Właściwości fizyczne gruntu. Właściwosci mechaniczne gruntu, Prezentacje z Soil Mechanics and Foundations

Pobierz Właściwości fizyczne gruntu. Właściwosci mechaniczne gruntu i więcej Prezentacje w PDF z Soil Mechanics and Foundations tylko na Docsity! Mechanika Gruntów Część Pierwsza Właściwości Fizyczne Gruntu Część Druga Właściwości Mechaniczne Gruntu Program Przedmiotu Część Pierwsza 1. Miejsce i Zadania Mechaniki Gruntów w Inżynierii 2. Podstawowe Zjawiska Fizyczne w Gruncie 2.1 Powstawanie gruntu w złożu 2.2 Trójfazowa budowa gruntu, rodzaje cząstek i minerałów 2.3 Fizykochemiczne oddziaływanie cząstek gruntowych i wody 7. Zjawiska Związane z Ruchem Wody w Gruncie 7.1 Ciśnienie spływowe 7.2 Spadek krytyczny 7.3 Zmiany w gruncie wywołane filtracją 7.4 Zasady zabezpieczania gruntów przed szkodliwym działanie filtracji Program Przedmiotu Część Druga 8. Naprężenie w Gruncie 8.1 Stan naprężenia w gruncie 8.2 Naprężenie geostatyczne 8.3 Naprężenie powstałe wskutek działania obciążeń zewnętrznych 8.4 Graficzna interpretacja naprężenia 9. Odkształcalność Gruntu 9.1 Opis stanu odkształcenia 9.2 Ściśliwość gruntu 9.3 Konsolidacja gruntu 9.4 Osiadanie gruntu 10. Wytrzymałość Gruntu na Ścinanie 10.1 Warunek zniszczenia Coulomba – Mohra 10.2 Badania wytrzymałości gruntu na ścinanie 10.3 Parametry wytrzymałościowe gruntu Zaliczenie Przedmiotu Semestr 3 (zaliczenie ćwiczeń) Wykonanie i zaliczenie ćwiczenia Nr 1 obowiązuje znajomość tematyki wykładów: rozdziały 1, 2, 3, 4 Materiały dydaktyczne Wykonanie i zaliczenie ćwiczenia Nr 2 obowiązuje znajomość tematyki wykładów: rozdziały 5, 6, 7 Materiały dydaktyczne Semestr 4 (zaliczenie ćwiczeń) Wykonanie i zaliczenie ćwiczenia Nr 3 obowiązuje znajomość tematyki wykładów: rozdziały 8, 9, Materiały dydaktyczne Wykonanie i zaliczenie ćwiczenia Nr 4 obowiązuje znajomość tematyki wykładów: rozdziały 10, 11 Materiały dydaktyczne Egzamin Końcowy z Przedmiotu Warunkiem dopuszczenia do egzaminu jest zaliczenie ćwiczeń semestru 3 i 4. Mechanika Gruntów obejmuje teoretyczne podstawy zjawisk, które występują w gruncie stanowiącym podłoże budowli, ośrodek w którym wykonywane są roboty inżynierskie oraz materiał, z którego wznoszone są budowle ziemne. Mechanika gruntów stanowi więc teoretyczną część geotechniki, dziedziny działalności inżynierskiej obejmującej roboty ziemne, fundamentowanie, budowle i konstrukcje ziemne oraz wzmacnianie i uszczelnianie podłoża. PROJEKTOWANIE I WYKONAWSTWO BUDOWLI ZIEMNYCH DOBÓR MATERIAŁU DO BUDOWY ZAPÓR ZIEMNYCH, WAŁÓW, GROBLI, DRÓG, itp WYBÓR METOD OBLICZANIA STATECZNOŚCI ODKSZTAŁCEŃ BADANIA I DOBÓR PARAMETRÓW DO OBLICZEŃ KONTROLA STANU TECHNICZNEGO BUDOWLI POSADOWIENIE BUDOWLI NA GRUNTACH ROZPOZNANIE WŁAŚCIWOŚCI PODŁOŻA WYBÓR METODY POSADOWIENIA WZMACNIANIE PODŁOŻA DOBÓR METOD OBLICZENIOWYCH W PROJEKTOWANIU POSADOWIENIE BUDOWLI NA GRUNTACH Posadowienie bezpośrednie Konstrukcje podziemne Ściany oporowe Ścianki szczelne Obudowa wykopów Posadowienie bezpośrednie Ściany oporowe SKŁADOWISKA ODPADÓW Roślinność warstwa $ A uszczelnienie humusu za Ć górne g woda gruntowa] L gru przepuszczalny naturalna bariera bariera pionowa bariera pionowa pozioma studnie kontrolno-pomiarowe filtr z geowłókniny dren z geokompozytu