1. GRUNTOZNAWSTWO

1. Struktura, uziarnienie i zasady klasyfikacji gruntów.

STRUKTURA - wzajemny układ ziaren i cząstek gruntowych tworzących szkielet gruntowy. Struktura zależy od jakości i wymiarów cząstek oraz od warunków powstania gruntu.
Rozróżnia się 3 typowe struktury gruntu:

• Ziarnista

• Komórkowa

• Kłaczkowa

Struktura ziarnista - charakterystyczna dla piasków i żwirów o ziarnach wykazujących znikome wzajemne przyciąganie, cechuje ją porowatość gruntów w granicach 20-50%.

Struktura komórkowa - charakterystyczna dla gruntów ilastych odłożonych w wodzie bez uprzedniego połączenia się opadających cząstek. Opadające pojedyncze cząstki pyłowe i iłowe przy zetknięciu się z innymi, wcześniej osadzonymi są przyciągane przez nie i to z siłą często większą od ciężaru opadających cząstek. Łączące się w ten sposób cząstki tworzą szkielet o strukturze komórkowej. Grunty takie wykazują dużą porowatość, znacznie większą niż 50%.

Struktura kłaczkowa - powstaje z cząstek prawie wyłącznie iłowych, opadających w wodzie z rozpuszczonymi solami. Roztwory te powodują zmniejszenie potencjału elektrokinetycznego cząstek, które łączą się z sobą już podczas opadania między sobą w kłaczki i po opadnięciu tworzą strukturę kłaczkową. Struktura kłaczkowa odznacza się bardzo dużą porowatością.

Bardzo często grunty mają strukturę mieszaną.

UZIARNIENIE - rozkład wielkości ziaren. W uziarnieniu gruntów rozróżnia się 5 zasadniczych frakcji:

• Kamienista >40mm

• Żwirowa 40-2mm

• Piaskowa 2-0,05mm

• Pyłowa 0,05-0,002mm

• Iłowa <0,002mm

Lub ze względu na wymiar, wszystkie elementy gruntu dzielimy na:

• Ziarna o średnicy zastępczej >= 0,05mm

• Cząstki o średnicy zastępczy <0,05mm

• Cząstki minerałów ilastych o średnicy zastępczej <= 0,002mm

Spotykane w praktyce grunty zawierają nieznaczne ilości ziaren większych niż 2mm, toteż dla określenia rodzaju gruntu wg uziarnienia stosuje się na ogół klasyfikacje opartą na 3 najdrobniejszych frakcjach. Dla zobrazowanie wzajemnego stosunku zawartości tych frakcji w gruntach stosuje się trójkąt Fereta.

2.Trójfazowy model gruntu; podstawowe właściwości fizyczne.

GRUNT - zbudowany jest z ziaren i cząstek tworzących szkielet gruntowy, w którym znajdują się pory wypełnione całkowicie wodą lub powietrzem albo częściowo wodą i częściowo powietrzem.

Trójfazowy model gruntu : Ziarna i cząstki tworzą w gruncie fazę stałą, woda - fazę ciekłą a powietrze (para wodna i gazy) - fazę gazową.

PODSTAWOWE WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE GRUNTU:

Wilgotność (W)- stosunek masy wody do masy szkieletu gruntowego, zmienia się w przedziale od 0 do w_r gdzie w_r oznacza wilgotność całkowitą odpowiadającą pełnemu nasyceniu wodą, wilgotność zależy od temperatury

Wilgotność naturalna (W_n) - wilgotność jaką grunt ma w stanie naturalnym w złożu

Gęstość objętościowa gruntu (ρ) - stosunek masy gruntu do jego objętości

Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego (ρ _d)- stosunek masy szkieletu gruntowego do całkowitej objętości gruntu

Gęstość właściwa szkieletu gruntowego (ρ _s)- stosunek masy szkieletu gruntowego do jego objętości

Porowatość gruntu (n) - stosunek objętości porów do całkowitej objętości gruntu

4.Rodzaje wody w gruncie; ruch wody w gruncie; ciśnienie spływowe

Woda w gruncie występuje w postaci:

• Wody błonkowej przywartej na pow.cząstek gruntowych

• Wody kapilarnej utrzymywanej siłami napięcia powierzchniowego w porach
  gruntu ponad zwierciadłem wody wolnej

• Wody wolnej

RUCHY WODY W GRUNCIE:

Na wodę błonkową działają tak duże siły przyciągania powierzchniowego, że nie ulega ona sile przyciągania ziemskiego. Woda kapilarna opada w dół, gdy jej ciężar przewyższy kapilarne siły napięcia powierzchniowego. Woda wolna całkowicie ulega sile ciężkości i zajmuje możliwie najniższe położenie w porach gruntów przepuszczalnych. Wodę wolną w gruntach nazywa się wodą gruntową.

W strefie AERACJI (napowietrzenia) znajduje się woda związana i woda kapilarna. Z kolei woda opadowa przecieka do strefy SATURACJI (gdzie znajduje się zwierciadło wody gruntowej) oraz woda wolna i woda związana.

CIŚNIENIE SPŁYWOWE (hydrodynamiczne) - Przy ruchu wody w gruncie powstaje opór tarcia wody o cząstki gruntowe. Na pokonanie tego oporu musi być zużyta hydrauliczna różnica ciśnień wody, działających na przednią i tylną ścianę rozpatrywanego elementu gruntu. Tę różnicę ciśnień nazywamy ciśnieniem spływowym i liczbowo równa się ona iloczynowi spadku hydraulicznego i ciężaru objętościowego wody. Kierunek działania tej siły jest styczny do linii przepływu, jest to siła objętościowa [kN/m³].

5.Wodoprzepuszczalność gruntów; wyznaczenie wartości współczynnika k.

WODOPRZEPUSZCZALNOŚĆ - zdolność gruntu do przepuszczania wody siecią kanalików utworzonych z jego porów.

Prędkość przepływu wody w gruncie określa prawo Darcy'ego w postaci: v = ki

k - współczynnik wodoprzepuszczalności (filtracji) gruntu [m/s]

i - spadek hydrauliczny, określony wzorem i = ΔH/l

ΔH - różnica wysokości hydraulicznej [m]

l - długość drogi przepływu wody [m]

Opór jaki grunt stawia wodzie przy jej przepływie, zależy od :

• Uziarnienia

• Porowatości

• Składu mineralnego

• Temperatury

Czynnikiem powodującym przepływ wody w warunkach naturalnych są siły grawitacji ziemskiej dążące do wyrównania różnic poziomów wody w naczyniach, między którymi umożliwiony jest przepływ wody. Właściwie każdy grunt w obrębie którego zachodzi przepływ można rozpatrywać jako układ naczyń połączonych. Siłą działającą jest tu iloczyn różnic wysokości poziomów wody ΔH i jej ciężaru właściwego. Siłą ta rozkłada się równomiernie na całą drogę przepływu, jeżeli opory na całej drodze będą jednakowe, a więc prędkość przepływu wody będzie zależeć od ilorazu otrzymanego z podzielenia nadciśnienia przez długość drogi filtracji czyli od tzw spadku hydraulicznego.

Miarą wodoprzepuszczalności gruntu jest tzw. stała k zwana stałą Darcy'ego określająca zależność między spadkiem hydraulicznym a prędkością przepływu wody w gruncie. Stała k jest wielkością charakterystyczną dla danego ośrodka gruntowego tj.nie zależy od spadku hydraulicznego natomiast zależy od porowatości gruntu jego uziarnienia oraz temp wody która przepływa przez grunt

WYZNACZENIE STAŁEJ K

Za pomocą wzorów empirycznych )doświadczalnie) opartych na krzywej uziarnienia gruntu

