Klasyfikacja gruntów

GRUNT BUDOWLANY: część skorupy ziemskiej mogący współdziałać z obiektem budowlanym lub stanowi jego część.

Dzieli się na grunty: entropogeniczne i naturalne.

GRUNT NATURALNY - grunt powstający w wyniku procesów geologicznych. Dzieli się na grunty:

rodzime - grunt powstały w miejscu zalegania w wyniku procesów geologicznych. Dzieli się na:

-skaliste,

- skaliste mineralne (zawart. części org. Jom≤2%; dzieli się na niespoiste i spoiste)

-nieskaliste mineralne (zawart. części org. Jom≥2%) Podział:

-grunty próchnicze (H)-grunty nieskaliste Jom>2%

-namuły (Nm)-piaszczyste (Nmp) 5%<30% glinaste (Nmg)

-gytie (Gy)- >5% węglan wapnia

-torfy (T)-Jom>30%

-Nasypowe grunty naturalne lub entropogeniczny powstały w wyniku działalności człowieka

GRUNT ENTROPOGENICZNY - grunt nasypowy utworzony z odpadów z procesów technologicznych prowadzonych przez człowieka (np. żużel).

Uziarnienie:

-żwir glinasty (żg)

1. pospólka gliniasta (Pog)

2. piasek glinasty (Pg)

3. pył piaszczysty (Πp)

4. pył (π)

5. glina piaszczysta (Gp)

6. glina (G)

7. glina pylasta (Gπ)

8. glina piaszczysta zwięzła (Gpz)

9. glina zwięzła (Gz)

10. glina pylasta zwięzła (Gπz)

11. ił piaszczysty (Ip)

12. ił (I)

13. ił pylasty (Iπ)

2). Stan gruntu (konsystencja) gdzie I_l - stopień plastyczności

- zwarty (zw) I_l ≤ 0 - grudka gruntu ściśnięta rozsypuje się

• półzwarty (pzw) I_l ≤ 0

• twardoplastyczne (tpl) - I_l = 0:0,25

• plastyczne (pl) I_l = 0,25:0,5 grudka gruntu ściśnięta odkształca się

• miękkoplastyczne (mpl) I_l = 0,5:1,0

• płynne (pł) I_l >1,0 grunt ściśnięty wycieka między palcami wraz z wodą

I_l stopień plastyczności

I_p wskaźnik plastyczności

W_n wilgotność naturalna gruntu (%)

W_p wilgotność na granicy konsyst. (tpl i pzw)

W_l granica płynności między konsyst. (pł i mpl)

3). Spoistość I_p - wskaźnik plastyczności

• małospoisty (ms) I_p=1: 10%

• średniospoisty (ss) I_p=10 : 20%

• zwięzło spoisty (zs) I_p=20% : 30%

• bardzo spoisty (bs) I_p>30%

4). Parametry fizyczne gruntu:

1. Gęstość objętościowa - stosunek masy próbki gruntu do jego objętości

ρ =

Sposoby określenia:

• przy zastosowaniu pierścienia o określonej objętości

• przy zastosowaniu cylindra o określonej objętości (przy badaniu gr. niespois.)

• metoda wyporu hydrostatycznego w wodzie (przy badaniu gr. niespois.)

2. Gęstość objętościowa szkielety gruntowego - stosunek masy szkieletu gruntowego do jej całkowitej objętości

ρ =ms/V [ρ/m³] m_s - masa p. w stanie

• gęstość objętościowa przy pełnym nasyceniu

ρ_sr = m_sr/V m_sr masa gruntu przy pełnym nasyceniu

• gęstość objętościowa gruntu przy pełnym uwzgl. wyporu

ρ′= ρ_sr - ρ_w [ρ/cm³] ρ_w- gęstość wody

• gęstość właściwa

ρ_s = m_s/V_s m_s - masa szkieletu gruntu

V_s - objętość szkieletu gruntu

3. WILGOTNOŚĆ I STOPIEŃ WILGOTNOŚCI

WILGOTNOŚĆ - stosunek masy wody zawartej w próbce gruntu do masy jej szkieletu gruntowego (w % lub w liczbie bezwzględnej)