geowłóknina do odprowadzania gazów filtr z geawłókniny * YĆ 2 filtr z geowłókniny NZS GECEĘ i RL goositka geomembrana 2. Podstawowe Zjawiska Fizyczne w Gruncie Powstawanie Gruntu w Złożu Trójfazowa Budowa Gruntu, Rodzaje Cząstek i Minerałów Fizykochemiczne Oddziaływanie Cząstek Gruntowych Geneza Gruntu Grunty tworzą wierzchnią warstwę litosfery, są to materiały powstałe z wietrzenia fizycznego, chemicznego i organicznego oraz rozdrobnienia mechanicznego skał pierwotnych. Wietrzenie fizyczne wywołane jest głownie wahaniami temperatury, zamarzaniem wody w porach a także działaniem rozsadzającym korzeni roślin. W wyniku działania tych czynników skały ulegają osłabieniu i rozpadowi na bloki a następnie na coraz drobniejsze okruchy. Wietrzenie chemiczne powoduje rozpad skał oraz zmiany w ich składzie chemicznym wskutek procesów chemicznych zachodzących wewnątrz skał. Głównymi czynnikami wywołującymi wietrzenie chemiczne jest woda oraz powietrze. Wietrzenie organiczne jest wywołane przez procesy życiowe zwierząt i roślin. Procesy erozyjne i transport materiału powodują rozdrobnienie okruchów występujących w skorupie ziemskiej oraz zmiany w podłożu macierzystym. PODZIAŁ GRUNTÓW (W ZALEŻNOŚĆI OD SPOSOBU ICH POWSTAWANIA) GRUNTY NANIESIONE GLINY ZWIETRZELINOWE RUMOSZE ZWIETRZELINOWE RZECZNE MORSKIE LODOWCOWE EOLICZNE ZASTOISKOWE ORGANICZNE GRUNTY POCHODZENIA MIEJSCOWEGO Powstawanie Obecnego Stanu Naprężeń Stan naprężenia w dowolnym punkcie gruntu opisuje się za pomocą składowych naprężenia działających na ściany elementarnego elementu gruntu o kierunkach prostopadłych do osi układu prostokątnego x, y, z x y z Rozkład składowych naprężenia Stan naprężenia jest określony przez trzy pary składowych naprężenia normalnego σx, σy, σz oraz sześć par składowych naprężenia stycznego τxz = τzx, τxy = τyx i τzy = τyz. Zapisując stan naprężenia w postaci macierzy uzyskuje się tzw. tensor naprężenia w danym punkcie w postaci:           = zzyzx yxyyz xzxyx xyz σττ τστ ττσ σ CZYNNIKI: BUDOWA GRUNTU I SKŁAD MINEROLOGICZNY ŚRODOWISKOWE (CHEMIZM WÓD, TRANSPORT) PROCES DIAGENEZY: CEMENTACJA KONSOLIDACJA itp GRUNTY NANIESIONE GRUNTY ANTROPOGENICZNE GRUNTY OSADOWE STAN POCZĄTKOWY STAN AKTUALNY Rodzaje Cząstek i Minerałów Skład mineralny gruntów zależy od minerałów budujących ziarna i cząstki, z których składają się poszczególne grunty rozdrobnione: bloki, głazy skalne i ziarna żwirowe, mają ten sam skład mineralny co skały macierzyste. piaskowe składają się z kwarcu i krzemionki, są dość odporne na wietrzenie chemiczne. Świeżo powstałe piaski mogą zawierać ziarna skaleni, podatne na wietrzenie chemiczne. Znane są piaski mikowe, gipsowe i wapienne. cząstki pyłowe (mączka skalna) powstają wskutek tarcia i zaokrąglenia krawędzi okruchów skalnych w czasie ich przenoszenia przez wodę i wiatr. Świeżo odłożone pyły zawierają znaczną ilość cząstek skaleniowych lub mikowych, które szybko ulegają procesowi wietrzenia chemicznego i są albo wymywane lub pozostają jako cząstki iłowe tworząc pyły ilaste (gliny pylaste). cząstki iłowe składają się przeważnie z minerałów iłowych, powstałych jak produkt chemicznego wietrzenia skaleni lub mik. Struktura Gruntu Struktura gruntu jest to wzajemny układ ziaren i cząstek