Wzór Krügera:

gdzie: n - porowatość gruntu liczona z zależności:

dla

C - pole powierzchni cząstek gruntu zawartych w 1cm³ obliczona
ze wzoru:

d_q - średnica miarodajna określana na podstawie krzywej
uziarnienia za pomocą wzoru:

gdzie: a_i - zawartość poszczególnych frakcji wyrażona w postaci ułamka
dziesiętnego, określana wagowo;

d_i - średnia średnica cząstek w granicach poszczególnych
przedziałów;

Wzór Hazena:

gdzie: d₁₀ - średnica miarodajna, poniżej której zawartość ziaren w składzie
granulometrycznym gruntu wynosi 10% masy gruntu; [mm]

C - współczynnik empiryczny zależny od porowatości

LANGE

oraz

gdzie

WYDATEK WODY Q

Q = kita

6.Stan naprężenia i odkształcenia w ośrodku gruntowym.

Każdy ośrodek odkształca się pod wpływem zmiany układu i wartości działających na niego sił. Różnice odkształceń wynikają z budowy ośrodka.

Ośrodki o budowie ciągłej do których można zaliczyć skały lite, odkształcają się stosunkowo niewiele, ale szybko(z prędkością dźwięku). Odkształcenia te są, praktycznie odwracalne; ośrodki takie można uznać za sprężyste.

Zasadniczą cechą ośrodka stałego(skał litych) jest bardzo ścisłe ułożenie molekuł (brak porów) i istnienia bardzo dużych sił wewnętrznych, co powoduje ze może on być poddany działaniu zewnętrznych sił bez zakłócenia układu elementów, stąd wynika liniowość i sprężystość układu.

Ośrodki rozdrobnione, do których zalicza się skały spękane i grunty, odkształcają się dość dużo i stosunkowo wolno, zależnie od spękania, porowatości i spoistości utworów oraz wartości działających na nie sił. Odkształcają się tylko częściowo, odwracalnie. Ośrodek rozdrobniony (gruntowy) charakteryzuje się istnieniem dużych porów między ziarnami i małych sił wewnętrznych. Przypadkowy nieregularny układ ziaren i cząstek oraz istnienie porów i nieregularnym kształcie powoduje ze przy częstym ściskaniu (równomiernym ze wszystkich stron), niektóre elementy są bardziej obciążone co prowadzi do wzajemnego trwałego przemieszczenia ziaren i cząstek a więc nieliniowych i najczęściej nieodwracalnych odkształceń ośrodka rozdrobnionego. Należy również wziąć pod uwagę ze w punktach kontaktu ziaren lub cząstek występują znacznie większe naprężenia niż naprężenia obliczeniowe, odniesione do całego przekroju gruntu.

MOŻLIWE STANY ODKSZTAŁCENIA W GRUNCIE: W

• Jednoosiowy(liniowy) obciążenie równomiernie rozłożone od ciężaru gruntu

• Dwuosiowy (płaski)

• Trójosiowy (przestrzenny) bo grunt nie przenosi naprężeń rozciągających

7. Modele reologiczne stosowane w mechanice gruntów. W

• ciało Hooke'a idealnie sprężyste

• ciało Saint-Venanta sztywno-plastyczne, idealnie plastyczne

• ciecz Newtona ciecz jest nieściśliwa

8.Naprężenia pierwotne(bytowe) w gruncie.W

Przy obliczaniu naprężeń w gruncie należy uwzględniać (z nielicznymi wyjątkami) obciążenie od własnego ciężaru. Naprężenia istniejące w gruncie od ciężaru wyżej leżących warstw nazywamy pierwotnymi (bytowymi) i oznaczamy symbolem σ_γz

