(Gruntoznawstwo_wykład3 [tryb zgodności]), Publikacje z Mechanika

Pobierz (Gruntoznawstwo_wykład3 [tryb zgodności]) i więcej Publikacje w PDF z Mechanika tylko na Docsity! Na pograniczu fazy stałej i fazy ciekłej zachodzi szereg zjawisk natury fizykochemicznej :
adsorpcja wody błonkowej i jonów,
potencjał elektrokinetyczny,
pojemność wymienna,
spójność itp. Zjawiska te maja istotny wpływ na właściwości i zachowanie się gruntu, decydują o jego strukturze, ściśliwości czy wytrzymałości. Zjawiska te uzależnione są od składu mineralnego ziarn i cząstek budujących grunt, składu chemicznego roztworu wypełniającego przestrzenie w gruncie oraz od wielkości powierzchni właściwej. STREFA AERACJI – strefa zawarta pomiędzy powierzchnią ziemi a swobodnym zwierciadłem wód podziemnych. W strefie aeracji pustki skalne wypełnia powietrze i woda występująca w postaci pary wodnej, wody związanej (higroskopijnej, błonkowatej), wody kapilarnej oraz wody wolnej (zawieszonej i WODA W GRUNCIE wsiąkowej). STREFA SATURACJI – strefa znajdująca się poniżej strefy aeracji i oddzielona od niej zwierciadłem wód podziemnych. W strefie tej wszystkie wolne przestrzenie wypełnione są wodą wolną. W strefie aeracji obserwuje się zmiany wilgotności, mogą one zachodzić w ściśle określonych granicach, dlatego grunty ze strefy aeracji mogą znajdować się w stanie od pełnego nasycenia wodą do stanu skrajnie suchego. W kierunku do powierzchni ziemi stopień nasycenia zmniejsza się. Wyróżniono więc trzy strefy zawilgocenia: - zawilgocenia całkowitego ∼ 100% w bliskim sąsiedztwie zwierciadła wody, - zawilgocenia niezupełnego ∼ 80% wypełnienie wodą kapilarną tworzącą nieprzerwana sieć kanalików, pozostałą część wypełniona powietrze - woda znajduje się w oderwanych, oderwanych układach, nie powiązanych ze sobą w jedną całość – np. woda zawieszona Piątkowski, Czarnota-Bojarski. Mechanika gruntów. 1964 Szkic objaśniający wielkości związane z pojęciem zwierciadła swobodnego a – przekrój przez warstwę o zwierciadle swobodnym: o.o. – otwór obserwacyjny, z.s. – zwierciadło swobodne, s.s. – strefa saturacji, w.w.k. – wstęga wód kapilarnych, z.w.k. – granica zasięgu wstęgi wód kapilarnych (uśredniona), w.k.z. – woda kapilarna zawieszona, h – miąższość warstwy wodonośnej o zwierciadle swobodnym (mniej niż s.s.), z – oś pionowa, 0-0 – poziom odniesienia, spąg warstwy wodonośnej, s.o. – głębokość do strefy pełnego nasycenia b – rozkład stopnia nasycenia (w pionie): KW – stopień (wskaźnik) nasycenia c – rozkład wysokości ciśnienia w wodzie: p/γ – wysokość ciśnienia w strefie saturacji (zawsze dodatnia równa ciśnieniu hydrostatycznemu), – pk/γ – wysokość ciśnienia kapilarnego w wodach kapilarnych i wodach strefy aeracji (zawsze ujemna), Hn – wysokość hydrauliczna w warstwie wodonośnej (w strefie nasyconej poniżej zwierciadła swobodnego), stała dla każdego z w obrębie tej strefy, gdyż: Hn = z+p/γ = consT STREFA TYP WÓD STAN FIZYCZNY RODZAJE WÓD AREACJI Woda higroskopijna Woda błonkowa Woda kapilarna Woda związana PODZIAŁ WÓD PODZIEMNYCH WG PAZDRO, 1977 Wody porowe Wody szczelinowe Wody szczelinowo- krasowe Wody krasowe Woda wsiąkowa Woda zawieszona Woda wolna SATURACJI Wody przypowierzchniowe Wody swobodne Wody gruntowe Wody wgłebne Wody naporowe Wody głębinowe woda wsiąkowa Pazdro. Hydrogeologia ogólna. 