gruntowych, tworzących szkielet gruntowy. Zależy ona od jakości i wymiarów cząstek oraz od warunków powstawania gruntu. Rozróżnia się trzy typowe struktury gruntów: a) b) c) Ziarnistą Komórkową Kłaczkową Struktura ziarnista jest charakterystyczna dla piasków i żwirów o ziarnach wykazujących znikome wzajemne przyciąganie Struktura komórkowa jest charakterystyczna dla gruntów ilastych, odłożonych w wodzie bez uprzedniego skoagulowania się opadających cząstek. Struktura kłaczkowa powstaje z cząstek prawie wyłącznie iłowych, opadających w wodzie z rozpuszczonymi solami. Fizykochemiczne Oddziaływanie Cząstek Gruntowych Miejscem występowania zjawisk natury fizykochemicznej jest powierzchnia graniczna będąca powierzchnią kontaktu pomiędzy fazą stałą (cząstkami) i fazą ciekłą (wodą lub roztworem różnych związków chemicznych) Wielkość powierzchni granicznej w przeliczeniu na jednostkę objętości danego gruntu nazywa się powierzchnią właściwą. Im drobniejsze są cząstki danego ośrodka, tym większa jest jego powierzchnia właściwa i tym większa jest jego aktywność fizykochemiczna. Zjawiska fizykochemiczne mają wpływ na: jakość i pracę gruntu, strukturę gruntu, ściśliwości i wytrzymałości. Intensywność zjawisk zależy od: składu mineralnego ich ziaren i cząstek, składu chemicznego roztworu wodnego znajdującego się w porach gruntu, wielkości powierzchni granicznej. POJEMNOŚĆ WYMIENNA JONÓW jest to całkowita liczba jonów w gruncie, mogących brać udział w wymianie. Grunty o dużej powierzchni właściwej mają zdolność wiązania jonów ciał rozpuszczonych w wodzie przy jednoczesnym oddawaniu do roztworu równoważnej liczby jonów. Wymiana jonów zachodzi w warstwach wody związanej, a także w sieci krystalicznej cząstek. Mechanizm wymiany jonów (kationów) zależy od charakteru sieci krystalicznej minerałów. POTENCJAŁ ELEKTROKINETYCZNY ζ jest to różnica potencjału w warstwie dyfuzyjnej. Różnica potencjału pomiędzy powierzchnią cząstki a zewnętrzną granicą warstwy dyfuzyjnej nazywa się potencjałem termodynamicznym ε, Wartość i znak potencjału ζ zależy od: składu mineralnego cząstek gruntowych, wilgotności gruntu, jakości i ilości jonów znajdujących się w roztworze wodnym, pH roztworu wodnego, zawiesiny, temperatury gruntu. ZJAWISKA ELEKTROKINETYCZNE Przepływ elektroosmotyczny jest to przemieszczenie pewnej części warstwy dyfuzyjnej kationów, stycznie do warstwy utwierdzonej, pod wpływem stałego prądu elektrycznego. Nastąpi więc przepływ wody w kierunku elektrody o przeciwnym znaku. Elektroforezą lub elektrokataforezą nazywamy zjawisko wędrówki cząstek stałych, mających potencjał elektrokinetyczny, do elektrody odmiennego znaku. Uziarnienie i Charakterystyki Uziarnienia Ziarna i cząstki gruntu dzielone są wg wielkości na grupy zwane frakcjami. Wyróżniamy pięć następujących frakcji: • kamienista o ziarnach d > 25 mm • żwirowa o ziarnach d = 25 – 2 mm • piaskowa o ziarnach d = 2 – 0,05 mm • pyłowa o cząstkach d = 0,05 – 0,002 mm • iłowa o cząstkach d < 0,002 mm Uziarnienie gruntu (skład granulometryczny) określa się procentową zawartością poszczególnych frakcji w stosunku do ciężaru całej próbki badanego gruntu. Określenie ilościowego podziału poszczególnych frakcji (ziaren, cząstek) w badanej próbce wykonuje