• wyznaczanie naprężeń pierwotnych pionowych
  wartości naprężenia σ_γz wyznaczamy ze wzoru:
  
  gdzie γ_i - ciężar objętościowy gruntu w każdej w warstwie i
  h_i - grubość poszczególnych warstw i
  Duży wpływ na wartość naprężeń pierwotnych w gruncie wywiera zmiana poziomu wody. Grunt poniżej zwg podlega zgodnie z prawem Archimedesa wyporowi. Działanie wody zmniejsza ciężar objętościowy gruntu o ok. 9,8 kN/m³. Wybór bierzemy pod uwagę bez względu na to, czy grunt jest sypki czy spoisty, gdyż w prawie każdym gruncie spoistym są szczeliny lub przewarstwienia z gruntów przepuszczalnych. W razie podniesienia się zwg o kilka metrów naprężenia pierwotne w gruncie jednorodnym znacznie się zmniejszają. W przypadku obniżenia się zwg naprężenia znacznie się zwiększają, zwłaszcza gdy grunt jest drobnoziarnisty i występuje zjawisko kapilarności biernej.

• Wyznaczanie naprężeń pierwotnych poziomych
  W każdym punkcie ośrodka gruntowego oprócz pionowych naprężeń pierwotnych istnieją poziome naprężenia pierwotne, których wartość obliczamy we wzoru:
  
  gdzie
  K₀ - współczynnik rozporu bocznego (lub parcia spoczynkowego); jego wartość wyznacza się z warunku że poziome odkształcenia każdego dowolnego sześcianu „myślowo” wydzielonego z próbki w edometrze są równe 0

10.Hipoteza wytrzymałościowa Coulomba.W

Maksymalny opór τ_f (opór graniczny) jaki stawia ośrodek gruntowy naprężeniom stycznym nazywamy WYTRZYMAŁOŚCIĄ gruntu, którą zgodnie z kryterium Coulomba określa wzór:

τ_f = σ tgΦ + c

gdzie τ_f - naprężenie styczne powodujące ścięcie gruntu w danym punkcie

σ - naprężenie normalne w tym samym punkcie

Φ - kąt tarcia wewnętrznego

c - kohezja - ogólna nazwa zjawiska stawiania oporu przez ciała fizyczne, podawane rozdzielaniu na części. Jej miarą jest praca potrzebna do rozdzielenia określonego ciała na części, podzielona przez powierzchnię powstałą na skutek tego rozdzielenia.

mechanicznych odróżnieniu od stałych sprężystych ośrodka ciągłego E, K i G wartości cech mechanicznych ośrodka rozdrobnionego M, Φ i c są zmienne i zależą od wielu czynników: od uziarnienia i składu mineralnego gruntu, jego porowatości, wilgotności, przeszłości geologicznej, obciążeń geologicznych i obecnych szybkości przyrostu obciążeń, warunku odpływu wody z obciążonego ośrodka itp.

11.Hipoteza wytrzymałościowa Coulomba-Mohra. W

Koło styczne do prostej Coulomba nazywamy kołem granicznym Mohra, a stan naprężenia w rozpatrywanym punkcie nazywamy stanem granicznym naprężenia wg hipotezy Coulomba-Mohra.

12. Hipoteza wytrzymałościowa Coulomba-Terzaghiego.W

13.Parametry odkształcalności gruntów: M,E i v.

M - moduł ściśliwości wtórnej; jest to w pewnej mierze odpowiednik modułu sprężystości ciał sprężystych, różnica polega na tym że dla gruntów zależność między przyłożonym obciążeniem i odkształceniem jest prawie zawsze krzywoliniowa. Grunt nie jest ciałem sprężystym ulega trwałym odkształceniom i po odciążeniu nie wraca do pierwotnej objętości. Jednoosiowe

14.Krzywa ściśliwości edometrycznej.

Badając w edometrze ściśliwość pasty gruntowej (grunt o wilgotności bliskiej granicy płynności) uzyskujemy tzw. krzywą ściśliwości pierwotnej. Przerywając przy pewnym nacisku dalsze obciążanie i wykonując odciążanie uzyskujemy krzywą odprężenia która przechodzi znacznie poniżej krzywej pierwotnej ściśliwości. Po ponownym obciążeniu wtórna krzywa ściśliwości początkowo przebiega ponad krzywą odprężenia a potem przecina ją tworząc tzw, Pętlę HISTEREZY i następnie wpisuje się w kierunek linii pierwotnej ściśliwości

---