FJ - ścieżki (trajektorie naprężeń), łącząc J oraz E uzyskujemy odpowiednie odpowiednie zmodyfikowaną. C_T - spójność zmodyfikowana c = C_T / cosΦ, tgΦ_T = sinΦ

7. Woda w gruntach i zjawiska z nią związane (rodzaje wód gruntowych, przepływ wody w gruncie i zjawiska wywołane filtracją)

Postacie wody w gruntach:

woda błonkowa przywarta na powierzchni cząstek gruntowych,

*woda kapilarna utrzymtwana siłami napięcia powierzchniowego w

porach gruntu ponad zwierciadłem wody wolnej,*woda wolna.

Wody gruntowe są zasilane przesiąkającą do gleby wodą deszczową,infiltracją wód powierzchniowych z otwartych zbiorników wodnych i rzek oraz kondensacją pary wodnej,znajdującej się w porach gruntów.Występują odwrotne sytuacje;woda gruntowa na powierzchni terenu w postaci źródeł lub zasila otwarte zbiorniki przez ich dno.Rozróżniamy wody gruntowe: właściwe(stanowią ciągły poziom wodonośny,zalegają na znacznym obszarze) i zaskórne(występują na lokalnych soczewkach gruntów małoprzepuszczalnych powyżej zwierc. właściwej wody gruntowej,zależy od ilości opadów), woda naporowa międzywarstwowa(występuje między dwiema małoprzepuszczalnymi warstwami),artezyjska(gdy górna małoprzepuszczalna warstwa gruntu spoistego znajduje się w zagłebieniu na pow.terenu,wówczas woda naporowa może znaleźć się ponad powierzchnią).

Przepływ wody w gruncie.Prędkość ruchu wody zależy od uziarnienia (kanaliki),temperatury,składu mineralnego.W rzece wyróżniamy ruch laminarny(cząstki poruszają się po torach równoległych),turbulentny(burzliwy,tory cząstek się przecinaja).W grun. mamy doczynienia z ruchem laminarnym.Prędkość wody opisuje prawo Darcy'ego v=k*i i-spadek hydrauliczny,k-stała:żwir-10^-2 do 10^-3 m/s,P_G

i śr.-10^-3 do 10^-5,P_π 10^-4 do 10^-6,gliny 10^-8 do 10^-10,iły 10^-10 do 10^-12.

Trzy zasadnicze kierunki:-przepływ w kierunku poziomym (po

warstwie nieprzepuszcz.),- przepływ w kierunku pionowym w dół (najczęściej wyst. przy przesączaniu się wody zaskórnej przez niżej

leżącą małoprzepuszczalną warstwą),-w kierunku pionowym w górę.

Zjawiska wywołane filtracją:

Ciśnienie spływowe-wywołane przez przepływającą wodę przez grunt

na szkielet gruntowy,powstaje opór tarcia wody o cząstki gruntowe,aby pokonać ten opór musi być zużyta hydrauliczna różnica ciśnień wody. p_s=P/V=iγ[kN/m³] siłę tę nazywamy ciśnieniem spływowym,liczbowo równa się iloczynowi spadku hydraulicznego i cięzaru objętościowego wody.Siły te powodują różne zmiany w gruncie (zmiana porowatości)

Wielkośc spadku krytycznego,stan równowagi granicznej

G=h2·l·1.0·γ'-ciężar obj. gruntu; Ps=ps·V; ps=γi; Ps=γi·h2·l·1.0; G>Ps; G<Ps; G=Ps - stan równowagi granicznej, odpowiadający mu spadek hydrauliczny nazywamy spadkiem krytycznym.

h₂*l*1.0*γ'=γi*h₂*l*1.0 => i=γ'/γ np.i=h₁-h₂/h₂

Gdy występuje stan równowagi:cząstki „pływają” nie oddziaływując na siebie, grunt przyjmuje właściwości cieczy,traci cechy ciała stałego-kurzawka.Zjawisko to nie występuje w żwirach i iłach.

wypieranie gruntu-zjaw. powod. wypór gruntu przez ciśn.spływowe

Głęb. do jakiej można kopać: h2=γ·h1/γ'+γ

Sufozja-zjawisko przenoszenia przez przepływającą wodę(nastąpić musi v_krytyczna =15^-1/k wody przepływającej) cząstek gruntu które wydostają

się poza obszar gruntu.Im większa prędkość wody tym większe wymywa cząstki,sufozja występuje głównie w gruntach pylastych,nie występuje w gruntach spoistych.

