1.Ściśliwość gruntów

Ściśliwość jest to zdolność gruntu do odkształcania się pod wpływem obciążenia. Odkształcenie próbki podczas ściskania bez możliwości odkształcania bocznego może wynikać z :

• usuwania wody z porów gruntu

• usuwania powietrza z porów gruntu

• przemieszczania wzajemnego ziaren

• zgniatania ziaren

• sprężystego odkształcania ziaren

• sprężystego odkształcania powłoki wody błonkowej

• sprężystego zmniejszania objętości powietrza w porach

Odkształcenia powodowane czynnikami wymienionymi w punktach a - d są odkształceniami trwałymi nieodwracalnymi natomiast powodowane czynnikami pozostałymi są odkształceniami sprężystymi.

Zależność między naprężeniami, a wysokością próbki gruntu nazywamy krzywą ściśliwości. Obciążając próbkę gruntu powodujemy zmniejszenie jej wysokości. Procesowi temu odpowiada krzywa ściśliwości pierwotnej. Następnie odciążamy próbkę obserwując wzrost jej wysokości spowodowany zanikiem odkształceń sprężystych. Tej czynności odpowiada krzywa odprężenia. Obciążając grunt po raz drugi posuwamy się po krzywej ściśliwości wtórnej, która przebiega początkowo poniżej krzywej ściśliwości pierwotnej aby następnie przeciąć ją i pokryć ją całkowicie. Obciążając i odciążając próbkę wielokrotnie w jednym zakresie obciążeń możemy całkowicie wyeliminować odkształcenia trwałe.

1.1. Edometryczny moduł ściśliwości

Do wyznaczenia krzywej ściśliwości pierwotnej, odprężenia i ściśliwości wtórnej służy przyrząd zwany edometrem. Za jego pomocą możemy wyznaczyć edometryczny moduł ściśliwości gruntu. Edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej gruntu jest to stosunek przyrostu naprężenia do przyrostu całkowitego odkształcenia względnego.

Korzystając z wyników pomiaru edometrem, edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej możemy wyliczyć ze wzoru :

 - jest współczynnikiem poprawkowym dla błędów pomiaru odczytywanym z wykresu

Edometryczny moduł ściśliwości można wyznaczyć bezpośrednio w terenie poprzez obciążenie próbne. Znajduje to zastosowanie przy badaniach gruntu pod posadowienie budowli szczególnie wrażliwych na osiadanie oraz budowli wysokościowych.

Krzywą ściśliwości pierwotnej, wtórnej oraz odprężenia przedstawia poniższy rysunek

Schemat edometru

1.2. Współczynnik ściśliwości

Współczynnik ściśliwości jest to stosunek zmiany wskaźnika porowatości do naprężenia powodującego tę zmianę. Jeżeli naprężenie działające na grunt ulegnie zmianie to zgodnie z prawem ściśliwości gruntu zmianie ulegnie również wskaźnik porowatości. Współczynnik ściśliwości oznacza się literą a i interpretuje jako tangens kąta nachylenia prostej przeprowadzonej przez dwa punkty krzywej wyrażającej zależność pomiędzy naprężeniem a wskaźnikiem porowatości (krzywej ściśliwości). Z przebiegu krzywej ściśliwości wynika, że coraz większe naprężenia powodują coraz to mniejsze zmiany wskaźnika porowatości.

Na podstawie współczynnika ściśliwości możemy zorientować się o przydatności danego gruntu do posadowienia budowli. Znając współczynnik ściśliwości gruntu możemy też łatwo wyliczyć jego moduł ściśliwości zgodnie ze wzorem :

Współczynnik ściśliwości cm^2/N	Cechy gruntu i przydatność do posadowienia budowli
a <= 0,0001	grunt mało ściśliwy, bardzo dobry
0,0001 <= a < 0,001	średnio ściśliwy, dobry
0,001 <= a < 0,01	ściśliwy, tylko lekkie budowle
a >= 0,01	bardzo ściśliwy, nie nadaje się

1.3. Ściśliwość gruntów makroporowatych

Gruntami makroporowatymi nazywamy grunty, których cząsteczki są mniejsze od porów. Do gruntów makroporowatych należą lessy. Mają one dużą wytrzymałość, czego dowodem jest zdolność do tworzenia stromych skarp. Jednak gdy nasycimy je wodą wykazują znaczne osiadanie. Grunty makroporowate badamy w edometrze podobnie jak inne grunty z tą jednak różnicą, że po osiągnięciu pewnych naprężeń w próbce suchej i po zmierzeniu jej osiadań nasycamy ją wodą obserwując przyrost osiadań przy tym samym stanie naprężenia. Wykres ściśliwości gruntów makroporowatych przedstawia poniższy rysunek.

Dla scharakteryzowania gruntów makroporowych wyznacza się wskaźnik osiadania zapadowego ze wzoru :

h' - wysokość próbki gruntu przy obciążeniu przewidywanym w projekcie

h” - wysokość próbki przy obciążeniu jw. po całkowitym nasyceniu wodą

h_o - wysokość próbki po obciążeniu równemu naprężeniom pierwotnym

Do gruntów makroporowatych o trwałej strukturze zaliczamy grunty o wskaźniku osiadania zapadowego i_mp<=0,02.

Do gruntów makroporowatych o nietrwałej strukturze (zapadowe) zaliczamy grunty o wskaźniku osiadania zapadowego i_mp>0,02.

