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.
W głębokich strefach skorupy ziemskiej:
przemieszczanie się skorupy ziemskiej, jej podnoszenie się i opadanie, pofałdowania i uskoki;
wylewy magmy i tworzenie się nowych skał:
skały wylewne,
skały głębinowe;
przerażanie wcześniej powstałych skał
skały metamorficzne.
Na powierzchni skorupy ziemskiej.
wietrzenie skał:
fizyczne,
chemiczne,
organiczne,
mechaniczne;
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 fp, fΠ, fi.
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 [m2/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:
komórkowa (powstaje, gdy woda jest czysta);
kładkowa (powstaje, gdy płytki materiałów ilastych opadają w wodzie zawierającej sole mineralne);
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 fż, fp, fΠ (fk);
spoiste - składają się z frakcji fi, fp, fΠ (fk, fż).
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
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.
Elektroforeza - zjawisko polegające na przemieszczaniu się w cieczach cząstek ilastych w kierunku jednej z elektrod.
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.
Zjawiska kapilarne. W gruntach rozróżniamy dwie postacie kapilarności:
kapilarność czynna Hkc - maksymalna wysokość na którą podniesie się woda w porach gruntu ponad poziom swobodnego zwierciadła wody gruntowej;
kapilarność bierna Hkb - 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 Hkc [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 Hkb ≤ 170 cm jak kryterium wysadzinowości gruntu. Na podstawie Hkb można określić wysadzinowość gruntu:
Hkb < 100 cm - grunt niewysadzinowy;
Hkb = 100 ÷ 130 cm - grunt wątpliwy;
Hkb > 130 cm - grunt wysadzinowy
Badanie kapilarności czynnej.
Bada się ją w celu właściwego zaprojektowania i założenia izolacji przeciwwilgotnościowej.
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.
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 Ion ≤ 2%.
Grunty mineralne - Ion > 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 Ip > 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 PD d < 0,25 jest > 50%.
Piasek pylasty PΠ fΠ = 10÷30% i fp = 8÷90%.
Trójkąt FERETA - nazwy gruntów spoistych.
f' - frakcja po odrzuceniu frakcji żwirowej.
Podział gruntów spoistych
Grunty spoiste morenowe skonsolidowane (przecięte lodowcem, powstaje z moreny dennej).
Inne grunty spoiste skonsolidowane oraz grunty morenowe nieskonsolidowane.
Inne grunty spoiste nieskonsolidowane (np. grunty spływowe).
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:
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: msi - masa ziaren na i-tym sicie;
ms - masa szkieletu wziętego do analizy.
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.
Metoda sitowa + metoda areometryczna.
Kolejność czynności przy analizie areometrycznej:
Wycechować areometr, określić: l, h0, h1, A1, VH, P, ΔR.
Makroskopowo określić nazwę gruntu; zważyć próbkę (mm); określić wilgotność próbki (w). Obliczy z tego masę szkieletu (ms):
Przygotować zawiesinę, czyli pmyć przez sito o średnicy 0,071 lub 0,063 mm. Pozostałość na sicie osuszyć, zważyć ms1, gdy ms1 > 5% ms to wykonujemy analizę sitową tej pozostałości na sicie:
Wymieszać zawiesinę w cylindrze, wykonujemy odczyt RT na skali:
głębokość zanurzenia środka wyporu nurnika aerometru poniżej zwierciadła cieczy w cylindrze:
gdzie: R - jest zmienne R = RT + 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.
średnica zastępcza dT największych cząstek znajdujących się po czasie T na poziomie HR.
średnica zastępcza dT - średnica cząstek kulistych, które opadają w wodzie z taką samą prędkością jak cząstki rzeczywiste.
gdzie: dwz - wzorcowa średnica cząstek (uzależniona od t, T).
procentowa zawartość cząstek ZT o średnicach zastępczych od dT:
gdzie: ρs - gęstość właściwa szkieletu gruntowego [g/cm3];
ms - całkowita masa szkieletu gruntowego wzięta do badania;
ρw - gęstość wody [g/cm3]; w zależności od temperatury przyjmujemy według tablicy 5.
gdy ms1 > 5% (masa próbki po przejściu przez sito - ms1):
Na krzywą uziarnienia nanieść punkty z analizy sitowej ms i punkty z analizy arometrycznej ms2.
Ustalić zawartość procentową frakcji.
Określić nazwę gruntu spoistego na podstawie Fereta (rys. 4, tabela 12, PN 86/B-02480).
Wskaźnik uziarnienia
Wskaźnik różnoziarnistości:
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:
równoziarniste 1 ≤ U ≤ 5 (piaski wydmowe, lessy);
różnoziarniste 5 ≤ U ≤ 15 (gliny holoceńskie);
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 Iom - jest to stosunek masy domieszek organicznych do masy szkieletu gruntowego. Grunty organiczne to grunty o Iom > 2%.
Metody oznaczenia części organicznej:
Metoda utleniania roztworem H2O2 według wzoru:
gdzie: mst - masa zlewki z wysuszoną próbką gruntu;
mu - masa próbki ze zlewką po utlenieniu;
mt - masa pustej zlewki.
Metoda prażenia w temperaturze 600-800°C:
gdzie: Iż - strata masy przy prażeniu;
mu - masa zlewki z próbką po wyprażeniu.
Rodzaje gruntów organicznych
Nazwa gruntu |
Symbol |
Zawartość części organicznych [%] |
Grunty próchnicze |
H |
2<Iom≤5 |
Namuły:
|
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:
Metoda A - polega na bezpośrednim oznaczeniu parametrów geotechnicznych w laboratorium lub na polu.
