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.

Geotechnika (nawiązuje do nauk):

• geologia,

• mechanika budowli i gruntów,

• chemia,

• sprężystość i plastyczność,

• reologia.

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:

● rzeczne ● morskie ● lodowcowe ● eoliczne ● zastoiskowe ● organiczne ●

EPOKA LODOWCA NA TERENACH POLSKI

CZ W A R T O RZ Ę D	HOLOCEN (zaczął się 12,3 tys. lat temu)
		P L E J S T O C E N	ZLODOWACENIE PÓŁNOCNOPOLSKIE (Bałtyckie) (zaczęło się 27 tys. lat temu i trwało 15 tys. lat): ● faza Pomorska ● faza Poznańska ● faza Leszczyńska
				INTERGLACJAŁ EEMSKI (trwał 220 tys. lat)
				ZLODOWACENIE ŚRODKOWO-POLSKIE	Stadiał Mławy (- II faza; - I faza)
						Interstadiał Regimiński
						Stadiał Wkry (- II faza; - I faza)
						Interstadiał
				INTERGLACJAŁ WIELKI (trwał 600 tys. lat)
				ZLODOWACENIE POŁUDNIOWOPOLSKIE (Krakowskie) (trwało 200 tys. lat)
				INTERGLACJAŁ PRZASZNYCKI
				ZLODOWACENIE PODLASKIE
TRZECIORZĘD (skończył się 1,5 mln lat temu)

Utwory polodowcowe: moreny, kemy, ozy, sandry, grunty zastoiskowe.

Utwory zastoiskowe - pyły i iły.

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.

Frakcja gruntu - zbiór ziaren i cząstek gruntu o średnicach „d” zawartych w określonym zakresie.

FRAKCJA GRUNTÓW NIESKALISTYCH

Nazwa frakcji		Symbol frakcji	Zakres średnic zastępczych [mm]
KAMIENIE	Kamienista	fk	D > 40
ZIARNA	Żwirowa Piaskowa	fż	40 ≥ d > 2
				fp	2 ≥ d > 0,05
		CZĄSTKI	Pyłowa Iłowa	fΠ	0,05 ≥ d > 0,002
				fi	0,002 ≥ d

Średnia zastępcza (d) - średnia cząstki kulistej o tej samej gęstości właściwej co cząsteczka gruntowa, opadającej w odzie z taką samą prędkością jak rzeczywista cząsteczka gruntowa.

Grunty spoiste to f_p, f_Π, f_i.

Frakcje zredukowane.

Frakcja piaskowa

Frakcja pyłowa

Frakcja iłowa

Bloki i odłamki skalne mają ten sam skład co skała macierzysta.

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.

MINERAŁY ILASTE

Minerał	Powierzchnia właściwa [m^2/g]	Wymiary cząstek [mμ=10^-9 m]		Nasiąkliwość masy [%]	Pojemność Wymienna [mwal/100g]
						Grubość	Szerokość
MONOTMORYLONITY	800	1-10	100-1000	300-700	60-100
ILLITY	80-100	10-200	100-2000	Pośrednia	20-40
KAOLINITY	10-20	30-1000	300-3000	90	3-15

Struktura gruntów - ich budowa, czyli wzajemny układ ich cząsteczek mineralnych lub ich zespołów w warunkach normalnego ich występowania.

Budowa zbioru cząsteczek iłowych

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).

Cechy	Grunty niespoiste	Grunty spoiste
Skład	Kwarc, krzemionka, skaleń.	Minerały ilaste, drobne cząsteczki kwarcu, skalenie miki.
Wielkość	Głownie ziarna większe d>0,002 mm, fi<1%	Głównie cząsteczki d<0,002 mm, fi>1%
Kształt ziaren (cząsteczek)	Bryłowaty	Blaszkowaty lub iglasty
Budowa gruntu	Ziarnista	Komórkowa lub kłaczkowta
Wolne przestrzenie	Między ziarnami mogą wynosić 15-50% objętości gruntu	Między cząsteczkami może dochodzić do 90% objętości gruntu
Aktywność chemiczna	Mała	Duża
Zjawiska powierzchniowe	Nie mają znaczenia dla właściwości mechanicznych	Znaczna intensyfikacja zjawisk - działanie siły na powierzchni cząstek
Konsystencja	Ziarna gruntu - niezależne od siebie	Są spójne
Zagęszczenie	Zależy od sposobu ułożenia ziaren i zmienia się w niezbyt znacznych granicach	Może zmieniać się w szerokich granicach i zależy głównie od zawartości wody w gruncie - konsolidacja
Zmiana zawilgocenia, tj. zmiana wypełnienia wolnych przestrzeni wodą	Nie powoduje zmian objętości bryły gruntu; stosunek objętości wody do objętości części stałych może wynosić 1:1	Objętość może znacznie wzrastać; stosunek objętości wody do objętości części stałych może wynosić 9:1 a nawet 16:1
Wysychanie	Nie występuje zjawisko zmian konsystencji	W miarę wysychania przechodzą z konsystencji płynnej w plastyczną i zwartą
Przepuszczalność wodna	Łatwo przepuszczają wodę	Bardzo słabo przepuszczają wodę- praktycznie nieprzepuszczalne
Powierzchnia graniczna	Znacznie mniejsza niż w gruntach spoistych	Bardzo duża