W = (m_m - m_s)/ m_s x 100%

STOPIEŃ WILGOTNOŚCI - określa stopień wypełnienia porów gruntu

S_P = V_w/V_p = W_n/W_r Vw-obj. wody znajdującej się w porach gruntu

Vp-całkowita obj. porów w gruncie

Wn-wilgotn. naturalna gruntu

Wp-wilgotn. całkowita gruntu

4. POROWATOŚĆ - stosunek objętości porów próbki do objętości całkowitej próbki.

Zależy od struktury gruntu, wielkości i równomierności uziarnienia oraz od zagęszczenia gruntu.

n = V_p/ V

WSKAŹNIK POROWATOŚCI - stosunek objętości porów w próbce gruntu do objętości jej szkieletu gruntowego.

e = V_p/V_s Vp-obj. Porów w próbce gruntu Vs-obj. szkieletu gruntowego

PARAMETRY MECHANICZNE GRUNTÓW

1. kąt tarcia wewnętrznego - wzrasta wraz ze wzrostem uziarnienia

• dla żwirów 36 - 40

• dla piasku drobnego 30-36

• dla gliny 7-21

• dla iłu 3-13

Przy gruntach sypkich rośnie wraz ze stopniem zagęszczenia:

• dla piasków luźnych (drobnych) 30-31^o

• dla piasków zagęszczonych 33^o-36^o

Przy gruntach spoistych maleje wraz ze stopniem plastyczności:

• dla glin miękkoplastycznych 7^o-12^o

• dla glin twardoplastycznych 16^o-21^o

SPÓJNOŚĆ dla gruntów niespoistych równa się 0

dla gruntów spoistych wraz ze wzrostem uziarnienia spójność maleje

• dla iłów 26-60kPo

• dla glin 11-37kPo

dla glin miękkoplastycznych maleje wraz ze stopniem plastyczności (11-18kPo)

dla glin twardoplastycznych maleje wraz ze stopniem plast. (26-37kPo)

MODUŁ ŚCIŚLIWOŚCI- badanie ściśliwości polega na wykorzystywaniu zdolności gruntu do zmniejszenia objętości na skutek przyłożon. Obciążenia. Próbki gruntu obciąża się lub odciąża stopniowo; przy czym każde kolejne obciążenie jest dwa razy większe od poprzedniego.

M_O; M = ΔG x hp/Δh

Mo-moduł ściśliwości pierwotnej

M-moduł ściśliwości wtórnej

Hp-wysokość początkowa próbki

Δh-zmniejszenie wysokości próbki do zwiększenia naprężenia

ΔG-przyrost naprężeń

WODA W GRUNCIE

1. RODZAJE:

• woda swobodna (gruntowa)

• woda podskórna (wahania temp.)

• woda głębinowa (stała temp.)

2. FORMY WYSTĘPOWANIA WODY W GRUNCIE

• związane - w postaci wody błonkowatej i higroskopijnej

• kapilarne

• wolne

KAPILARNE: podciągane przez grunt ponad zwierciadło wody (im drobniejsze kapilary tym wyżej); opada, gdy ciężar jej przekroczy kapilarne siły napięcia powierzchniowego wody :

• obciąża grunt

• grunt ulega uplastycznieniu (zmniejsza się nośność)

• ze wzgl. na przemarzanie

LÓD PARA

• woda błonkowata - powłoka otaczająca ziarna; zamarza w temp. Ok. -70^oC; pozbyć się można w temp. 300^oC.

