Analizę granulometryczną przeprowadza się metodą sitową i areometryczną. Są to metody laboratoryjne, a więc pozwalają na dokładne określenie procentowej zawartości poszczególnych frakcji. Ponieważ jednak do przeprowadzenia tych badań potrzebny jest odpowiedni sprzęt i dużo czasu, w terenie używa się metod analizy makroskopowej. Są to metody przybliżone - określenie rodzaju gruntu oraz niektórych jego cech fizycznych dokonuje się organoleptycznie i na podstawie doświadczenia. Celem analizy makroskopowej jest oznaczenie nazwy, stanu, barwy i wilgotności gruntu, oraz zawartości w nim węglanu wapnia.
Makroskopowe określenie rodzaju gruntu:
Nazwa gruntu zawartość frakcji w procentach > 2 mm > 0,5mm > 0,25 mm żwir <50 - - pospółka 10÷50 >50 - piasek gruboziarnisty <10 >50 - piasek średnioziarnisty <10 <50 >50 piasek drobnoziarnisty <10 5 <50 piasek pylasty <10 <50 <50
- grunt spoisty - po wyschnięciu tworzy grudki, a w stanie wilgotnym jest plastyczny. Używa się metod: - wałeczkowania - rozcierania w wodzie - rozmakania.
Grunt - wszystko, co zalega w zewnętrznej warstwie skorupy ziemskiej.
Kategoria geotechniczna - zakres badań, jaki należy przeprowadzić dla danego obiektu
Klasyfikacja gruntów: Grunty budowlane antropomorficzne, naturalne (nasypowe, rodzime (organiczne, mineralne (skaliste, nieskaliste (kamieniste, gruboziarniste, drobnoziarniste (sypkie, spoiste (<10% małospoiste /pyły, piasek gliniasty/, 10÷20% średnio- /gliny piaszczyste i pylaste/, 20÷30% spoiste zwięzłe /gliny zwięzłe piaszczyste i pylaste/, >30% bardzo spoiste /iły pylaste i piaszczyste/). Nasypowe, to rodzime, które zostały przeniesione sztucznie. Organiczne zawierają szczątki organiczne. Skaliste to skały. Nieskaliste składają się z oddzielnych cząstek.
Frakcje kamienista (d>40mm), żwirowa (2<d<40mm), piaskowa (0,05<d<2mm), pyłowa (0,002<d<0,05mm), iłowa (d<0,002mm). Nazwa gruntu nieskalistego zależy tylko od uziarnienia.
Trójkąt Fereta klasyfikacja oparta na trzech najdrobniejszych frakcjach: piaskowej, pyłowej i iłowej. Zawartość poszczególnych frakcji można zobrazować jednym punktem na układzie współrzędnych trójkątnych.
Ciśnienie pęcznienia - siła, która pojawia się w gruncie spoistym pod wpływem nawadniania.
Stopień prekonsolidacji - OCR = σz'max/σz'. prim oznacza naprężenia efektywne, tzn. występujące w szkielecie gruntowym. W liczniku - naprężenia pionowe maksymalne, jakie występowały w historii, w mianowniku - naprężenia działające obecnie. W Polsce zazwyczaj OCR>1, podstawową przyczyną prekonsolidacji jest lodowiec. Grunty normalnie skonsolidowane OCR=1.