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).




gdzie: ΣA - powierzchnia graniczna pojedynczej cząstki;

ΣV - objętość pojedynczej cząstki.

Zjawiska fizyko-chemiczne na powierzchni granicznej.

Budowa elektrokinetyczna cząstki.


Cząstki gruntowe zbudowane są z różnych jonów: (-) aniony, (+) kationy, czyli wewnątrz cząstek jony są całkowicie zrównoważone. Jony znajdujące zie na powierzchni granicznej są związane tylko od strony cząstki; od strony zewnętrznej nie są zrównoważone i dążą do połączenia się z jonami lub molekułami wody, znajdującymi się w strefie przyciągania. Powoduje to powstania do dokoła cząstki dwóch warstw wody związanej: woda higroskopijna (absorbowana) i woda błonkowata.

Woda absorbowana tworzy warstwę trwale związaną z powierzchnią cząstki. Ma ona charakter ciała stałego o gęstości ρ ≈ 1,7 g/cm³, zamarza przy temperaturze -78˚C.

Woda błonkowata jest znacznie słabiej związana z powierzchnią cząstki i zamarza w temperaturze -1,5˚C.

Im więcej jest wody związanej w gruntach spoistych tym mniejsza jest ich wodoprzepuszczalność, tym wolniej przebiega koloidacja i tym mniejszy jest współczynnik tarcia między cząsteczkami.

Pojemność wymienna - całkowita liczba jonów w gruncie mogących brać udział w

wymianie, wyrażona (miliwatach) mwal/100g suchego gruntu.

Zjawiska fizykochemiczne w gruncie

1. Elektroosmoza - zjawisko przemieszczania się wody w gruncie pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego prądu stałego; woda płynie od anody (pręty stalowe) do katody (studnie zbiorcze z dziurkowanych rur aluminiowych). Tworzy się to zjawisko w celu odwodnienia i zagęszczenia gruntów spoistych a małej filtracji oraz do wprowadzenia elektrolitów do gruntu w celu ich wzmocnienia lub uszczelnienia.

2. Elektroforeza - zjawisko polegające na przemieszczaniu się w cieczach cząstek ilastych w kierunku jednej z elektrod.

3. Zjawisko tiksotropi. Cząsteczki iłowe o d<0,0002 mm tworzą z wodą zawiesinę koloidalną. Zjawisko przechodzenia zawiesin koloidalnych z żelu w zol, czyli płynną zawiesinę pod wpływem oddziaływań mechanicznych (i odwrotnie z zolu w żel - przy zanikaniu oddziaływań). Zawiesiny tiksotropowe używamy w budownictwie do robót wiertniczych.

4. Zjawiska kapilarne. W gruntach rozróżniamy dwie postacie kapilarności:

• kapilarność czynna H_kc - maksymalna wysokość na którą podniesie się woda w porach gruntu ponad poziom swobodnego zwierciadła wody gruntowej;

• kapilarność bierna H_kb - występuje wtedy, gdy obniża się poziom wody gruntowej, a poziom wody kapilarnej pozostaje bez zmian.




Badanie kapilarności

Badanie kapilarności biernej.

Kapilarność bierna gruntu - wysokość słupa wody [cm] przy którym powietrza przebija się przez próbkę gruntu.