• woda absorpcyjna - powłoka za wodą błonkowatą; zamarza w temp. 0^oC; może się przemieszczać z ziarna na ziarno

• woda związana chemicznie np. gips (CaSO₄+2H₂O)

• woda artezyjska -pod ciśnieniem

• woda higroskopijna - powstaje z drobin pary wodnej absorbowanych przez cząstki gruntu

Przemieszczanie się wody swobodnej może odbywać się pod wpływem ciśnienia, różnicy temperatur, pochylenia warstw, pola elektr. Może odbywać się w sposób spadający lub w ruchu turbulentnym (zawirowania).

Warunkiem ruchu wody w gruncie jest istnienie różnic poziomu wody lub ciśnień w wodzie. Zdolność gruntu do przepuszczania wody siecią kanalików utworzonych przez pory nazywa się WODOPRZEPUSZCZALNOŚCIĄ.

PARCIE wody płynącej działającej na jednostkę objętości gruntu równa jest iloczynowi spadku hydraulicznego i ciężaru objętościowego wody.

iγ_w = P/V

Spadek hydrauliczny jest spadkiem krytycznym, gdy spada siła ciśnienia spływowego równoważy się ciężkość gruntu.

i = ∆H/∆L ∆H-różnica wysokości poziomów piezometrycznych wody w cm

∆L-dł. Drogi przepływu w cm.

PRAWO DARCY′EGO - miarą wodoprzepuszczalności gruntu jest tzw. stała Darcy′ego, okreslająca zależność między spadkiem hydraulicznym „i” a prędkością przepływu wody w gruncie „V=k x i”.

V= k x i V-prędkość przepływu wody

k-współczynnik filtracji [cm/s]

Stała „k” jest wielkością charakterystyczną dla danego ośrodka gruntowego; nie zależy od „i”, natomiast zależy od porowatości gruntu, uziarnienia, temp. przepływowej wody.

Ilość wody Q przepływającej w czasie t przez przekrój o powierzchni A: Q=k x i x t x A

FILTRACJA - ruch wody gruntowej; zależy od gruntu, uziarnienia, struktury, porowatości; im drobniejsze jest uziarnienie, tym większe są opory ruchu wody.

Sposoby wyznaczania współczynnika filtracji:

1. badania laboratoryjne: grunty niespoiste metodą stałego spadku; grunty spoiste metodą zmiennego spadku

2. badania terenowe:

• próbne pompowanie otworu wiertniczego

• metoda pomiarów elektrycznych

• metoda zalewania otworu wiertniczego

3. wzory emoiryczne:

• wzór Hazena

• wzór Knigena

• wzór Slichtera

Współczynnik filtracji k to prędkość filtracji wody w gruncie przy gradniencie hydraulicznym i=1 temp. t=10^oC

k_t = Q/
x A x T

k_t-współcz. Filtracji mierzony w okreśk. Temp. [cm/s]

Q-ilość wody przepł. Przez gunt o przekroju poprzecz A i wysokości e [cm]

T-czas [s]

t-temperatura w jakiej przeprowadzane są pomiary

CIŚNIENIE SPŁYWOWE (hydrodynamiczne) woda przepływająca przez ośr. gruntowy wywiera cisnienie hydrodynamiczne tzw. ciśnienie spływowe. Ciśnienie to jest wywierane na szkielet gruntowy.

SUFOZJA-polega na unoszeniu przez filtrującą wodę drobnych cząstek gruntu. Powstaje po przekroczeniu prędkości krytycznej.

PĘCZNIENIE- zwiększenie objętości gruntu pod wpływem zawilgocenia.

Wskaźnik pęcznienia

ipc=∆h_p/h_p ∆h_p-wzrost wysokości próbki po nasyceniu wodą

h_p-wysokość póbki przed nasyceniem wodą

Jeżeli ipc >0,04 (grunty pęczniejące), to należy wymienić grunt i zabezpieczyć przed dostaniem się do niego wody.

FUNDAMENTY BEZPOŚREDNIE

FUNDAMENT- najniższa część konstrukcji, przenosząca w sposób bezpieczny obciążenia od budowli na podłoże gruntowe.