się dwoma rodzajami metod: metody bezpośrednie - oparte na pomiarze rzeczywistych wymiarów cząstek gruntowych, do których należą: • analiza sitowa, • badania mikroskopowe (których celem jest określenie kształtu cząstek gruntu, a nie składu granulometrycznego gruntu). metody pośrednie - w których wielkość cząstek gruntu zastępuje się średnicami teoretycznych kulek. W grupie tych metod rozróżniane są metody oparte są na procesie sedymentacji oraz metody rozdziału frakcji w strumieniu cieczy lub gazu. Metoda pośrednią jest analiza aerometryczna. Wykres uziarnienia (krzywe uziarnienia) sporządza się po wykonaniu analizy granulometrycznej (metodą sitową lub sitowo-aerometryczną) i obliczeniu procentowych zawartości masy ziaren i cząstek. F r a k c j e iłowa pyłowa piaskowa żwirowa kam. średnica zastępcza ziarna (cząstki) – d, mm 0,001 0,01 0,1 1 10 100 za w ar to ść z ia rn (c zą st ek ) o ś re dn ic y m ni ej sz ej n iż d 100% 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 40 50 100% 90 80 70 60 30 20 10 0 7 6 5 4 3 2 1 fk fż fp fπ fi x dx Parametry Opisujące Własności Fizyczne Cechy fizyczne gruntu można podzielić na podstawowe i od nich pochodne. Do podstawowych cech fizycznych gruntów zalicza się: wilgotność w gęstość właściwą ρs gęstość objętościową ρ cechy te oznaczane są na podstawie badań laboratoryjnych stopień zagęszczania ID i wskaźnik zagęszczania Is Do pochodnych cech fizycznych gruntu zalicza się: gęstość objętościową szkieletu gruntowego ρd porowatość n i wskaźnik porowatości e wilgotność całkowitą wr i stopień wilgotności Sr wskaźnik plastyczności IP stopień plastyczności IL Wolna woda Pęcherzyki powietrza Woda błonkowa Powietrze Woda Cząstki stałe Mw Ms Va Vw Vs V wsm mmm += psaws VVVVVV +=++= Składniki gruntu gdzie: V - objętość gruntu Vs- objętość szkieletu gruntowego Vw- objętość wody Va- objętość powietrza Vp = Vw + Va - objętość porów mm- masa gruntu wilgotnego ms - masa szkieletu cząstek gruntowych mw- masa wody Podstawowe Cechy Fizyczne Gruntu Wilgotnością gruntu w nazywamy procentowy stosunek masy wody mw zawartej w jego porach do masy szkieletu gruntowego ms: %100⋅= s w m mw gdzie: mw - masa wody ms - masa cząstek gruntu (szkieletu gruntowego) Wilgotnością naturalna wn nazywamy wilgotność, jaką ma grunt w stanie naturalnym. Porowatością gruntu n nazywamy stosunek objętości porów Vp w danej próbce gruntu do objętości całego gruntu V (szkielet gruntu + pory). V V n p= Wobec trudności bezpośredniego pomiaru objętości porów Vp i objętości szkieletu Vs wykorzystuje się metodę pośrednią, opartą na zależnościach wynikających z rysunku: V = V P + V S VP-objętość porów VS-objętość szkieletu V=1,0 1,0 1,0 Wykorzystując następujące wzory: ps VVV += s s s V m =ρ oraz V ms d =ρ otrzymujemy: s ds s d m sp VV VV V V n s s ρ ρρ ρ ρρ −=−=−=−== 11 Wskaźnikiem porowatości gruntu e nazywamy stosunek objętości porów Vp do objętości cząstek gruntu (szkieletu gruntowego) Vs. d ds V V V V p p s p n n VV V V V e p p ρ ρρ − = − = − = − == 11 Pomiędzy wskaźnikiem porowatości e a porowatością n istnieją zależności: e en + = 1 Zależnie od wartości stopnia wilgotności gruntu Sr rozróżniono następujące stany zawilgocenia gruntów niespoistych: suchy Sr = 0 mało wilgotny 0 < Sr ≤ 0,4 wilgotny 0,4 < Sr ≤ 0,8 nawodniony 0,8 < Sr ≤ 1,0 Maksymalna wartość stopnia wilgotności Sr = 1 (pory są całkowicie wypełnione wodą). Parametry Zagęszczania Gruntów Wilgotność optymalna wopt to taka, przy której uzyskuje się największe zagęszczenie w przypadku gruntów spoistych i niektórych gruntów niespoistych. Zależność Proctora: gęstość objętościowa szkieletu gruntowego ρd zależy od wilgotności (przy stałej energii zagęszczania). Maksymalne zagęszczenie jest tym większe, im większa jest energia zagęszczania. Wartości wopt i ρds zależą od rodzaju gruntu. 2700 2300 1900 1500 1100 0 5 10 15 20 25 30 Wilgotność [%] 2 1 ρd max G ęs to ść o b j ę t oś c i ow a s z k i e l e t u ρ d [k g / m 3 ] Wpływ wilgotności na zagęszczenie gruntu: 1 – krzywa zagęszczenia, 2 – krzywa całkowitego nasycenia (teoretycznie maksymalne zagęszczenie). Stopień zagęszczania ID oblicza się ze wzoru: minmax minmax minmax max minmax max minmax max minmax max dd dd d d V V V V V V V V pp pp D ee ee VV VV VV VVI s p s p s p s p ρρ ρρ ρ ρ − − ⋅= − − = − − = − − = − − = gdzie: emax- wskaźnik porowatości maksymalnej obliczany dla gęstości objętościowej ρdmin przy najbardziej luźno usypanym gruncie suchym, emin - wskaźnik porowatości minimalnej obliczany dla gęstości objętościowej ρdmin przy możliwie największym zagęszczeniu gruntu suchego przez wibrację (bez zniszczenia ziarn) e - wskaźnik porowatości naturalnej odpowiadający ρd. Stopień zagęszczenia ID charakteryzuje stan gruntów niespoistych. Rozróżnia się cztery stany gruntów niespoistych: grunt zagęszczony 0,67 < ID ≤ 0,8 grunt luźny 0 < ID ≤ 0,33 grunt średnio zagęszczony 0,33 < ID ≤ 0,67 grunt bardzo zagęszczony ID > 0,8 Maksymalna wartość stopnia zagęszczenia ID = 1,0 Parametry Plastyczności Gruntów Plastycznością nazywa się zdolność gruntu do poddawania się trwałym (nieodwracalnym) odkształceniom przy stałej objętości, bez pęknięć i kruszenia się. Cechę tę wykazują tylko te grunty, które zawierają w swoim składzie cząstki minerałów ilastych. Wskaźnik plastyczności IP jest to różnica pomiędzy granicą płynności i granicą plastyczności (zakres wilgotności wyznaczony granicami), oznacza ile wody w procentach (w stosunku do masy szkieletu) wchłania dany grunt przy przejściu ze stanu półzwartego w półpłynny. PLP wwI −= gdzie: wP - granica plastyczności, wL - granica płynności. Poszczególne stany gruntu stanowią określone konsystencje. Rozróżnia się trzy konsystencje gruntów spoistych: płynną - grunt zachowuje się jak ciecz i nie ma prawie żadnej wytrzymałości plastyczną - odkształca się przy pewnym nacisku, nie ulega przy tym spękaniom i zachowuje nadany mu kształt zwartą - odkształca się dopiero przy dużych naciskach, przy czym odkształceniom towarzyszą spękania Granice konsystencji są granicznymi wilgotnościami rozdzielającymi poszczególne konsystencje: granica płynności wL – wilgotność na granicy między konsystencjąpłynną i plastyczną. granica plastyczności wp - wilgotność na granicy między konsystencją plastyczną i zwartą. granica skurczalności ws - wilgotność na granicy stanu półzwartego i zwartego Podział gruntów wg spoistości. Rodzaj gruntów Wskaźnik plastyczności Niespoisty Spoisty mało spoisty średnio spoisty zwęziło spoisty bardzo