Metody badań gruntów 1. Metody polowe, 2. Metody laboratoryjne Zalety badań polowych (in situ): objętość badanego gruntu większa niż w testach lab; ciągła rejestracja profilu podłoża umożliwiająca precyzyjne wyodrębnienie warstw; badanie parametrów geotechn. w warunkach istniejących w podłożu naprężeń; zdecydowanie krótszy czas i koszt niż w lab; możliwość badania w przypadkach, gdy uzyskanie próbek NNS gruntu nie jest możliwe. Zalety badań laboratoryjnych: możliwość uzyskania jednorodnych stanów naprężenia i odkształcenia; kontrola ścieżki obciążenia próbki w czasie badania; kontrola warunków drenażu; możliwość dokładnej identyfikacji rodzaju i stanu gruntu, składu mineralogicznego itp. Techniki badań polowych: - penetrometry sondy (dynamiczne, statyczne (z końcówką mechaniczną, elektryczną -CPT, piezzostożkiem-CPTU, ze stożkiem sejsmicznym-SCPT, dylatometr-DMT, cylindryczna-SPT)) - presjometry klasyczny, PBP - do otworów wiertniczych, samowwiercający się SBP; - inne przyrządy: sonda obrotowa, obciążenie płytą, obc. płytą wkręcaną, próbne pompowania, badania sejsmiczne w otworze wiertniczym
Metody określania parametrów gruntowych A - na podstawie odpowiednich metod polowych lub lab B - na podstawie zależności tabelarycznych lub rysunkowych między poszukiwanym parametrem a innym, wyznaczonym metodą A C - Korzystanie z praktycznych doświadczeń budownictwa na podobnych terenach. Wynikiem badań jest przekrój geologiczny lub geologiczno-inżynierski.
Parametry fizyczne gruntów Podstawowe: Objętość V: V=Vp+Vs (porów i szkieletu) Masa: m: m=ms+mw (szkieletu i wody powietrze pomijamy) Gęstość właściwa: ρs=ms /V [g/cm3], średnio 2,5÷2,8 g/cm3 Gęstość objętościowa: ρ=m/V [g/cm3], średnio 1,8÷2,2 g/cm3 Wilgotność: w=mw / ms * 100% liczba niemianowana Pochodne Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego: ρd=ms / V = ρ/(1+w) służy do kontroli jakości robót ziemnych Porowatość: n=Vp / V = (γs - γd)/γs Szczelność: m=Vs / V n + m = 1 Wskaźnik porowatości: e = Vp / Vs = n / (1 - n) = (γs - γd)/γd Wskaźnik wilgotności: Sr=Vw / Vp = w / wmax = w⋅γs / (100⋅e⋅γw). Grunt suchy Sr=0, mało wilgotny Sr=0÷0,4, wilgotny 0,4÷0,8, nawodniony 0,8÷1. Sr=1 nasycony, else nienasycony Stopień zagęszczenia: ID = (Vmax - V)/(Vmax - Vmin) = (emax - e)/(emax - emin) ∈ [0;1] luźny: 0÷0,33; średnio zagęszczony: 0,33÷0,67; zagęszczony: 0,68÷0,8; b.zagęszcz:0,8÷1 W przyrodzi zwykle ID < 0,6. Stopień plastyczności: IL = (w - wp)/(wL - wp) = (w - wp)/Ip, wp - granica plastyczności (przez wałeczkowanie), wL - granica płynności (aparat Casagrande'a). Stan zwarty: IL<0 i w<ws - granicy skurczu. Pólzwarty: IL<=0 i ws<=w<=wp. Twardoplastyczny: 0<=IL<=0,25 i wp<=w<=wL. Plastyczny: 0,25<=IL<=0,5 i wp<=w<=wL. Miękkoplastyczny: 0,5<=IL<=1 i wp<=w<=wL. Płynny: IL>1 i w>wL. Wskaźnik plastyczności: Ip = wL - wp informuje o wodochłonności w zakresie konsystencji plastycznej (mówi, o ile musi się zwiększyć wilgotność żeby konsystencję zmienić ze zwartej na płynną). Aktywność koloidalna: A = Ip / fi, fi - zawartość frakcji iłowej. W Polsce dla większości gruntów A≈1, iły montmorynolitowe A≈1,5, grunty lessopodobne (pyłowe) A≈0,5÷0,7 Wskaźnik zagęszczenia: Is = ρdnas / ρdmax, ρdnas - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego w nasypie, ρdmax - maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntowego (mierzona w laboratorium aparat Proctora - trzeba uzyskać wopt)