FUNDAMENT PŁYTKI - fundamenty posadowione płytko, bezpośrednio na gruncie. W projektowaniu nie uwzględnia się współpracy podłoża gruntowego (nie uwzględnia się parcia, odporu, oporu tarcia i spójności gruntu wzdłuż ścian bocznych fundamentu). Obciążenia od budowli przenosi się bezpośrednio na podłoże przez podstawę fundamentu. Nie uwzględnia się współpracy gruntu tzn. warstwa nośna znajduje się na niedużej głębokości.

RODZAJE POSADOWIEŃ:

• na podłożu naturalnym

• na podłożu sztucznym (wymiana gruntu)

• na podłożu wzmocnionym przez zagęszcz. zastrzyki itp.

GŁĘBOKOŚĆ POSADOWIENIA uzależnia się od:

• głębokości występowania gruntów nośnych (min. 0,5 m od terenu)

• głębokości przemarzania w gruntach wysadzinowych w Polsce (0,8 - 1,2m)

• głębokości rozmycia gruntów fundamenty np.: podpór mostowych, budowle wodne

• poziomu zwierciadła wody gruntowej

• wymagań eksploatacyjnych

• poziomu posadowienia sąsiednich fundamentów

RODZAJE FUNDAMENTÓW:

• stopy kwadratowe lub prostokątne - pod słupy gdop≥300

• ławy fundamentowe pod ściany ciągłe lub rzędy słupów o rozstawie osiowym mniejszym niż

4 - 5 m gdop≥150

• ruszty czyli wzajemnie przenikające się podłużne i poprzeczne ławy fundamentowe - podłoże słabe i niejednorodne gdab - 150hPa

• płyty ciągłe - slabe podloże o gdab≤100hPa pod wyższe budowle lub w przyp. Konieczności zastosowania izolacji wodoszczelnej w celu zabezpieczenia pomieszczeń podziemnych przed wodą gruntową

• skrzynie żelbetowe - pod wieżowce o konstrukcji szkieletowej lub wielkopłytowej

PROJEKTOWANIE

• określenie głębokości posadowienia i wstępne przyjęcie obciążeń dopuszcz. gruntu qdop; należy wyznaczyć wymiary fundamentów oraz rozkład naprężeń δ w gruncie w poziomie podstawy fundamentu. Naprężenie śred. w gruncie pod podstaw. fundamentu nie powinno przekroczyć wartości, gdy:

δ ≤ qdap = q/F

δ-średnie narężenie w poz. posad. od sił działających na fundament i ciężaru własnego fundamentu

qdap-dopuszczalne obciążenie jednost. gruntu

q-obciążenie gruntu pod stopą fundamentu

F-współczynnik pewności

Przy OBLICZANIU uwzględnia się:

4. kryterium - porównanie nośności gruntu z naprężeniem fundamentów

5. kryterium - porownanie osiadań osobnych części budowli

FAZY BUDOWY

1. Naprężenie pierwotne - pochodzące od warstw gruntu zalegających wyżej δ_zρ

2. Wykop

3. Obciążenie fundamentu

a). δ_zq = δ_zρ przy obciążeniu osiowym δzq = Nr/B x L B i L-mniejszy wym fund. Nr-siła pionowa działająca na fundament

b). δ_zq > δ_zρ naprężenia dodatkowe δzρ = Σρhg δzd = δzq - δzρ, z = 0

OSIADANIE WTÓRNE - obliczanie osiadań następuje w przypadku gruntów sypkich lub spoistych o I_L < 0,25

M = ∆G x h_p/ ∆h przy obliczaniu osiadań ∆h→s s₁ = ∆G x h_p/M

OSIADANIE PIERWOTNE

S₂ = δ_ZD x h / M₀ s=s₁+s₂ - osiadanie łączne

W celu wyznaczenia wielkości osiadania kierować się należy zasadami:

1. w obrębie warstwy obliczeniowej powinien być tylko jeden rodzaj gruntu i takie same warunki wodne

2. bezpośrednio przed fundamentem przyjmuje się warstwy o mniejszej grubości (ok. 0,5 m); głębiej ich grubość wzrasta

Grunt dzieli się do momentu, gdy:

δ_zd/δ_zρ≤0,3

OSIADANIE DOPUSZCZALNE jest zależne od:

• konstrukcji budynku

• jego wysokości

• funkcji budynku

• zwierciadła wody gruntowej

Czas osiadania jest zależny od współczynnika filtracji. O osiadaniu decyduje naprężenie efektywne.

MATERIAŁ DO GRUNTÓW BEZPOŚREDNICH:

• cegła, kamienie = podłoże jednorodne-bale drewniane

• beton, żelbet = podłoże uwarstwione

Przy fundamentach bezpośrednich należy zrobić wykop.

NAPRĘŻENIE:

• - PIERWOTNE - pochodzące od warstw gruntu wyżej zalegających δ_ρ=Σρ·h·g; ρ-gęstość objętościowa gruntu; h-grubość w grun ; g-przyspieszenie ziemskie

• DODATKOWE δ_d=δ_q-δ_ρ; δ_q-naprężenie przekazywane przez fundament, δ_ρ-naprężenie pierwotne

δ_Q=N_R/B·L; B i L-mniejszy wymiar fundamentów, Nr-siła działająca na fundament (jej pierwotna składowa)

FUNDAMENTY GŁĘBOKIE-zalicza się do nich fundamenty, przy których wymiarowaniu uwzględnia się oprócz reakcji gruntu pod fundamentem, siły działające na ściany boczne fundamentu czyli opór tarcia i adhazję oraz parcie i odpór gruntu.

Opór tarcia i adhazja gruntu zwiększają nośność pionową fundamentu. Parcie i odpór gruntu wpływają na stateczność przy jego przesuwie lub obrocie.

Do fundamentów głębokich zalicza się:

• studnie opuszczone i kesony - są stosowane w warunkach, gdy zachodzi potrzeba przejęcia przez fundamenty dużych obciążeń pionowych i poziomych oraz przekazanie ich na głębiej leżące warstwy podłoża ze wzgl. na małą nośność górnych warstw gruntowych. Studnie opuszcza się pokonując ciężarem własnym opór tarcia i adhazję gruntu wzdłuż ścian bocznych oraz opór gruntu pod nożem. Przy kesonach istnieje dodatkowy opór ciśnienia sprężonego powietrza w komorze i większy ciężar własny opuszczonego kesonu i filaru przez jego nadbetonowanie. Nośność sprawdza się na opór podłoża pod podstawą fundamentu i opór gruntu wzdłuż pobocznicy.

• fundamenty w ściankach szczelnych-fundament w ściance szczelnej betonuje się po wbiciu ścianki i wykonaniu wykopu (np. po osuszeniu wykopu). Nośność pionowa→do oblicz. oporu gruntu przyjmuje się parcie spoczynkowe na zew. ściany , a parcie czynne na wew. ściany.

• Fundamenty ze ścian szczelinowych-j.w.

• Pale-w zależnosci od warunków pracy pale dzieli się na:

1. stojące- (słupy) oparte stopą na warstwie nośnej

2. zawieszone-(wiszące)nośność zależy od oporu gruntu wzdłuż pobocznicy

3. normalne-nośność wynika z oporu gruntu przed stopą jak i oporu wzdłuż pobocznicy.

