WYKŁAD V - 10.11.2010
Pojemność cieplna w gruntach - zdolność gruntu do pobierania energii przy wymianie ciepła
Ciepło właściwe (c) - liczbowo równe ilości ciepła, jaką trzeba dostarczyć do gruntu aby podnieść/obniżyć temperaturę o 1 oC (cal/stopnie (deg) x g)
Gleby i torfy: c = 0,2 do 0,5
Woda w temperaturze 20 oC: c = 1
Im więcej minerałów ilastych, tym większa pojemność cieplna.
Przewodnictwo cieplne - ilość ciepła przewodzonego przez grunt w jednostce czasu na odcinku równym jednostce długości przy różnicy temperatur = 1 (cal/cm x s x deg)
λ = a x ebw + c
w - wilgotność gruntu
e - podstawa logarytmu naturalnego
a, b, c - współczynniki empiryczne różne dla różnych gruntów
Większość minerałów skałotwórczych ma λ = 1 do 9 x 10-3
Powietrze ma λ = 5 x 10-5
Odporność na zamarzanie (współczynnik mrozoodporności) - Km - iloraz wytrzymałości na ściskanie gruntu zamrożonego do jego wytrzymałości na ściskanie gruntu nie zamrożonego.
Km = Rc zam./Rc
Wysadzinowość gruntu - dokończenie:
Jeżeli Tp >= 0 i Tg > 0, to woda w gruncie nie zamarza
Jeżeli Tp < 0 i Tg < 0, to woda zamarza w porach gruntu, nie ma dopływu wody kapilarnej
Może występować także sytuacja, w której woda zamarza w porach gruntu i jest dopływ wody kapilarnej
Kapilarność gruntu - zdolność gruntu do podnoszenia się w kapilarach. Kapilarność bierna - zdolność gruntu do utrzymywania się w kapilarach, gdy nie ma już kontaktu ze zwierciadłem wód podziemnych
Kryteria wysadzinowości gruntów:
Casagrande (1934) - według którego zalicza się do wysadzinowych grunty bardzo różnoziarniste (U>15), które zawierają więcej niż 3% cząstek mineralnych mniejszych od 0,02 mm oraz grunty równoziarniste (U<5) zawierające ponad 10% ww. cząstek.
Beskowa (1935) - według którego uwzględnia się wpływ geologicznego pochodzenia gruntu, wielkość średnicy d50, procentową zawartość o średnicy mniejszej od 0,062 mm i 0,125 mm oraz kapilarność bierną przy wilgotności równiej granicy płynności.
Wilna (1958) - według którego uwzględnia się uziarnienie gruntów i kapilarność bierną gruntu Hkb. Wilun pod względem wysadzinowości dzieli grunty na 3 grupy:
Grupa A - grunty niewysadzinowe o Hkb < 1,0 m, bezpieczne w każdych warunkach wodnogruntowych i klimatycznych; są to grunty zawierające poniżej 20% cząstek mniejszych od 0,05 mm i poniżej 3% cząstek mniejszych od 0,02 mm (należą tu czyste żwiry, pospółki i piaski)
Grupa B - grunty wątpliwe (mało wysadzinowe) o Hkb < 1,3 m, zawierające 20-30% cząstek mniejszych od 0,05 mm i 3-10% cząstek mniejszych od 0,02 mm (należą tu piaski bardzo drobne, pylaste i próchnicze).
Grupa C - grunty wysadzinowe Hkb > 1,3 m; są to grunty zawierające powyżej 30% cząstek mniejszych od 0,05 mm i powyżej 10% cząstek mniejszych od 0,02 mm (należą tu wszystkie grunty spoiste i namuły organiczne).
hz = 23pierwiastek kwadratowy z wm+2 [cm]
hz - głębokość przemarzania
wm - suma średnich ujemnych temperatur miesięcznych z wielolecia
Wskaźnik wysadzinowości:
Ww = Sg x Sh x Sk
Sg - czynnik zależny od uziarnienia gruntu
Sh - czynnik zależny od położenia zwierciadła wody
Sk - czynnik zależny od klimatu
Jeżeli Ww = 1 do 5, to warunki pewne - brak wysadzin
Jeżeli Ww = 5 do 15, to warunki niepewne
Jeżeli Ww = 15,1 - 24, to warunki niebezpieczne
Wysadzinowość gruntów - problemy budowlane. Największe problemy wysadzinowość sprawia dla drogowców - powierzchnia pierwotnie równa po zimie faluje się.
Przełomy drogowe mają formę pofalowanej powierzchni - tworzą się wczesną wiosną.
Powstawanie przełomów - rys.2
Wilgotność gruntu w - procentowy stosunek masy wody mw zawartej w jego porach do masy szkieletu gruntowego ms
W = mw/ms x 100%, gdzie:
mw - masa wody
ms - masa cząstek gruntu (szkieletu gruntowego)
Wilgotność naturalna wn - nazywamy wilgotność, jaką ma grunt w stanie naturalnym
Porowatość gruntu [n] - stosunek objętości porów Vp w danej próbce gruntu do objętości całego gruntu V (szkielet gruntu + pory)
Współczynnik porowatości: n = Vp/V
Wobec trudności bezpośredniego pomiaru objętości porów Vp i objętości szkieletu Vs wykorzystuje się metodę pośrednią, opartą na zależnościach wynikających z rysunku.