Naprężenia w gruncie Podział na warstewki obliczeniowe: 1 warstwa w 1 gruncie, h<=0,25B do głębokości z = B, h<=0,5B powyżej. Do głębokości zmax σzmaxd<=0,3σz'maxγ σzγ iγihi - naprężenia w gruncie od ciężaru wyżej leżących warstw, zwane pierwotnym. σzq - naprężenie od obciążenia zewnętrznego. σz = σzγ + σzq σzγ - odciążenie wykopem: σz = (σzγ - σzγ) + σzq σz'γ = σzγ - u - naprężenie efektywne, u = γw ⋅ h Pod ZWG trzeba do obliczenia naprężeń używać γSr = (1-n)γs+nγw, γ' = (1-n)(γs - γw) M0, u i cu, - z normy, M=M0/. Wyznaczanie naprężeń σzq
Rozwiązanie Boussinesqa: σz = (3Q/2)⋅z3/R05, R05=sqrt(r2 + z2)
Jeśli obszar obciążony znajduje się w odległości R0=2a od punktu M, to można obciążenie rozłożone zamienić na skupione Q
|
W punkcie położonym pod narożem prostokąta: σzq = nq. z nomogramu W punkcie położonym pod środkiem prostokąta: σzq = mq. z nomogramu Naprężenie średnie pod obszarem prostokątnym: σzq = s q. z nomogramu Metoda punktów narożnych
σzq=σHAEM+σEBFM+σFCGM+σGDHM; σzq= σEBFM+σHDGM-σEAGM-σHCFM
σzq<=σzγ σzs=σzq i σzd=0 σzq>σzγ σzs=σzγ i σzd=σzq - σzγ
Osiadanie punktu lub warstwy: bierze się naprężenia w środku warstwy i: si = (σzsi⋅hi)/Mi + (σzdi⋅hi)/M0i
Ruch wody w gruncie Woda występuje w: wodzie wolnej (gruntowa, w większości w gruntach sypkich, porusza się pod wpływem działania siły ciężkości, wypełnia pory gruntu, oddziałuje na szkielet pod względem chemicznym, mech., przekazuje ciśnienie hydrostatyczne i -dynamiczne), zawieszonej (zaskórnej), kapilarnej, błonkowej (w większości w gruntach spoistych), związanej w strukturze materiału, w postaci pary wodnej, lodu. Woda błonkowa wędruje z miejsc o temperaturze wyższej do miejsc o temp niższej. Tworzą się soczewki, które powodują wysadziny (zmiany objętości o ok. 30%). Na wiosnę grunty uzyskują dużą wilgotność. Do gruntów wysadzinowych należą te, które mają zawartość iłów > 10%. Ponad ZWG tworzy się strefa wód kapilarnych. Wysokość podciągania kapilarnego zależy od średnic kapilar i wynosi od 1cm do 30m. Hk=2σnp/rγw, σnp - napięcie powierzchniowe, r - średnica kapilary. Jest to kapilarność czynna. Kapilarność bierna: utrzymywanie się wody kapilarnej w porach po obniżeniu się ZWG. Hb >> Hk. Obniżenie ZWG zwiększa naprężenia efektywne w szkielecie. Przepływy: laminarne (cząstki cieczy poruszają się po torach równoległych), burzliwe (tory przecinają się). Przejście z laminarnego do burzliwego - po przekroczeniu prędkości krytycznej. Zwykle w gruntach - laminarny; przepływ burzliwy jest b. niekorzystny, należy mu zapobiegać. Liczba Reynoldsa: RE = v⋅d/, - współczynnik lepkości Napór: H=hw + hy + v2/2g, hw - wysokość ciśnienia, hy - wysokość położenia. Czynniki powodujące ruch wody w gruncie: grawitacja, wymuszenia zewnętrzne, pole temperatur, pole elektryczne. Grawitacja: spadek hydrauliczny: i=H/l, H=HA-HB; prędkość krytyczna: vk = RE⋅c⋅g/(D⋅γw), D-średnica kanalików. Prawo Darcy'ego (filtracji laminarnej): v=(i - i0)⋅k, k-współczynnik wodoprzepuszczalności, stała Darcy'ego - zależy od gruntu, porowatości i lepkości wody. i0 - próg filtracji, początkowy spadek hydrauliczny - tylko w spoistych. Pkd=γw⋅H⋅F, F-pole przekroju próbki, H-H1-H2., ciśnienie spływowe (hydrodynamiczne): pkd = Pkd/(F⋅L)=γw⋅i Sufozja: wymywanie z gruntu drobniejszych frakcji na skutek sił ciśnienia spływowego. Kurzawka: wymywanie wszystkich frakcji, z tego samego powodu (zwykle występuje w gruntach sypkich drobnoziarnistych). Metody zapobiegania sufozji i kurzawce: wydłużenie drogi filtracji (głębiej zabić ścianki), odwodnienie (obniżenie ZWG), spowodowanie niedrożności porów gruntu. Spadek krytyczny: (jego przekroczenie powoduje kurzawkę): σ=γSr⋅h2+γw⋅h1 u=(h1+h2+h)γw σ'=σ-u=γ'⋅h2-γw⋅h γ'=γSr-γw przypadek graniczny: σ'=0 σ'=h2(γ'-i⋅γw)ikr = γ'/γw, idop=0,5ikr.
