Geotechnika - nauka o pracy i badaniach ośrodka gruntowego dla celów projektowania i wykonawstwa budowli ziemnych (nasypy kolejowe, drogowe, skarpy); budowli nadziemnych (tunele, przejścia podziemne); fundamentów budowlanych - bezpośrednich (ławy fundamentowe, stopy); fundamentów budowlanych pośrednich (pale, skrzynie). Obciążenia w fundamentach budowlanych pośrednich przekazywane są np. przez pręty na powierzchnię nienośną.

Mechanika gruntów jest nauką o fizycznych właściwościach ośrodka gruntowego oraz o stanach naprężeń i odkształceń podłoża gruntowego pod wpływem działających obciążeń.

I stan graniczny - stan nośności (czy grunt przeniesie obciążenie).

II stan graniczny - stan użytkowania (grunt przeniesie obciążenie, ale powstaje osiadanie,

rysa na budowli).

Gruntami nazywamy tworzywo zewnętrznych warstw skorupy ziemskiej (do 50 m). Warstwy te zbudowane są ze skał litych i utworów skruszonych. Mechanika gruntów zajmuje się utworami skruszonymi (gruntami).

Grunty budowlane są to grunty, które znajdują się w zasięgu wpływu obciążeń przekazywanych przez budowle. Ich rola jest dwojaka:

• stanowią podłoże budowlane, czyli współpracują przy przenoszeniu obciążeń z budowli,

• jako materiał do wznoszenia budowli ziemnych.

Do właściwego projektowania i wykonywania niezbędna jest znajomość:

• budowy geologicznej, cech fizyko-mechanicznych gruntów podłoża,

• wpływu warunków hydrogeologicznych i przepływu wody oraz odwodnienia czasowego lub stałego na nośność gruntu,

• rozkładu naprężeń w podłożu budowli,

• dopuszczalnych obciążeń gruntu i dopuszczalnych odkształceń podłoża pod daną budowlą,

• obliczania stateczności budowli poddanych obciążeniom poziomym,

• obliczeń stateczności skarp i zboczy na terenach osuwiskowych,

• metod obliczania nośności fundamentów,

• metod wykonawstwa robót ziemnych,

• metod wzmacniania podłoża,

• metod projektowania nawierzchni drogowych.

Skały zbudowane są z materiałów takich jak: kwarc, skalenie, kalcyt, mika.

Procesy geologiczne

Skały zbudowane są z minerałów: kwarc, skalenie, mika, kalcyt; kwarc nie ulega wietrzeniu. Skalenie wietrzeją i powstają miki.

1. W głębokich strefach skorupy ziemskiej:

1. przemieszczanie się skorupy ziemskiej, jej podnoszenie się i opadanie, pofałdowania i uskoki;

2. wylewy magmy i tworzenie się nowych skał:

• skały wylewne,

• skały głębinowe;

3. przerażanie wcześniej powstałych skał

• skały metamorficzne.

2. Na powierzchni skorupy ziemskiej.

1. wietrzenie skał:

• fizyczne,

• chemiczne,

• organiczne,

• mechaniczne;

2. utwory osadowe.

Grunty należą do utworów osadowych:

• pochodzenia miejscowego,

• naniesione:

Właściwości fizyczno-chemiczne gruntów

Grunt jest materiałem nieciągłym, składa się z oddzielnych ziaren i cząsteczek. Jego szczególne właściwości wymagają wprowadzenia dużej liczby parametrów charakteryzujących jego cechy fizyczne i mechaniczne oraz stosowania dodatkowych podziałów ze względu na skład granulometryczny, ze względu na genezę i inne. Właściwości fizyczne i mechaniczne zależą od cech fizyczno-chemicznych:

• skład mineralny gruntów i uziarnienia,

• powierzchnia graniczna cząsteczek gruntu,

• zjawiska fizyczno-chemiczne na powierzchni granicznej,

• zjawiska kapilarne.

Skład granulometryczny i mineralny gruntów.

W jego skład mogą wchodzić (uziarnienie gruntów);

• bloki i odłamki skalne,

• ziarna i cząstki mineralne,

• cząstki organiczne rozłożone i nie rozłożone.