Wysokość kapilarnego podciągania różnych gruntów H_kc [m]

Żwir	≤ 0,03
Piasek gruby	0,04 - 0,15
Piasek średni	0,15 - 0,30
Piasek drobny	0,30 - 0,50
Piasek pylasty	0,50 - 2,00
Puł	2,00 - 5,00
Glina	5,00 - 15,00
Ił piaszczysty	15,00 - 50,00
Ił	> 50,00

Kapilarność bierną bada się dla gruntów niespoistych i małospoistych dla H_kb ≤ 170 cm jak kryterium wysadzinowości gruntu. Na podstawie H_kb można określić wysadzinowość gruntu:

H_kb < 100 cm - grunt niewysadzinowy;

H_kb = 100 ÷ 130 cm - grunt wątpliwy;

H_kb > 130 cm - grunt wysadzinowy

Badanie kapilarności czynnej.

Bada się ją w celu właściwego zaprojektowania i założenia izolacji przeciwwilgotnościowej.

1. 
   Badanie kapilarności czynnej dla gruntów niespoistych.

Grunt podciąga zabarwioną wodę, odczekujemy 24h, aż się ustali poziom podnoszenia. Po tym czasie odmierzamy odległość od zwierciadła wody do wysokości wznoszenia.

2. Metoda II - specjalnym przyrządem.




Właściwości fizyczne gruntów

Klasyfikacja gruntów budowlanych (ksero)

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.


f' - frakcja po odrzuceniu frakcji żwirowej.

Podział gruntów spoistych

1. Grunty spoiste morenowe skonsolidowane (przecięte lodowcem, powstaje z moreny dennej).

2. Inne grunty spoiste skonsolidowane oraz grunty morenowe nieskonsolidowane.

3. Inne grunty spoiste nieskonsolidowane (np. grunty spływowe).

4. Iły nie zależnie od pochodzenia geologicznego (grunty zastoiskowe) np. iły warwowe, pyły piaszczyste.

Rodzaje pobieranych próbek (pobiera się w zależności od zakresu badań):

• o naturalnym uziarnieniu (NU);

• o naturalnej wilgotności (NW);

• o nienaruszonej strukturze (NWS)

• próbka wody gruntowej (WS) do badania stopnia agresywności na beton i metal

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.

Kolejność czynności przy analizie areometrycznej:

1. Wycechować areometr, określić: l, h₀, h₁, A₁, V_H, P, ΔR.

2. Makroskopowo określić nazwę gruntu; zważyć próbkę (m_m); określić wilgotność próbki (w). Obliczy z tego masę szkieletu (m_s):




3. Przygotować zawiesinę, czyli pmyć przez sito o średnicy 0,071 lub 0,063 mm. Pozostałość na sicie osuszyć, zważyć m_s1, gdy m_s1 > 5% m_s to wykonujemy analizę sitową tej pozostałości na sicie:




4. Wymieszać zawiesinę w cylindrze, wykonujemy odczyt R_T na skali:

1. głębokość zanurzenia środka wyporu nurnika aerometru poniżej zwierciadła cieczy w cylindrze:




gdzie: R - jest zmienne R = R_T + c + ΔR + a;

c - poprawka na menisk przy rurce nurnika (c = 0,7 lub c = 0,5);

30 - długość skali areometru;

ΔR - poprawka skali areometru;

a -poprawka na temperaturę.

2. średnica zastępcza d_T największych cząstek znajdujących się po czasie T na poziomie H_R.

średnica zastępcza d_T - średnica cząstek kulistych, które opadają w wodzie z taką samą prędkością jak cząstki rzeczywiste.




gdzie: d_wz - wzorcowa średnica cząstek (uzależniona od t, T).

3. procentowa zawartość cząstek Z_T o średnicach zastępczych od d_T:




gdzie: ρ_s - gęstość właściwa szkieletu gruntowego [g/cm³];

m_s - całkowita masa szkieletu gruntowego wzięta do badania;

ρ_w - gęstość wody [g/cm³]; w zależności od temperatury przyjmujemy według tablicy 5.

4. gdy m_s1 > 5% (masa próbki po przejściu przez sito - m_s1):




5. Na krzywą uziarnienia nanieść punkty z analizy sitowej m_s i punkty z analizy arometrycznej m_s2.

6. Ustalić zawartość procentową frakcji.

7. Określić nazwę gruntu spoistego na podstawie Fereta (rys. 4, tabela 12, PN 86/B-02480).

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.

Oznacznie zawartości części organicznych

Zawartość części organicznych I_om - jest to stosunek masy domieszek organicznych do masy szkieletu gruntowego. Grunty organiczne to grunty o I_om > 2%.