Wytrzymałość gruntów Opór tarcia w odniesieniu do jednostki powierzchni ścinania gruntów sypkich (piasków suchych) w stanie równowagi granicznej wyraża się wzorem Coulomba: t = = σn⋅tg Dla gruntów spoistych, mających opór tarcia i spójności, wzór przybiera postać: t = = σn⋅tg + c, t - opór tarcia wewnętrznego i spójności [Pa], - naprężenie ścinające [Pa], tg - współczynnik tarcia wewnętrznego, - kąt tarcia wewnętrzego [°], σn - naprężenie normalne do powierzchni ścięcia [Pa], c - spójność [Pa]. Aby nastąpiło ścięcie gruntu, naprężenia ścinające muszą być większe od oporu tarcia wewnętrznego i spójności, czyli musi być spełniony warunek > t. Na podstawie powyższych wzorów można stwierdzić, że wytrzymałość gruntu na ścinanie jest funkcją kąta tarcia wewnętrznego, spójności i naprężenia normalnego do płaszczyzny ścinania. Znajomość wytrzymałości gruntu na ścinanie jest niezbędna podczas wyznaczania wartości normowych obciążeń jednostkowych podłoża na podstawie naprężeń granicznych, przy projektowaniu skarp wykopów lub nasypów, do obliczania parcia gruntu na mury oporowe itp. Wytrzymałością gruntu na ścinanie nazywa się maksymalny opór jednostkowy, jaki stawia grunt naprężeniom ścinającym w chwili nastąpienia ścięcia (poślizgu w płaszczyźnie ścinania). Określenie wytrzymałości gruntu na ścinanie sprowadza się do określenia kąta tarcia wewnętrznego i spójności. Laboratoryjnie wielkości te wyznacza się za pomocą: aparatu bezpośredniego ścinania (ABS), aparatu trójosiowego ściskania (ATS). ATS: Badania w aparacie trójosiowego ściskania zaleca się przeprowadzać również na kilku próbkach tego samego gruntu (NW). Stosuje się próbki gruntu kształtu cylindrycznego o wysokości co najmniej dwukrotnie większej niż średnica. Po wycięciu próbki naciąga się na nią szczelną pochewkę gumową, łączącą próbkę z dolnym i górnym filtrem. Po ustawieniu kosza wpuszcza się do niego wodę, którą następnie spręża się do roboczego ciśnienia σ3. Robocze ciśnienie przyjmuje się odpowiednio do warunków pracy gruntu pod budowlą. Po wstępnej konsolidacji (ew. dekonsolidacji i nasyceniu wodą) przeprowadza się ścinanie, dając dodatkowy pionowy nacisk q od góry, który zwiększa się do chwili przezwyciężenia oporu ścinania gruntu; łączny maksymalny nacisk σ3 + qmax oznaczamy jako σ1. Naprężenia σ1 i σ3 są naprężeniami głównymi; próbka ścina się pod kątem do poziomu, wartość naprężenia normalnego σn i stycznego wyznacza się za pomocą koła Mohra. Otrzymane koło Mohra jest kołem granicznym, a uzyskane naprężenie styczne jest dla danego σn maksymalnym f. Przeprowadzając kilka badań na kilku próbkach tego samego gruntu przy różnym ciśnieniu σ3 otrzymuje się kilka granicznych kół Mohra. Obwiednia do granicznych kół Mohra będzie prostą Coulomba.
|
|