1.Właściwości fizyczne gruntów(podstawowe i pochodne ,metody badań)

Grunty składają się z 3 faz - * stałej (szkielet gruntowy), *ciekłej (woda), * gazowej (powietrze)

M=Md+Mw; V=Vs+(Vw+Va) Vp=(Vw+Va) ρs=Md/Vs - gęstość właściwa ρ=M/V - gęstość objętościowa ρd = Md/V=100*ρ/100+Wn - gestość objętościowa szkieletu

Wn - wilgotność naturalna gruntu w terenie (w momencie pobierania próbki) Wn= (Mw/Md) *100%, Md - masa szkieletu

Porowatość to objetość porów gruntowych do obj całej próbki n=Vp/V=ρ_s-ρ_d/ρ_s=e/1+e

e - wskaźnik porowatości; e =Vp/Vs = (ρ_s-ρ_d/ρ_d)*100%=n/1-n

Wilgotność całkowita - gdy pory są całkowicie wypełnione wodą Wr=(e*ρ_w/ρ_s)*100%

Stopień wilgotności Sr=Vw/Vp=Wn/Wr=Wn*ρ_s/100*e*ρ_w

Podział gruntów niespoistych ze względu na wilgotność

*gr. suche (Sr=0); *gr. mało wilgotne (Sr=0÷0.4)

*gr. wilgotne (Sr=0,4÷0.8); *gr. nawodnione (Sr=0,8÷1.0)

ρ_śr=ρ_d+n - gęstość obj. gruntu całk. Wypełniona wodą powyżej zw. w.G.

ρ'=(1-n)(ρ_s-1) - gęstość obj. gruntu całk.wypełniona wodą poniżej z.w.G.

ρ'= ρ_śr - 1

Wilgotność optymalna - -odpowiada maksymalnej gęestości objęt. Szkieletu gruntowego uzyskanej w aparacie Proktora.

Wskaźnik zagęszczenia Is= ρ_d/ ρ_ds ; ρ_ds - gęst. w stanie max zagęszczenia

Stopień zagęszczeenia I_D, I_D=(e_max-e)/( e_max-e_min)

e_max - występuje gdy pory gruntowe są jak największe

e_max =(ρ_s-ρ_dmin)/ρ_dmin

e_min - występuje gdy pory gruntowe są minimalne e_max =(ρ_s-ρ_dmax)/ρ_dmax

Podział gr. niespoistych ze względu na zagęszczenie

(Gr. nienośne) *gr. luźne (I_D ≤0.33)

(Gr. nośne) *gr. średnio zagęszczone (I_D =0.33÷0.67)

*gr. zagęszczone (I_D =0.67÷0.8), *gr. b. zagęszczone (I_D =0.8÷1.0)

Grunty spoiste

Gr. skurczalności - Ws - wilgotność jaką ma próbka gruntu gdy przy dalszym suszeniu nie zmienia objętości

Gr plastyczności - Wp - wilgotność jaką ma grunt gdy wałeczek z niego wykonany przy średnicy 3mm pęka poprzecznie lub podłużnie

Gr płynności - W_L - wilgotność jaka posiada pasta gruntowa umieszczona w miseczce aparatu Casagranda gdy bruzda w niej wykonana zlewa się na długości 1 cm i wysokości 1 mm przy 25 uderzeniach miseczki o podstawę aparatu

Stopień plastyczności I_L=(Wn-Wp)/(W_L - Wp) = (Wn-Wp)/Ip

Podział gruntów spoistych ze wzgl. na stan(Pierwsze 3 to stany nośne)

Konsystencja	Stan	Stopień plastycz. IL	Wilgotność naturalna Wn
Zwarta Wp---------- Plastyczna WL---------- Płynna	zwarty Ws --------- Półzwarty Twardo plast Plastycz. Miękko plastycz. Płynny	IL<0 IL≤0 0<IL≤0,25 0,25<IL≤0,5 0,5<IL≤1,0 IL>1.0	Wn < Ws Ws<Wn<Wp Wp<Wn<WL Wn > WL

---