Grunty naturalne stanowią mieszaninę w różnych proporcjach ilościowych ziaren i cząstek o różnych średnicach.

Ziarna piaskowe składają się głównie z kwarcu i kamionki tworząc luźny zbiór o strukturze ziarnistej. Ich kształt jest bryłowaty, może być ostrokrawędziowy lub obtoczony; mają powierzchnię gładką lub chropowatą.

Cząstki pyłowe jest to mączka skalna. Świeżo odłożone cząstki zawierają cząstki kwarcowe i krzemionkowe oraz znaczną ilość skalenia i mik, które podlegają dalszym procesom wietrzenia chemicznego tworząc cząstki iłowe.

Cząstki iłowe odznaczają się warstwową budową krystaliczną. Kształt cząsteczek jest blaszkowaty lub iglasty.

Budowa zbioru cząsteczek iłowych - struktura gruntów ilastych w zależności od sposobu ich osadzania się:

1. komórkowa (powstaje, gdy woda jest czysta);

2. kładkowa (powstaje, gdy płytki materiałów ilastych opadają w wodzie zawierającej sole mineralne);

3. mieszana.

Pomiędzy cząsteczkami materiału ilastego występują siły wzajemnego przyciągania rosnące w miarę wysychania. Przy ścinaniu i rozciąganiu siły dają opór zwany spójnością, stąd nazwa grunty spoiste.

Cząsteczki organiczne (próchniczne) powstają w wyniku rozkładu części zwierzęcych i roślinnych. Budowa tych cząstek jest bezpostaciowa. Nasiąkliwość cząsteczek organicznych wynosi do 500% masy.

Grunty mineralne dzielą się na dwa podstawowe rodzaje:

• niespoiste - zawierają f_ż, f_p, f_Π (f_k);

• spoiste - składają się z frakcji f_i, f_p, f_Π (f_k, f_ż).

Powierzchnia graniczna cząstek gruntu

Szkielet gruntu składa się z ziaren i cząstek. Grunt można określić jako ośrodek dwufazowy (szkielet gruntowy + woda, szkielet gruntowy + powietrze) lub jako ośrodek trójfazowy (szkielet gruntowy + woda + powietrze).

Powierzchnia graniczna - powierzchnia kontaktu między fazą stałą, a cząsteczkami i fazą

ciekłą (wodą) lub roztworem związków chemicznych.

Powierzchnia właściwa - wielkość powierzchni ziaren i cząstek gruntu w przeliczeniu na

jednostkę objętości ziaren i cząstek (jednostka cząsteczek cm²/cm² lub masy cm²/g).

Powierzchnia graniczna cząstek gruntu

Szkielet gruntu składa się z ziaren i cząstek. Grunt można określić jako ośrodek dwufazowy (szkielet gruntowy + woda, szkielet gruntowy + powietrze) lub jako ośrodek trójfazowy (szkielet gruntowy + woda + powietrze).

Powierzchnia graniczna - powierzchnia kontaktu między fazą stałą, a cząsteczkami i fazą

ciekłą (wodą) lub roztworem związków chemicznych.

Powierzchnia właściwa - wielkość powierzchni ziaren i cząstek gruntu w przeliczeniu na

jednostkę objętości ziaren i cząstek (jednostka cząsteczek cm²/cm² lub masy cm²/g).

Klasyfikacja gruntów budowlanych

Grunty naturalne - powstały w wyniku procesów geologicznych.

Grunty antropogeniczne - utworzone z produktów działalności człowieka, odłożone w wysypiskach i budowlach ziemnych.

Grunty rodzime - grunty odłożone w miejscu zalegania w wyniku procesów geologicznych, takich jak: wietrzenie , sedymentacja.

Grunty nasypowe - grunty naturalne lub antropogeniczne powstałe w wyniku kontrolowanego procesu technologicznego.

Nasypy budowlane (na projektach oznaczamy NB) - powstały jako wynik kontrolowanego procesu technologicznego.

Nasypy niebudowlane (oznaczamy NN) - formowane w sposób przypadkowy np.: złomowiska, wysypiska.

Grunty mineralne - grunty, w których występują części organiczne I_on ≤ 2%.