PRZEKAZYWANIE OBCIĄŻEŃ NA GRUNT NOŚNY:

• przez podstawę fundamentu

• pobocznicę-przenoszenia sił na skutek tarcia w oparciu na adhazję (różnica sił pomiędzy dwoma różnymi siłami)

• siły parcia

• siły odporu

• pojęcie parcia ujemnego

ZASTOSOWANIE:

1. gdy występują siły różne względem siebie, szczególnie siły poziome (np. na nabrzeżach wysoki pomiar wód gruntowych)

2. zachodzi obawa, że fundament będzie odsłonięty (np. filar mostowy-zmiana prędkości rzeki, zawirowania-wypłukiwanie wody spod filara)

3. zależy inwestorowi na szybkim powstaniu budowy, a względy zaistniały archeologiczne

4. fundamenty pod maszyny (fundamenty głębokie przy budowie szkieletu; tańsze od płytkich bezpośrednich tzw. pale krótkie

5. specjalne rodzaje pali czyli pale korzeniowe, małe śred. 10 - 15 + 1 pręt i zalewa betonowa np. skarpy

6. w przypadku obiektu w pobliżu budynku istniejącego tzn. podkopanie fundamentu istniejącego bez zabezpieczenia

7. istniejące nasypy o słabej nośności np. grunt nawieziony, wysypiska

8. gdy roboty prowadzone są zimą

9. ze względów eksploatacyjnych

10. gdy warstwy istniejące mogą być nawodnione

11. cena i możliwości wykonawcze

ZSUWY I OSUWISKA

Formy ruchów masowych:

• spływy - bardzo powolne stałe ruchy mas ziemnych

• zsuwy (osuwiska) - wyraźne i szybkie przemieszczanie się mas ziemnych po nieruchomym podłożu

• obrywy - w skałach; przebieg bardzo gwałtowny; oberwanie mas skalnych

PROCES OSUWISKOWY

• faza przygotowawcza - powstanie rys i spękań

• faza przemieszczeń katastr. czyli osuwisko właściwe

• faza przemieszczeń zanikających

PRZYCZYNY POWSTAWANIA OSUWISK:

• zmiana geometrii zbocza - naturalna erozja, sztuczne podcinanie (przekopy) wody

• odciążenie - usuwanie gruntu z pierwotnej powierzchni iłów umożliwia ich pęcznienie

• obciążenie: zwiększenie obciążenia zbocza powoduje zwiększenie naprężeń stycznych i ciśnienia porowego

• wstrząsy i wibracje - trzęsienie ziemi, wibracja urządzeń, mechanizm tworzenia się poduszki powietrznej

• zjawisko upłynnienia w niesp. gruncie nawad.

• Ziany warunków wodnych - opady, obniżenie poziomu wody

PRZYCZYNY WEWNĘTRZNE POWODUJĄCE ZMIANY WYTRZ. GRUNTU:

• postępujące zniszczenie (zmiana w czasie)

• wietrzenie (wzrost drobnych frakcji, wzrost wilgotności, zmiany kąta tarcia, spójność)

• erozja spowodowana infiltracją - woda wypływająca, erozja wsteczna podziemna

ZALECENIA DOTYCZĄCE PROJEKTOWANIA:

• analiza map geologicznych i topograficznych

• wywiad terenowy - obserwacja istniejącego drzewostanu

• analiza morfologii terenu

• wiercenia badawcze

• wpływ robót ziemnych

ZABEZPIECZENIE OSUWISKA:

• przechwytywanie wód roztopowych i deszczowych, regulacja obszarów bezpośrednio zagrożonych

• pełna kanalizacja deszczowa

• zabezpieczenie przed wsiąkającymi wodami

• zmniejszenie spadków i wyrównanie stoków

• wykonanie systemów rowów i obwałowań

• prawidłowa gospodarka wodnościekowa (zapobieganie infiltracji wód gosp.; izolacja zbiorników, kontrola wód gruntowych)

• zabiegi melioracyjne wód gruntowych (ograniczenie dopływu wód podziemnych; dreny, studnie, ujęcie źródeł)

• zabezpieczenia przed podmyciem wodami powierzchniowymi (ściany oporowe, tamy podłużne, nadbrzeża, falochrony)

---