Porowatości niektórych wybranych gruntów:
GRUNT |
POROWATOŚĆ [%] |
Żwiry |
26-48 |
Piaski eoliczne |
37-41 |
Gliny zwałowe |
24-37 |
Lessy |
34-45 |
Iły poznańskie |
31-52 |
Iły warwowe |
34-52 |
Granit |
0,02-1,8 |
Torf |
72-90 |
Porowatość jest czynnikiem zmiennym w czasie geologicznym.
Wskaźnik porowatości gruntu [e] - stosunek objętości porów Vp do objętości cząstek gruntu (szkieletu gruntoweg) Vs
e = Vp/Vs = Vp/V-Vp = Vp/V /1-Vp/V = n/1-n = ρs-ρd/ρd
Pomiędzy wskaźnikiem porowatości e a porowatością n istnieją zależności:
n = e/1+e
Wskaźniki porowatości dla poszczególnych gruntów.
GRUNT |
WSKAŻNIK POROWATOŚCI [%] |
Żwiry |
35-92 |
Piaski eoliczne |
59-69 |
Gliny zwałowe |
31-59 |
Lessy |
51-84 |
Wilgotność całkowita [WR] gruntu - istnieje wtedy, gdy jego pory są całkowicie wypełnione wodą (oblicza się ją w procentach).
WR = nρw/(1-n) ρs x 100 = eρw/ρs x 100%
Stopień wilgotności gruntu Sr określa stopień wypełnienia porów gruntu wodą.
Sr = Vw/Vp = wn/wr
Stopnie wilgotności gruntu niespoistego - zależnie od wartości stopnia wilgotności gruntu Sr rozróżniono następujące stany zawilgocenia gruntów niespoistych:
Suchy Sr = 0
Mało wilgotny 0 < Sr <= 0,4
Wilgotny 0,4 < Sr <= 0,8
Nawodniony 0,8 < Sr <= 1,0
Maksymalna wartość stopnia wilgotności Sr = 1,0 - pory całkowicie wypełnione wodą.
Wilgotność optymalna wopt - to taka, przy której uzyskuje się największe zagęszczenie w przypadku gruntów niespoistych i niektórych gruntów spoistych.
Konsystencja i stan gruntu spoistego.
Wskaźnik charakteryzujący właściwości gruntów spoistych w zależności od intensywności ich współdziałania z wodą.
Stopień spójności układu cząstek zależny od ilości wody i stanu fizycznego tych cząstek.
Zmienny stopień spójności powoduje różną odporność gruntu na działanie sił zewnętrznych.
Konsystencje gruntów spoistych (makroskopowo):
Płynna - grunt zachowuje się jak ciecz i nie ma prawie żadnej wytrzymałości
Plastyczna - grunt odkształca się przy pewnym nacisku, nie ulega przy tym spękaniom i zachowuje nadany mu kształt
Zwarta - grunt odkształca się dopiero przy dużych naciskach, przy czym odkształceniom towarzyszą spękania
Wzór na ustalanie stopnia plastyczności:
IL = 1,25 * x/A * fi
1,25 - wilgotność, o którą obniżamy wilgotność gruntu przy jednym wałeczkowaniu
x - liczba udanych wałeczkowa
A - aktywność koloidalna gruntu (oscyluje wokół 1)
fi - zawartość procentowa frakcji iłowej
Sprzęt laboratoryjny do oznaczeń granicy płynności gruntów spoistych:
Aparat Casagrande
Stożek Wasiliewa
Granice konsystencji - są to pewne wilgotności graniczne między odpowiednimi stanami gruntu.
Granice konsystencji wg Atterberga:
granica skurczalności (ws) - występuje pomiędzy stanami zwartym i półzwartym
granica plastyczności (wp) - występuje pomiędzy stanami półzwartym i twardoplastycznym
granica płynności (wL) - występuje pomiędzy stanami miękkoplastycznym i płynnym
Granice konsystencji wg A. Casagrande:
Granica skurczalności - jest to wilgotność w procentach, przy której grunt pomimo dalszego suszenie nie zmniejsza swojej objętości i jednocześnie zaczyna zmieniać barwę na powierzchni na odcień jaśniejszy;
Granica plastyczności - jest to wilgotność w procentach, jaką ma grunt, gdy przy kolejnym wałeczkowaniu wałeczek pęka po osiągnięciu średnicy 3 mm (wg Radaszewskiego: wilgotność gruntów kruszących się wałeczków).
Granica płynności - jest to wilgotności w procentach, jaką ma masa gruntowa umieszczona w aparacie Casagrande'a, w momencie, gdy wykonana w niej bruzda zlewa się przy 25 uderzeniu miseczki o podstawkę, na długości 10 mm i wysokości 1 mm.