Wyniki pomiarów

• h_śr=19.9mm

• D_śr=64.73mm

• A=3291mm²

σ [kPa]	wskazania	hi [mm]	wysokość próbki hi [mm]	σi [kPa]	Mi [MPa]
0	8,000	0,000	19,900
7,20	7,990	0,010	19,890	7,200	14,3
14,50	7,985	0,005	19,885	7,300	29,0
29,00	7,975	0,010	19,875	14,500	28,8
58,00	7,950	0,025	19,850	29,000	23,0
116,00	7,900	0,050	19,800	58,000	23,0
58,00	7,910	-0,010	19,810	-58,000	114,9
29,00	7,920	-0,010	19,820	-29,000	57,5
14,50	7,930	-0,010	19,830	-14,500	28,8
29,00	7,925	0,005	19,825	14,500	57,5
58,00	7,910	0,015	19,810	29,000	38,3
116,00	7,895	0,015	19,795	58,000	76,5
232,00	7,860	0,035	19,760	116,000	65,5
464,00	7,800	0,060	19,700	232,000	76,2
928,00	7,720	0,080	19,620	464,000	113,8

Wykres ścisliwości pierwotnej,wtórnej oraz odprężenia znajduje się na stronie następnej

2.Wodoprzepuszczalność

Wodoprzepuszczalność jest to zdolność gruntu do przepuszczania wody pod ciśnieniem. Przenika ona poprzez sieć kanalików utworzonych z porów gruntu. Ilość wody przenikającej przez próbkę gruntu jest proporcjonalna do powierzchni próbki, czasu przepływu, spadku hydraulicznego czyli ciśnienia spływowego, wskaźnika wodoprzepuszczalności oraz odwrotnie proporcjonalna do wysokości (czyli drogi filtracji) próbki gruntu. Wzór na wydatek wody przepływającej przez próbkę wyprowadza się na podstawie prawa Darcy.

Pierwszy wzór przedstawia prędkość jako iloczyn współczynnika filtracji k oraz spadku hydraulicznego i będącego stosunkiem różnicy poziomów wody H do drogi filtracji. Prędkość można wyrazić także jako stosunek wydatku do pola powierzchni. Podstawiając odpowiednie wartości do wzoru pierwszego i przekształcając go otrzymamy wzór Darcy'ego, na podstawie którego możemy obliczyć dla danego gruntu wskaźnik wodoprzepuszczalności :

Wskaźnik wodoprzepuszczalności można wyznaczyć laboratoryjnie lub bezpośrednio w terenie przez próbne pompowanie. Istnieje jeszcze jeden sposób wyznaczenia wskaźnika wodoprzepuszczalności na podstawie analizy granulometrycznej. Laboratoryjnie współczynnik filtracji wyznaczamy w skomplikowanym aparacie do wyznaczenia wodoprzepuszczalności lub w rurze Kamieńskiego.

Wartość współczynnika filtracji zależy także od lepkości cieczy. W budownictwie mamy do czynienia najczęściej z wodą, jednak jej lepkość zależy od temperatury na tyle, że należy wpływ ten uwzględnić. Wyeliminowanie rozbieżności wyników badań przeprowadzonych w różnych temperaturach uzyskuje się przez sprowadzenie wyniku do wartości otrzymywanych w temperaturze 10 ^oC. Określa to wzór na zredukowany wskaźnik wodoprzepuszczalności k₁₀

k - jest to współczynnik otrzymany w wyniku pomiarów prowadzonych w temperaturze T.

Dla gruntów sypkich wodoprzepuszczalność zależy bezpośrednio od stopnia zagęszczenia gruntu czyli od porowatości. Im grunt jest bardziej zagęszczony tym mniejszy jest wskaźnik wodoprzepuszczalności.

Dla gruntów spoistych wskaźnik wodoprzepuszczalności wyznacza się tak samo jak dla gruntów sypkich. Można jednak zauważyć, że dla małych wartości gradientu hydraulicznego filtracja wody przez grunt nie następuje. Początek filtracji występuje dopiero po osiągnięciu pewnego krytycznego spadku hydraulicznego nazywanego początkowym gradientem hydraulicznym. Zjawisko to spowodowane jest tym, że przy niskim ciśnieniu spływowym siła parcia wody jest zbyt mała by przezwyciężyć siły oporu spowodowane wodą błonkową. Obserwuje się tym wyższy początkowy gradient hydrauliczny im grunt jest bardziej spoisty. Powyższe zjawisko obrazuje poniższy rysunek :

Wyniki pomiarów dla rury Kamieńskiego :

• D_śr=5.97cm

• A=27.99cm²

• h=20.2cm

• l_śr=7.5cm

• i=2.69

• T=21 °C

L.p	Wydatek Q [cm^3]	ti [s]	ki [cm/s]
1	61.0	30.39	0,026626
2	60.5	30.40	0,026399
3	58	30.18	0,025493
4	59	30.49	0,025669
5	58	30.62	0,025292

k_śr=0.025896 cm/s

k₁₀=0.019671 cm/s

Wykres zależności wydatku Q od czasu t

Wnioski i uwagi

Znajomość współczynnika filtracji jest dla inżyniera bardzo ważna, szczególnie podczas wykonywania różnego rodzaju robót ziemnych. Znając wskaźnik wodoprzepuszczalności gruntu możemy obliczyć ile wody przesiąknie do fundamentu w określonym czasie, ocenić przydatność danego gruntu na podsypkę pod drogę (duży współczynnik filtracji zapewni pożądany drenaż i odwodnienie gruntu pod drogą) czy zaporę ziemną (tu zależy nam na jak najmniejszym wskaźniku wodoprzepuszczalności).

---