1983 WODA ADSORBOWANA (HIGROSKOPIJNA) tworzy powłokę na powierzchni cząstki gruntu na skutek przyciągania molekuł wodnych wraz z kationami przez aniony na powierzchni cząstki mineralnej. Powłoka ta to warstwa kationów trwale związanych z powierzchnią cząstki. Siła wiążąca wodę adsorbowaną na powierzchni cząstki osiąga 2500 MPa, co nadaje wodzie cech ciała stałego o gęstości ρ ≈ 2,0 g/cm3. Zamarza przy temperaturze -78°C. W zasadzie nie rozpuszcza minerałów, nie może przechodzić z jednej cząstki na drugą Aby usunąć ja z gruntu, trzeba grunt wysuszyć w temperaturze 105-1100C przez kilka godzin Szymański Alojzy. Mechanika gruntów, Wyd. SGGW, 2007 Rozkład sił jednostkowych przyciągających wodę związana: 1 – cząstka stała, 2 – woda adsorpcyjna (higroskopijna), 3 – woda błonkowata, 4 – woda wolna, 5 – wykres sił przyciągania molekularnego (Wiłun, 1987) Siły wiążące poszczególne molekuły wody maleją w miarę oddalania się od powierzchni cząstki gruntu. W polu ich działania poza podwarstwą wody higroskopijnej tworzy się druga podwarstwa, nosząca nazwę WODY BŁONKOWATEJ, związana już znacznie słabiej z powierzchnią cząstki. Woda błonkowata przesuwa się z jednej cząstki na drugą niezależnie od siły ciężkości do chwili wyrównania grubości wodnej na obu cząstkach. Zamarza w temperaturze –1,5°C i nie przekazuje ciśnienia hydrostatycznego. Ma niewielką ograniczona zdolność do rozpuszczania minerałów i wykazuje ograniczoną ruchliwość w obrębie warstewki. Max grubość otoczki utworzonej przez wb nie przekracza 0,5 mm. KAPILARNOŚĆ jest wynikiem działania dwu zjawisk:
przyczepności (adhezji) wody do ścianek rurki
napięcia powierzchniowego wody KAPILARNOŚĆ CZYNNA – proces włoskowatego podciągania się wody w skałach i gruntach – podciąganie kapilarne KAPILARNOŚĆ BIERNA – proces gdzie woda kapilarna utrzymująca się po obniżeniu zwierciadła wody – przy zachowaniu jej maksymalnej wysokości WODA CHEMICZNIE ZWIĄZANA WODA KRYSTALIZACYJNA WODA KONSTYTUCYJNA Wchodzi w skład minerałów np. gips CaSO4 • 2H2O Zachowuje swoją postać cząsteczkową, a Wchodzi w skład hydratów typu jej wydzielenie powoduje zmiane właściwości (Po 32 godz. ogrzewania gipsu w temp. 820C następuje przejście w anhydryt). Może być wydzielona z minerałów, przy niższych temperaturach niż 200ºC, co wpływa znacznie na zmianę wielu ich właściwości chemicznych i fizycznych. wodorotlenków Ca(OH)2 Wydziela się w wysokich temperaturach > 2000C . Jej molekuły w wyniku reakcji chemicznej rozpadają się na jony H+ i OH¯. W porównaniu z wodą krystalizacyjną jest trwalej związana z innymi molekułami siatki krystalicznej. GŁĘBOKOŚĆ PRZEMARZANIA GRUNTÓW wg PN-B-03020:1981 Po dłuższym trwaniu ujemnej temperatury powietrza granica przemarzania przesuwa się w dół. Ponad granicą przemarzania gruntu od powierzchni terenu tworzą się soczewki lodowe, które powiększają się wskutek podciągania wody od dołu. Nowe soczewki lodowe w sposób naturalny zwiększają wilgotność zamarzniętego gruntu. Bezpośrednio poniżej granicy przemarzania obserwuje się zmniejszenie wilgotności gruntu w porównaniu z wilgotnością gruntu przed przemarzaniem Szymański. Mechanika gruntów, Wyd. SGGW, 2007 Pazdro. Hydrogeologia ogólna. 