PODSTAWY TEORETYCZNE

Ściśliwość gruntów

Ściśliwość - zdolność gruntu do zmniejszania swojej objętości pod wpływem obciążenia.

Przyczyny ściśliwości gruntów:

usunięcie z gruntu wody wolnej i kapilarnej

przesunięcie cząstek gruntu (bardziej stateczne położenie)

usunięcie z gruntów pęcherzyków powietrza

zgniecenie niektórych ziaren gruntu

sprężyste odkształcenie powłoki wody błonkowej

sprężyste odkształcenie cząstek gruntu

sprężyste zmniejszenie się objętości powietrza zamkniętego w porach gruntu

W wyniku obciążenia gruntu powstają odkształcenia trwałe nieodwracalne i sprężyste odwracalne. Całkowite odkształcenie gruntu jest sumą odkształceń od obciążenia trwałego i sprężystego. W wyniku obciążania gruntu zachodzą w nim w/w zjawiska a objętość gruntu się pomniejsza. Po zdjęciu obciążenia następuje odprężenie,(nastąpi przyrost objętości) jednakże grunt nie wróci do swojego pierwotnego stanu, gdyż z gruntu została usunięta część powietrza i wody oraz nastąpiło częściowe przesunięcie i zgniecenie niektórych ziaren. Procesom tym towarzyszy zagęszczenie gruntu (zmniejszenie porowatości).

Krzywa ściśliwości - linia przedstawiająca zależność pomiędzy obciążeniem (ciśnieniem) a odkształceniem (zmianą objętości) gruntu.

Rozróżniamy krzywe :

ściśliwości pierwotnej

próbkę gruntu umieszcza się w edometrze i stopniowo obciąża, mierząc każdorazowo jej wysokość

odprężenia

stopniowo zmniejsza się obciążenie, mierząc każdorazowo jej wysokość

ściśliwości wtórnej

ponownie zwiększa się obciążenie i mierzy wysokość próbki

Wyznaczanie parametrów ściśliwości gruntów

Moduł ściśliwości( pierwotnej i wtórnej)

Moduł ten określa się laboratoryjnie przy użyciu edometru. Do badania używa się próbek NNS. Badanie ściśliwości przy użyciu edometru sprowadza się do stopniowego obciążania próbki gruntu umieszczonej w pierścieniu edometru i zapisywaniu zmian jej wysokości. Wielkości odczytywane są bezpośrednio z edometru.

Po wykonaniu badania w edometrze należy oznaczyć wilgotność, gęstość objętościową i gęstość szkieletu gruntowego próbki.

Uzyskane w badaniu wyniki służą do wykonania krzywych ściśliwości (wykres o współrzędnych prostokątnych, w którym oś odciętych obrazuje naprężenia a oś rzędnych wysokości próbki).

Edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej

Jest to moduł ściśliwości wyznaczony w edometrze i definiowany jest jako stosunek przyrosty naprężenia normalnego do przyrostu całkowitego odkształcenia względnego (mierzonego w kierunku działania naprężeń )

Korzystając z uzyskanych wartości pomiarów ściśliwości gruntu , edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej (M0i) określa się ze wzoru:

w którym : i - przyrost naprężenia w Pa

hi - wysokość próbki przed zwiększeniem naprężenia

hi­ - zmniejszenie wysokości próbki na skutek zwiększenia naprężenia o i

i - odkształcenie jednostkowe próbki

= (hi - hi+1)/hi = hi / hi

- współczynnik poprawkowy

Edometryczny moduł ściśliwości wtórnej

Określa się tak samo jak pierwotnej przy czym wartości do wzoru podstawia się z krzywej ściśliwości wtórnej.

Współczynnik ściśliwości ( a )

Definiuje się go jako stosunek przyrostu wskaźnika porowatości do przyrostu naprężeń, które spowodowały ten przyrost.

Znak (-) oznacza że przyrostowi naprężeń odpowiada zmniejszenie wskaźnika porowatości.

Praktyka wykazała, że dla małego przyrosty naprężeń (100 - 400 kPa) współczynnik ściśliwości można obliczyć ze wzoru:

Dla danego gruntu wartość współczynnika ściśliwości jest zmienna i zależy od naprężeń.

Znając współczynnik ściśliwości można obliczyć edometryczny moduł ściśliwości gruntu:

Zależność pomiędzy współczynnikiem ściśliwości a wysokością próbki określa wzór:

Wodoprzepuszczalność

Wodoprzepuszczalność - zdolność gruntów do przepuszczania wody pod ciśnieniem.