Metody oznaczenia części organicznej:

1. Metoda utleniania roztworem H₂O₂ według wzoru:




gdzie: m_st - masa zlewki z wysuszoną próbką gruntu;

m_u - masa próbki ze zlewką po utlenieniu;

m_t - masa pustej zlewki.

2. Metoda prażenia w temperaturze 600-800°C:




gdzie: I_ż - strata masy przy prażeniu;

m_u - masa zlewki z próbką po wyprażeniu.

Rodzaje gruntów organicznych

Nazwa gruntu	Symbol	Zawartość części organicznych [%]
Grunty próchnicze	H	2<Iom≤5
Namuły: Piaszczyste gliniaste	Nm Nmp Nmg	5<Iom≤30
Gytie	Gy	5<Iom≤30, CaCO3≤5%
Torfy	T	Iom>30

Podstawowe cechy fizyczne gruntów (parametry geotechniczne)

Metody ustalania parametrów geotechnicznych:

1. Metoda A - polega na bezpośrednim oznaczeniu parametrów geotechnicznych w laboratorium lub na polu.

2. Metoda B - polega na oznaczeniu parametru na podstawie ustalonych zależności korelacyjnych między parametrami fizycznymi lub chemicznymi, a innym parametrem wiodącym (te, które należy zbadać):

• dla gruntów niespoistych - nazwa gruntu (rodzaj), wilgotność (w), stopień zagęszczenia (I_D);

• dla gruntów spoistych - nazwa gruntu, stopień plastyczności (I_L), pochodzenie geologiczne (A, B, C, D).

3. Metoda C - polega na przyjęciu wartości parametrów określonych na podstawie praktycznych doświadczeń na podobnych terenach i dla podobnych konstrukcji.

Parametry:

• wartość charakterystyczna (normowa) - metoda A:




gdzie: N - liczba badań

• wartość obliczeniowa parametru geotechnicznego:




gdzie: γ_m - współczynnik materiałowy.




Wilgotność gruntu

Jest to stosunek masy wody m_w zawartej w porach gruntu do masy szkieletu gruntowego:


[%],

obliczamy ze wzoru:


[%]

gdzie: m_mt - masa parowniczki z gruntem wilgotnym [g],

m_st - masa parowniczki z gruntem wysuszonym [g],

m_t - masa pustej parowniczki [g].

Wilgotność naturalna - rzeczywista wilgotność gruntu w stanie naturalnym w podłożu.

Gęstość właściwa szkieletu gruntowego




gdzie: m_s - masa szkieletu m_s = m_g - m_t;

V_s - objętość szkieletu.

Do badania:




gdzie: m_g - masa kolby ze szkieletem gruntowym;

m_t - masa pustej kolby;

m_wt - masa kolby napełnionej do kreski wodą destylowaną;

m_wg - masa kolby ze szkieletem gruntowym i z wodą destylowaną

ρ_w - gęstość wody.


Mianownik z powyższego wzoru służy do obliczenia objętości szkieletu.

Ciężar właściwy szkieletu:




Dla gruntów mineralnych: ρ_s = 2,65-2,78 [g/cm³]

Grunty organiczne mają gęstość właściwą szkieletu mniejszą niż mineralne.

Gęstość objętościowa gruntów

Gęstość objętościowa gruntu p - jest to stosunek masy próbki m_m do objętości całej próbki V:







Metody oznaczania i zakres ich stosowania

W zależności od cech gruntu i wielkości dostarczonej próbki, oznaczania można wykonywać jedną z następujących metod:

1. metodą wyporu hydrostatycznego w cieczach organicznych:


;

gdzie: m_m - masa próbki wilgotnej;

m_mc - masa próbki zanurzonej w cieczy organicznej;

ρ_c - gęstość właściwa cieczy organicznej w temperaturze badanej.

2. metodą wyporu hydrostatycznego w wodzie (należy stosować w przypadku gruntów spoistych, których rodzaj próbki uniemożliwia stosowania metody oznaczania w pierścieniu lub w cylindrze):


;

gdzie: m_p - masa oparafinaowanej próbki;

m_pw - mas oparafinowanej próbki zanurzonej w wodzie;

ρ_p - gęstość właściwa parafiny w temperaturze badania.

3. przy oznaczeniu objętości próbki metodą wyporu rtęci (stosuje się w przypadku twardoplastycznych, półzwartych lub zwartych gruntów spoistych, jedynie gdy konieczne jest uzyskanie dużej dokładności wyników):


;

Polega na zastosowaniu zamiast cieczy organicznej - rtęci.

