Mechanika gruntu

1. Wstęp

Projektowanie i wykonywanie każdej budowli współpracującej z ośrodkiem gruntowym wiąże się z rozwiązywaniem następujących zadań geotechnicznych:

¨      ustalenie warunków wodno-gruntowych,

¨      wyznaczenie dopuszczalnych naprężeń,

¨      wymiarowanie posadowień budowli,

¨      zapewnienie stateczności budowli,

¨      zapewnienie prawidłowego przebiegu robót.

Do ich rozwiązania wykorzystuje się metody obliczeniowe opracowane na podstawie teorii wywodzących się z mechaniki ogólnej i mechaniki ośrodków sypkich, wytrzymałości oraz teorii sprężystości i plastyczności.

Dziedzinę nauki, która zajmuje się aplikacją i adaptacją tych teorii do warunków gruntów nazywa się mechaniką gruntu. Korzysta się przy tym też z innych nauk: geologii, hydrogeologii, mineralogii, petrografii czy fizykochemii.

Ważną część mechaniki gruntu stanowi wiedza dotycząca właściwości ośrodka gruntowego oraz wpływ obciążeń i innych czynników zewnętrznych na zmianę jego właściwości.

Zasadniczą treść przedmiotu „mechanika gruntu” stanowić będą wybrane dotyczące w szczególności oceny wybranych fizyczno-mechanicznych właściwości gruntów i ich wykorzystania do rozwiązania zadań, które w swojej pracy może realizować inżynier rekultywacji gruntów. Do zadań takich należą przykładowo: wyznaczanie rozkładu naprężeń w gruncie, określenie nośności podłoża obciążanego budowlami, sprawdzenie stateczności zboczy i ścian oporowych, zasady wykonywania nasypów i dróg, wpływ mrozu na grunty.

2. Własności fizyczne gruntów

Własności fizyczne gruntów zależą od:

¨      wzajemnego układu wszystkich  trzech faz –stałej, ciekłej i gazowej

¨      oraz od właściwości tworzywa fazy  stałej , które stanowią cząstki mineralne, mineralno-organiczne i organiczne.

2.1. Skład granulometryczny

Elementy szkieletu gruntowego: ziarna (d>0,05 mm), cząstki (d<0,05 mm)

Skład granulometryczny (uziarnienie gruntu) - procentowa zawartość grup elementów fazy stałej, podzielonych według wielkości tzw. średnic zastępczych.

Frakcja - zbiór elementów o określonych średnicach, mieszczących się w przedziale wyznaczonym przez największą i najmniejszą średnicę zastępczą określonej frakcji, np. d = 1,0-0,1 mm.

Uziarnienie gruntu charakteryzuje się za pomocą pięciu zasadniczych frakcji  przedstawionych w tab.1.

Tabela 1. Frakcje uziarnienia gruntów [Wolski W., 1996. Przewodnik do ćwiczeń z podstaw geotechniki – mechanika gruntów. Część I. Ćwiczenia projektowe. Praca zbiorowa pod red. Naukową prof.  W. Wolskiego. SGGW W-wa]

Podstawą określania rodzaju gruntu o małej zawartości ziaren większych od 2 mm jest podział oparty na trzech najdrobniejszych frakcjach: piasku, pyłu i iłu (rys. 2). W przypadkach gruntów zawierających ziarna większe niż 2 mm (£10%) w celu skorzystania z trójkąta Fereta należy obliczyć frakcje zredukowane wg wzoru [Pisarczyk S.,1999. Mechanika gruntów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej]

,

(fk+fż) – zawartość frakcji ponad 2 mm, %,

fx – zawartość danej frakcji (piasku, pyłu i iłu), %.

Klasyfikację gruntów żwirowych oraz piasków przedstawiono w tab. 2.

Tabela 2. Klasyfikacja żwirów i piasków [PN-88 B-04481. Grunty budowlane. Badania próbek gruntu]

Przykład. Określić rodzaj gruntu dla następującego składu granulometrycznego:

frakcja piaskowa    %; frakcja pyłowa    %; frakcja iłowa     %.

2.2. Wskaźniki uziarnienia

Wyniki badań granulometrycznych można zestawić tabelarycznie lub przedstawić graficznie w formie krzywej uziarnienia (rys. 3), która służy do określania wskaźników oceny stanu uziarnienia gleby.

Wyróżnia się dwa wskaźniki uziarnienia: różnoziarnistości uziarnienia i krzywizny

Wskaźnik różnoziarnistości uziarnienia

Charakteryzuje grunt pod kątem jego przydatności jako złoże filtracyjne i możliwości jego zagęszczania. Oblicza się go ze wzoru

gdzie

d10 - wymiar czynny, zwany miarodajną średnicą ziaren piasku (wymiar oczek sita, przez które podczas przesiewania przechodzi 10% wagowych piasku, a 90% zostaje na sicie),

d60 - średnica przeciętna ziarna, odpowiadająca średnicy oczek, przez które przechodzi 60% wagowych badanego piasku, a 40% pozostaje na sicie,

Grunt jest równomiernie uziarniony jeśli U £ 5

Wskaźnik krzywizny

Charakteryzuje grunt pod kątem jego przydatności do budowy nasypów. Oblicza się go ze wzoru

gdzie d10, d30 i d60 – średnice ziarn (cząstek0, których zawartość wraz z mniejszymi od nich wynosi odpowiednio 10, 30 i 60%.

Grunt jest dobrze uziarniony i daje się łatwo zagęszczać jeśli C = 1 –3 oraz U > 6 ( dla piasków) lub U >4 (dla gruntów żwirowych).

Wskaźniki uziarnienia dla gruntów mieszanych

Do wyznaczenia wskaźników uziarnienia U i C gruntów mieszanych konieczne jest obliczenie procentowej zawartości frakcji większych niż d i sporządzenie wykresu uziarnienia dla mieszanki.

W tym celu odczytuje się procentowe zawartości poszczególnych frakcji większych niż d, dla obu mieszanych ze sobą gruntów, które następnie mnoży się przez względny udział w nowo tworzonym gruncie i sumuje (rys.4 i tab.3).

2.3. Podstawowe cechy fizyczne gruntów

Do podstawowych fizycznych cech gruntu zalicza się: wilgotność, gęstość objętościową (ciężar objętościowy), gęstość właściwą (ciężar właściwy). Cechy te wyznacza na podstawie badań laboratoryjnych.

2.3.1. Wilgotność

Wilgotność gruntu określa procentowy stosunek masy wody mw zawartej w jego porach do masy szkieletu gruntowego ms

   [%]

Postacie wody gruntowej: kapilarna, błonkowa, woda chemicznie związana, woda wolna, para wodna.

Wilgotność oznacza się metodą suszenia w temperaturze 105 – 110 °C.

Wilgotność, jaką ma grunt w stanie naturalnym określa się jako wilgotność naturalną wn.

2.3.2. Gęstość właściwa i ciężar właściwy

Gęstość właściwą szkieletu gruntowego określa stosunek masy szkieletu gruntu do jego objętości

     [Mg m-3].

Gęstość właściwą oznacza się za pomocą piknometru [PN-88 B-04481. Grunty budowlane. Badania próbek gruntu]. Dla gruntów mineralnych rs = 2,65 – 2,78 [Mg m-3].

Ciężar właściwy wyznacza się z wzoru

   [kN m-3],

gdzie g oznacza przyspieszenie ziemskie [m×s-2].

...