1983 Należy to tłumaczyć tym, że soczewki lodowe przyciągają molekuły wodne od dołu ze swojego najbliższego otoczenia. Przyciąganie molekuł wodnych przez kryształy lodu następuje wskutek istnienia na ich powierzchni sił adsorpcji. Molekuły wody, przyciągnięte do powierzchni soczewki lodowej, uzupełniają siatkę krystaliczną lodu, po czym same przyciągają nowe molekuły wody z porów gruntu, co powoduje wzrost soczewek lodowych, a więc i wzrost objętości gruntu. Ten wzrost objętości uzewnętrznia się powstawaniem tzw. wysadzin, gdzie występują grunty szczególnie wrażliwe na przemarzanie (Wiłun 1982). W wyniku tego zamarzania lód może wywołać ciśnienie ok. 50 ÷ 200 kPa przy temperaturze T = - 22 ºC. Badania i obserwacje wykazują, że wysadziny mogą występować tylko wtedy, gdy (Wiłun 1982):
mróz działa wystarczająco długo - ujemna temperatura powietrza,
grunt podłoża jest wysadzinowy,
zwierciadło wody gruntowej zalega dość płytko, grunt podłoża jest bardzo wilgotny. Szymański. Mechanika gruntów, Wyd. SGGW, 2007 W byłym Związku Radzieckim wyznaczono głębokość przemarzania glin i iłów wg wzoru empirycznego (Wiłun, 1983) hz = 23 √ wm + 2 gdzie: hz – głębokość przemarzania [cm], wm – suma ujemnych średnich temperatur miesięcznych wg wieloletnich obserwacji (wm od wzoru przyjmuje się ze znakiem plus), ºC. Wzór powyższy stosuje się również dla piasków i gruntów mało spoistych, dla których hz należy zwiększyć o 22%, a dla żwirów o 30%. Spośród wielu kryteriów najbardziej znane są (Pisarczyk, 1999): 1. Kryterium Casagrandego opracowane w 1934 r., według którego zalicza się do wysadzinowych grunty bardzo różnoziarniste (U > 15), które zawierają więcej niż 3 % cząstek mniejszych od 0,02 mm oraz grunty równoziarniste (U < 5) zawierające ponad 10 % cząstek mniejszych od 0,02 mm , 2. Kryterium Beskowa (1935) wg 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 równej granicy płynności, 3. Kryterium Wiłuna (1958) wg którego uwzględnia się uziarnienie gruntu i kapilarność bierną gruntu Hkb: Grupa A - grunty niewysadzinowe
Hkb< 1,0 m,
bezpieczne w każdych warunkach wodno-gruntowych i klimatycznych;
zawartość cząstek o średnicy mniejszej niż 0,05 mm wynosi poniżej 20%,
mniej niż 3% zawartość cząstek o średnicy poniżej 0,02 mm
Czyste żwiry, pospółki i piaski (grube). Grupa B - grunty mało wysadzinowe
Hkb< 1,3 m,
grunty zawierające 20÷30% cząstek mniejszych od 0,05 mm oraz 3÷10% cząstek mniejszych od 0,02 mm.
Piaski (bardzo drobne), piaski pylaste i próchniczne. Grupa C - grunty wysadzinowe
Hkb> 1,3 m,
grunty zawierające powyżej 30% cząstek mniejszych niż 0,05 mm i więcej niż 10% cząstek mniejszych od 0,02 mm.