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 (ID);
dla gruntów spoistych - nazwa gruntu, stopień plastyczności (IL), pochodzenie geologiczne (A, B, C, D).
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: γm - współczynnik materiałowy.
Wilgotność gruntu
Jest to stosunek masy wody mw zawartej w porach gruntu do masy szkieletu gruntowego:
[%],
obliczamy ze wzoru:
[%]
gdzie: mmt - masa parowniczki z gruntem wilgotnym [g],
mst - masa parowniczki z gruntem wysuszonym [g],
mt - masa pustej parowniczki [g].
Wilgotność naturalna - rzeczywista wilgotność gruntu w stanie naturalnym w podłożu.
Gęstość właściwa szkieletu gruntowego
gdzie: ms - masa szkieletu ms = mg - mt;
Vs - objętość szkieletu.
Do badania:
gdzie: mg - masa kolby ze szkieletem gruntowym;
mt - masa pustej kolby;
mwt - masa kolby napełnionej do kreski wodą destylowaną;
mwg - masa kolby ze szkieletem gruntowym i z wodą destylowaną
ρw - gęstość wody.
Mianownik z powyższego wzoru służy do obliczenia objętości szkieletu.
Ciężar właściwy szkieletu:
Dla gruntów mineralnych: ρs = 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 mm 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:
metodą wyporu hydrostatycznego w cieczach organicznych:
;
gdzie: mm - masa próbki wilgotnej;
mmc - masa próbki zanurzonej w cieczy organicznej;
ρc - gęstość właściwa cieczy organicznej w temperaturze badanej.
metodą wyporu hydrostatycznego w wodzie (należy stosować w przypadku gruntów spoistych, których rodzaj próbki uniemożliwia stosowania metody oznaczania w pierścieniu lub w cylindrze):
;
gdzie: mp - masa oparafinaowanej próbki;
mpw - mas oparafinowanej próbki zanurzonej w wodzie;
ρp - gęstość właściwa parafiny w temperaturze badania.
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.
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.
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;
Vd - objętość dołka:
gdzie: M1 - masa pojemnika z piaskiem kalibrowanym na początku ćwiczenia;
M2 - masa pojemnika z piaskiem kalibrowanym po wyjęciu z dołka;
ρpk - 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.
metoda przy użyciu objętościomierza wodnego;
metoda przy użyciu aparatury izotopowej
Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego
gdzie: ms - 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 Vp do objętości szkieletu gruntowego Vs.
Zależność między porowatością (n), a wskaźnikiem porowatości (e)
lub
Stopień wilgotności gruntu
gdzie: Vw - objętość wody w porach gruntowych;
Vp - objętość porów.
Do obliczeń przyjmuje się:
W zależności od stopnia wilgotności gruntu, grunty niespoiste dzieli się na:
grunt suchy Sr = 0;
grunt mało wilgotny 0 ≤ Sr ≤ 0,4;
grunt wilgotny 0,4 ≤ Sr ≤ 0,8
grunt nawodniony 0,8 ≤ Sr ≤ 1,0.
Wilgotność całkowita
Grunt ma wilgotność całkowitą (wr), 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
Stopień zagęszczenia gruntów niespoistych.
Stopniem zagęszczenia Ip 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: emin - wskaźnik porowatości minimalnej przy najściślejszym położeniu ziaren;
emax - wskaźnik porowatości maksymalnej przy najluźniejszym położeniu ziaren;
e -wskaźnik porowatości gruntu w stanie naturalnym;
gdzie: ρs - gęstość właściwa;
ρdmin - minimalna gęstość objętościowa gruntu:
gdzie: mst - masa cylindra z gruntem luźno usypanym;
mt - masa cylindra;
V - objętość cylindra.
gdzie: ΔV - zmniejszona objętość gruntu w cylindrze po wibrowaniu widełkami.
0 ≤ ID ≤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:
stożkowe: lekkie SL, ciężkie SG;
krzyżowe JTB-ZW;
cylindryczne SPT.
Cechy charakterystyczne gruntów spoistych:
granica plastyczności wp;
granica płynności wL lub
;
granica skurczalności ws.
Stopień plastyczności IL służy do określenia stanów gruntów spoistych. Obliczany jest według wzoru:
lub
Wskaźnik plastyczności Ip 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 IL lub
według poniższej tabeli.
Określenie stanu i konsystencji gruntu spoistego na podstawie wartości IL
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 Ip
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 wp - 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 ws - 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 (ws) należy obliczyć, w % według wzoru:
gdzie: pw - gęstość wody w porach gruntu przyjmowana jako równa 1,000 [g/cm3],
ps - gęstość właściwa szkieletu gruntowego [g/cm3,
pd - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego [g/cm3].
Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego obliczamy według wzoru:
gdzie: ms - 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:
Metoda Casagrande'a - jako wartość granicy płynności wl przyjmuje się wilgotność pasty gruntowej, w której wykonana bruzda zlewa się na długości 10mm i wysokości 1mm przy 25 uderzeniach miseczki o podstawę.
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.
Metoda penetrometru stożkowego - wartość graniczna płynności wl 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;
fi' - 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:
nieaktywne A < o,75;
przeciętnie aktywne 0,75 ≤ A ≤ 1,25;
aktywne 1,25 ≤ A ≤ 2;
bardzo aktywne A > 2.
Badanie terenowe stanu gruntów spoistych
Stopień plastyczności badamy za pomocą:
sondy cylindrycznej SPT;
metodą makroskopową na podstawie liczby wałeczkowań (X);
penetrometru tłoczkowego;
ścinarki obrotowej.
Do ostatnich dwóch metod badawczych należy stosować orientacyjne, dodatkowe badania makroskopowe.
1