Woda pod ciśnieniem ma możliwość przepływu dzięki sieci kanalików utworzonych z porów gruntu. Objętość przepływającej przez grunt wody jest wprost proporcjonalna do współczynnika filtracji, powierzchni przekroju przepływu, ciśnienia wody i czasu trwania ruchu wody, a odwrotnie proporcjonalna do grubości gruntu (drogi).

Objętość wody przepływającej przez grunt (cm3) opisuje wzór Darcy'ego:

gdzie: k - współczynnik filtracji (cm/s)

T - czas przepływu (s)

A - powierzchnia przekroju próbki prostopadła do kierunku przepływu (cm2)

H - wysokość słupa wody (różnica poziomów) (cm)

h - długość drogi filtracji (cm)

H/h - gradient hydrauliczny

Wodoprzepuszczalność danego gruntu charakteryzuje współczynnik filtracji.

Współczynnik filtracji zależy od:

uziarnienia

wielkości porów (zagęszczenia)

temperatury wody (lepkości)

składu mineralnego gruntu

i wyznacza się go przede wszystkim dla gruntów sypkich (aby ocenić ich przydatność na podsypkę pod nawierzchnie dróg lub jako sączki odwadniające itp.), laboratoryjnie lub w badaniach polowych (próbne pompowanie).

Wyznaczanie współczynnika filtracji

Do oznaczenia tego współczynnika potrzebna jest następująca aparatura:

aparat do filtracji

suszarka

odpowietrzacz wody

waga

termometr

stoper

Grunty niespoiste o nienaruszonej strukturze

Kolejność wykonywania czynności:

wcześniejsze oznaczenie gęstości właściwej, gęstości objętościowej w stanie naturalnym oraz wilgotności oraz obliczenie porowatości i wskaźnika porowatości naturalnej.

pomiar geometrii i wagi pierścienia oraz obliczenie jego objętości

wyznaczenie gęstości objętościowej gruntu o naturalnej strukturze i wilgotności

dokładnie wyrównać powierzchnię próbki (nożem) zważyć ją i wysuszyć

wmontować pierścień do aparatu i poddać grunt obciążeniu roboczemu

do filtracji należy używać wody przegotowanej lub odpowietrzonej

dopływ wody powinien być powolny tak aby wyprzeć powietrze z gruntu

ustala się kierunek filtracji od dołu i po ustabilizowaniu się gradientu hydraulicznego przystępuje się do właściwego pomiaru filtracji

do wylewu podstawia się menzurkę i mierzy czas jej napełnienia (lub części)

pomiar wykonuje się pięciokrotnie , następnie zmienia bieg filtracji na od góry i powtarza czynności

dla każdej serii badań mierzy się temperaturę

Po wykonaniu pomiarów współczynnik filtracji oblicza się ze wzoru:

a następnie redukuje do temperatury 10 stopni Celsjusza

w którym t oznacza temperaturę pomiaru

Grunty sypkie o naruszonej strukturze i grunty spoiste

Sposób oznaczenia współczynnika filtracji dla tych gruntów niczym nie odbiega od opisanego powyżej. Różnice zachodzą głównie w sposobie interpretacji wyników oraz przygotowania próbek. Dodatkowo w przypadku gruntów spoistych należy użyć specjalnego aparatu do filtracji ze względu na większy gradient hydrauliczny.

Współczynnik filtracji a uziarnienie i porowatość

Istnieje również możliwość wyznaczenia współczynnika filtracji gruntów sypkich ze wzorów empirycznych (mając dane uziarnienie i porowatość).

Wzór Hazena

k10 = 1,16 d210

Wzór Seelhaima

k10 = 0,357 d250

Określenie w ten sposób wskaźnika filtracji jest korzystne wówczas gdy wystarczy znać jego orientacyjną wartość.

Wnioski

Z wykonanych obliczeń wynika iż wartość modułu ściśliwości wtórnej jest większa od wartości modułu pierwotnego co wskazuje, że wraz ze wzrostem modułu ściśliwości badanego gruntu maleje jego osiadanie. Wartości wyznaczonego modułu zawierają się w granicach podanych przez literaturę ( J.Waluk Laboratorium z mechaniki gruntów). Wraz ze wzrostem naprężeń maleje współczynnik porowatości. Trudno jest mi, ze względu na zbyt małe doświadczenie opisać zależności między wykresami naprężeń.

Badając wodoprzepuszczalność łatwo zauważyć że wartość jednostkowego przepływu wody (q) zwiększa się wraz ze wzrostem spadku hydraulicznego (i).

---