Wszystkie grunty spoiste i namuły organiczne Źródło: Wiłun, Zarys geotechniki
Posadowienie fundamentów budowli poniżej granicy przemarzania,
Wymiana gruntu wysadzinowego i zastosowanie poduszki z dobrze ubitego czystego żwiru lub piasku (na niewysadzinowy) - do granicy przemarzania
Stosowanie izolacji termicznych pod komorami w chłodniach, ZABEPIECZENIE BUDWLI I INNYCH OBIEKTÓW INŻYNIERSKICH POSADAWIANYCH NA GRUNTACH WYSADZINOWYCH: zaleca się pod podłogą pozostawić wolną przestrzeń
Podgrzewanie gruntu pod komorami chłodni wodą obiegową lub prądem elektrycznym
Stosowanie zasypki za murami oporowymi, przyczółkami mostów i jazów z dobrze przepuszczalnych gruntów niewysadzinowych
W przypadku płytko posadowionych fundamentów w okresach mrozów należy stosować „ocieplanie” gruntu przy pomocy mat (np. słomianych) lub obsypywać gruntem Źródło: Wiłun, Zarys geotechniki Grunty spoiste poddawane są szeregu zmianom deformacyjnym zachodzącym w efekcie współdziałania fazy stałej i ciekłej w gruncie. Wyróżnić tu można następujące zjawiska tj.: SKURCZ PĘCZNIENIE OSIADANIE ZAPADOWE EKSPANSYWNOŚĆ I INNE Do najważniejszych czynników wpływających na intensywność tych zjawisk zaliczyć można: - rodzaj gruntu i jego skład granulometryczny, - procentowa zawartość frakcji iłowej, - skład mineralny frakcji iłowej, - procentowy udział minerałów ilastych, których intensywność pęcznienia określa szereg: smektyt > smektyt/illit > illit > kaolinit, - chemizm wód nasycających, - procentowa zawartość substancji organicznej oraz węglanów, - procentowa zawartość anhydrytu, pirytu, Źródło: Grabowska-Olszewska, Geologia stosowana - skład kationów wymiennych, które determinują hydrofilność gruntu, malejącą zgodnie z szeregiem: Na+ > Ca2+ > Mg2+ > Al3+ > Fe3+ - stopień nasycenia, wilgotność, - rodzaj próbki – NNS, NS, - gęstość objętościowa, gęstość objętościowa szkieletu gruntowego - wpływ roślinności, - metoda badań, i inne. WSKAŹNIKI, METODY BADAŃ PĘCZNIENIA I CIŚNIENIA PĘCZNIENIA - Badanie pęcznienia wg Holtza i Gibssa – tzw. ciśnienie swobodne FSHG [%]. Badanie bardzo proste i dostatecznie dokładne do szybkiej charakterystyki zdolności gruntu do pęcznienia. Jest ono definiowane jako procentowy przyrost objętości sproszkowanej próbki luźno nasypanej do cylindra z wodą. - Pęcznienie jednoosiowe Smax [%]. - Badanie pęcznienia w aparacie Wasiliewa - Badanie w edometrze ciśnienia pęcznienia. - Badanie w aparacie firmy Geonor ciśnienia pęcznienia. SKURCZ – zjawisko polegające na zmniejszeniu się objętości gruntu na skutek ubytku wody. Zjawisko to przebiega do momentu osiągnięcia przez grunt wilgotności równej granicy skurczalności (ws) – woda wypełnia wszystkie wolne przestrzenie między ziarnami. Przy dalszym ubytku wody nie obserwuje się już zmiany objętości a jedynie zmianę zabarwienia gruntu na jaśniejszą ze względu na wejście powietrza w pory gruntu. Skurcz liniowy (Ls) - . Wskaźnik skurczalności (SI, %) – różnica pomiędzy granicą płynności a granicą skurczalności. SI = wL - ws. OSIADANIE ZAPADOWE Wskaźnik osiadania zapadowego (imp) – jest oznaczany w warunkach jednoosiowego odkształcania. Wyznaczamy go ze wzoru: i = , ( - ) h’ - h’’ Jest to zdolność gruntu znajdującego się pod określonym obciążeniem, do szybkiej zmiany objętości pod wpływem nasycenia wodą. mp h0 h’ – wysokość próbki nienaruszonej po stabilizacji odkształceń przy naprężeniu całkowitym σzt, odpowiadającym ciężarowi gruntu i budowli przed nasyceniem wodą, h’’ – wysokość próbki nienaruszonej po stabilizacji odkształceń przy naprężeniu całkowitym σzt, odpowiadającym ciężarowi gruntu i budowli po całkowitym nasyceniu wodą, h0 – wysokość próbki nienaruszonej po stabilizacji odkształceń przy naprężeniu pierwotnym σzg, odpowiadającym ciężarowi gruntu na rozpatrywanej głębokości. wysokość próbki, iran] a zg a 15 14 0 OSIADANIE ZAPADOWE 100 200 3060 Tę Dy obciążenie , a(kP'a)