Grunty mineralne - I_on > 2%.

Grunty skaliste - grunt rodzimy, lity lub spękany o nie przesuniętych blokach.

Grunty nieskaliste - nie mające cech gruntów skalistych.

Grunty spoiste - nieskalisty grunt mineralny lub organiczny o wskaźniku plastyczności I_p > 1% lub wykazujący w stanie wysuszonym stałość kształtu bryłek przy naprężeniach > 0,01 MPa. Mineralny wymiar jest większy od dziesięciokrotnej maksymalnej średnicy ziaren.

Grunty niespoiste (sypkie) - nie wykazują cech gruntów skalistych.

Podział gruntów skalistych (ksero)

Podział gruntów gruboziarnistych (ksero)

Podział gruntów drobnoziarnistych (ksero)

Podział gruntów spoistych (ksero)

Podział d > 0,5 mm → > 50%

Piasek średni > 0,5 mm (ziaren większych jest < 50%, a ziaren d > 0,25 jest > 50%).

Piasek drobny P_D d < 0,25 jest > 50%.

Piasek pylasty P_Π f_Π = 10÷30% i f_p = 8÷90%.

Trójkąt FERETA - nazwy gruntów spoistych.

Badania składu granulometrycznego gruntów:

1. Metoda siłowa - dla gruntów niespoistych.

Polega na rozdzieleniu poprzecznym frakcji poprzez przesianie przez komplet sit (wymiary sit: 40; 25; 10; 2; 0,5; 0,25; 0,1; 0,071 lub 0,063 mm).

Zawartość procentowa ziaren gruntu na każdym z sit:

gdzie:

m_si - masa ziaren na i-tym sicie;

m_s - masa szkieletu wziętego do analizy.

2. Metoda areometryczna - dla gruntów spoistych.

Polega na określeniu składu grunulometrycznego gruntów spoistych i piasku pylastego na podstawie pomiarów zmian gęstości zawiesiny gruntowej w czasie za pomocą areometru.

3. Metoda sitowa + metoda areometryczna.

Wskaźnik uziarnienia

1. Wskaźnik różnoziarnistości:

2. Wskaźnik krzywizny

gdzie: d₁₀, d₃₀, d₆₀ - średnica ziaren, których wraz z mniejszymi jest odpowiednio 10, 30 i 60%.

Na podstawie wskaźnika różnoziarnistości grunty dzielimy na:

1. równoziarniste 1 ≤ U ≤ 5 (piaski wydmowe, lessy);

2. różnoziarniste 5 ≤ U ≤ 15 (gliny holoceńskie);

3. bardzo różnoziarniste U > 15 (pospółka).

d₁₀ - średnica miarodajna (znamienna), grunt wyselekcjonowany sztucznie ma te same właściwości co grunt badany.

Wskaźnik U, c służą do przewidywania, czy grunt nadaje się do sztucznego zagęszczenia. Grunt dobrze uziarniony:

U > 4, c = 1÷3 - dla gruntów żwirowych;

U > 6, c = 1÷3 - dla gruntów pozostałych.

Badanie terenowe stopnia zagęszczenia.

Sondowanie ma na celu określenie stanu gruntów na różnych głębokościach (max. 10-30 m). Wykonuje się pomiar oporu sąd przy ich zagłębieniu się w grunt. Rozróżnia się sondy: ciskane (sonda statyczna), wkręcane, wbijane.

Sondy wbijane w zależności od stosowanych końcówek dzielimy na:

1. stożkowe: lekkie SL, ciężkie SG;

2. krzyżowe JTB-ZW;

3. cylindryczne SPT.

1. Cechy charakterystyczne gruntów spoistych:

• granica plastyczności w_p;

• granica płynności w_L lub;

• granica skurczalności w_s.

Badanie terenowe stanu gruntów spoistych

Stopień plastyczności badamy za pomocą:

1. sondy cylindrycznej SPT;

2. metodą makroskopową na podstawie liczby wałeczkowań (X);

3. penetrometru tłoczkowego;

4. ścinarki obrotowej.

Do ostatnich dwóch metod badawczych należy stosować orientacyjne, dodatkowe badania makroskopowe.

---