4. przy zastosowaniu cylindra lub pierścienia o określonej objętości (stosuje się przy badaniu gruntów niespoistych):


.

Cylindry mogą służyć do badania gruntów niespoistych, a pierścienie do gruntów spoistych.

5. metoda przy użyciu objętościomierza piaskowego (do metody wykorzystuje się piasek kalibrowany, który wsypuje się do zbiornika przyrządu - około 3000g; kopie się dołek o głębokości około 20 cm):




gdzie: M - masa gruntu wybranego z dołka;

V_d - objętość dołka:




gdzie: M₁ - masa pojemnika z piaskiem kalibrowanym na początku ćwiczenia;

M₂ - masa pojemnika z piaskiem kalibrowanym po wyjęciu z dołka;

ρ_pk - gęstość objętościowa piasku kalibrowanego:




gdzie: M₁” - masa piasku kalibrowanego;

M₂” - masa piasku kalibrowanego pozostałego po kalibrowaniu;

V - objętość cylindra miarowego;

M₃ - masa piasku kalibrowanego w stożku:




gdzie: M₁' - masa pojemnika z piaskiem kalibrowanym przed cechowaniem stożka;

M₂' - masa pojemnika z piaskiem kalibrowanym przed cechowaniem stożka.

6. metoda przy użyciu objętościomierza wodnego;

7. metoda przy użyciu aparatury izotopowej

Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego




gdzie: m_s - masa szkieletu gruntowego [g],

V - objętość gruntu [g/cm³].


,

gdzie wilgotność:







Porowatość gruntu

Jest to stosunek objętości porów w danej próbce do objętości całkowitej próbki V:










Wskaźnik porowatości gruntu

Wskaźnik porowatości gruntu (e) - jest to stosunek objętości porów V_p do objętości szkieletu gruntowego V_s.




Zależność między porowatością (n), a wskaźnikiem porowatości (e)









lub


Stopień wilgotności gruntu




gdzie: V_w - objętość wody w porach gruntowych;

V_p - objętość porów.

Do obliczeń przyjmuje się:


W zależności od stopnia wilgotności gruntu, grunty niespoiste dzieli się na:

• grunt suchy S_r = 0;

• grunt mało wilgotny 0 ≤ S_r ≤ 0,4;

• grunt wilgotny 0,4 ≤ S_r ≤ 0,8

• grunt nawodniony 0,8 ≤ S_r ≤ 1,0.

Wilgotność całkowita

Grunt ma wilgotność całkowitą (w_r), gdy jego pory są całkowicie wypełnione wodą.














Gęstość objętościowa gruntu przy całkowitym nasyceniu porów wodą

Występuje przy kapilarnym podciąganiu wody.







Ciężar objętościowy gruntu:


Gęstość objętościowa gruntu z uwzględnieniem wyporu wody








dla gruntów spoistych;


Stany gruntów niespoistych

1. Stopień zagęszczenia gruntów niespoistych.

Stopniem zagęszczenia I_p nazywa się stosunek zagęszczenia istniejącego w warunkach naturalnych do największego możliwego zagęszczenia gruntu. Służy do określenia stanu gruntów niespoistych (czynniki wpływające na zagęszczenie gruntu: nacisk lodowca, przepływ wody, przemieszczania się skał, woda deszczowa)

Badanie laboratoryjne stopnia zagęszczenia:




gdzie: e_min - wskaźnik porowatości minimalnej przy najściślejszym położeniu ziaren;

e_max - wskaźnik porowatości maksymalnej przy najluźniejszym położeniu ziaren;

e -wskaźnik porowatości gruntu w stanie naturalnym;




gdzie: ρ_s - gęstość właściwa;

ρ_dmin - minimalna gęstość objętościowa gruntu:




gdzie: m_st - masa cylindra z gruntem luźno usypanym;

m_t - masa cylindra;

V - objętość cylindra.







gdzie: ΔV - zmniejszona objętość gruntu w cylindrze po wibrowaniu widełkami.






0 ≤ I_D ≤1

Ze względu na stopień zagęszczenia wyróżniamy stany gruntów niespoistych:

Stopień zagęszczenia	Symbol	Stan gruntu niespoitego
Ip ≤ 0,33	Ln	Luźny
0,33 ≤ Ip ≤ 0,67	Szg	średnio zagęszczony
0,67 ≤ Ip ≤ 0,80	Zg	Zagęszczony
Ip > 0,80	Bzg	bardzo zagęszczony

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.

2. Cechy charakterystyczne gruntów spoistych:

• granica plastyczności w_p;

• granica płynności w_L lub
  ;

• granica skurczalności w_s.

Stopień plastyczności I_L służy do określenia stanów gruntów spoistych. Obliczany jest według wzoru:


lub


Wskaźnik plastyczności I_p wskazuje ile wody wchłania grunt przy przejściu ze stanu półzwartego w stan płynny (w % w stosunku do masy szkieletu). Stanowi kryterium podziału gruntów na grupy pod względem spoistości. Obliczany jest według wzoru:


[%] lub
[%]

Stan i konsystencję gruntu spoistego określa się na podstawie wartości stopnia plastyczności I_L lub
według poniższej tabeli.

Określenie stanu i konsystencji gruntu spoistego na podstawie wartości I_L

Wartość IL	Wartości w	Stan gruntu	Symbol	Konsystencja
IL≤0	w≤ws	Zwarty	zw	ZWARTA
IL≤0	Ws≤w≤wp	Półzwarty	pzw
0≤IL≤0,25	Wp≤w≤wl	Twardoplastyczny	tpl		PLASTYCZNA
0,25≤IL≤0,50			Plastyczny		pl
0,50≤IL≤1,0			Miękkoplastyczny		mpl
IL≥1,0	wl≤w	Płynny	pł	PŁYNNA

Grupy gruntów ( w zależności od spoistości) na podstawie wartości I_p

Grupy gruntów	Wskaźnik plastyczności [%]
Niespoisty	Ip ≤ 1
Spoisty:	1 ≤ Ip
mało spoisty	1≤ Ip ≤ 10
Średnio spoisty	10 ≤ Ip ≤ 20
Zwęziło spoisty	20 ≤ Ip ≤ 30
Bardzo spoisty	30 ≤ Ip

Granica plastyczności w_p - wilgotność gruntu spoistego między stanami półzwartym i twardoplstycznym; przyjmuje się, że jest to wilgotność przy której wałeczek uformowany z gruntu podczas jego wałeczkowania na dłoni pęka po osiągnięciu średnicy 3mm.

Granica skruszalności gruntu w_s - wilgotność gruntu spoistego między stanami zwartym i półzwartym; przyjmuje się, że jest to wilgotność, przy której grunt pomimo dalszego suszenia nie zmienia swojej objętości i jednocześnie jego barwa staje się jaśniejsza.

Granicę skruszalności gruntu (w_s) należy obliczyć, w % według wzoru:




gdzie: p_w - gęstość wody w porach gruntu przyjmowana jako równa 1,000 [g/cm³],

p_s - gęstość właściwa szkieletu gruntowego [g/cm³,

p_d - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego [g/cm³].

Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego obliczamy według wzoru:




gdzie: m_s - masa szkieletu gruntowego [g],

V - objętość gruntu [g/cm³].

Granica płynności - wilgotność gruntu spoistego między stanami miękkoplastycznym, a płynnym.

Rozróżnia się trzy zasadnicze metody oznaczania granicy płynności gruntu:

1. Metoda Casagrande'a - jako wartość granicy płynności w_l przyjmuje się wilgotność pasty gruntowej, w której wykonana bruzda zlewa się na długości 10mm i wysokości 1mm przy 25 uderzeniach miseczki o podstawę.

2. Metoda Wasiljewa - jako wartość granicy płynności
   przyjmuje się wilgotność pasty gruntowej, w którą stożek zagłębia się pod własnym ciężarem na głębokość h = 10mm w czasie 5s.

3. Metoda penetrometru stożkowego - wartość graniczna płynności w_l oblicza się ze wzoru:




gdzie: w₁₈ - wilgotność pasty gruntowej, odpowiadająca głębokości penetracji h = 18mm.

Zależność pomiędzy wskaźnikiem plastyczności, a zawartością frakcji iłowej




gdzie: A - aktywność koloidalna gruntu wg Skemptona;

f_i' - zredukowana wartość frakcji iłowej.

Dla gruntów w Polsce A =1, z wyjątkiem:

• glin pokrywowych i lessów A = 0,5÷0,7;

• iłów montmorylonitowych A = 1,5.

Ze względu na aktywność koloidalną grunty dzielimy na grupy:

1. nieaktywne A < o,75;

2. przeciętnie aktywne 0,75 ≤ A ≤ 1,25;

3. aktywne 1,25 ≤ A ≤ 2;

4. bardzo aktywne A > 2.

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.

1
















---