spoisty Ip≤ 1% 1% < Ip 1% < Ip ≤ 10% 10% < Ip ≤ 20% 20% < Ip ≤ 30% 30% < Ip Klasyfikacja Gruntów Uziarnienie jest podstawowym kryterium podziału gruntów.Do określenia rodzaju gruntów według uziarnienia, stosuje się klasyfikację opartą na trzech najdrobniejszych frakcjach: piaskowej, pyłowej i iłowej. Wzajemny stosunek zawartości tych frakcji w gruntach przedstawia trójkąt Fereta: (f ') fra kc ja p ia sk ow a zr ed uk ow an a, % p (f ') frakcja iłowa zredukowana, % i (f ') frakcja pyłowa zredukowana, %π10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 100 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 piasek pylasty-Pπ piasek piasek gliniasty-Pg pył piaszczysty-Πp glina-G glina zwięzła-Gz ił - I piaszczysty ił Ip- glina piaszczysta zwięzła-Gpz glina piaszczysta- Gp glina pylasta zwięzła-Gπz glina pylasta-Gπ pył - Π Iπ- ił pylasty Podział gruntów spoistych ze względu na uziarnienia. Nazwa gruntu Symbol Uziarnienie, % ƒp ƒπ ƒi Piasek gliniasty Pg 60 ÷ 98 0 ÷ 30 2 ÷ 10 Pył piaszczysty πp 30 ÷ 70 30 ÷ 70 0 ÷ 10 Pył π 0 ÷ 30 60 ÷ 100 0 ÷ 10 Glina piaszczysta Gp 50 ÷ 90 0 ÷ 30 10 ÷ 20 Glina G 30 ÷ 60 30 ÷ 60 10 ÷ 20 Glina pylasta Gπ 0 ÷ 30 30 ÷ 90 10 ÷ 20 Glina piaszczysta zwięzła Gpz 50 ÷ 80 0 ÷ 30 20 ÷ 30 Glina zwięzła Gz 20 ÷ 50 20 ÷ 50 20 ÷ 30 Glina pylasta zwięzła Gπz 0 ÷ 30 50 ÷ 80 20 ÷ 30 Ił piaszczysty Ip 30 ÷ 70 0 ÷ 20 30 ÷ 50 Ił I 30 ÷ 70 0 ÷ 50 30 ÷ 100 Ił pylasty Iπ 30 ÷ 70 50 ÷ 70 30 ÷ 50 W celu identyfikacji gruntów spoistych, często podaje się tzw. kartę plastyczności Casagrandego. Grunty spoiste są na niej podzielone w zależności od granicy plastyczności oraz od wskaźnika plastyczności. CH – grunty bardzo spoiste CL – grunty średnio spoiste i spoiste zwięzłe MH i ML – grunty mało spoiste OL – piaski próchnicze i pyły próchnicze Klasyfikacja gruntów spoistych wg. Casagrandego. CH CL MH i OH ML i OL 8050200 20 40 Granica płynności wL W sk aź ni k pl as ty cz no śc i I P 1 2 3 4 5 6 7 Schemat występowania różnych rodzajów wód w gruncie: 1 – woda opadowa przesiąkająca, 2 – cząstka gruntu, 3 – powietrze, para wodna lub CO2 4 – woda związana higroskopowa i błonkowata, 5 – woda włoskowata zawieszona, 6 – woda włoskowata zamknięta, 7 – woda gruntowa. Woda związana otacza cząstki gruntu w postaci warstw, które są przyciągane przez grunt z różną siłą. Dzieli się na silnie związaną i słabo związaną. Woda silnie związana – higroskopowa jest silnie połączona z powierzchnią cząstek gruntowych. Nie może działać rozpuszczająco, przechodzić z jednej cząstki na drugą oraz przekazywać ciśnienia hydrostatycznego Woda słabo związana – błonkowata dzieli się na wodę błonkowatą utwierdzoną i wodę błonkowatą luźną Wtórnie zorientowana woda poliwarstw (błonkowata utwierdzona) tworzy się wokół cząstek i adsorbowanych jonów dzięki wiązaniom międzymolekularnym powstającym między molekułami wody silnie związanej a molekułami wody dostającej się do gruntu. Woda błonkowata luźna – osmotyczna tworzy się w wyniku przenikania molekuł wody z roztworu w warstwę dyfuzyjną miceli, gdzie koncentracja jonów jest wyższa niż w roztworze. Słabo związana z powierzchnią cząstki wykazuje ruchliwość. Woda wolna – gruntowa występuje w podziemnych nieckach i łożyskach wypełnionych żwirami i piaskami. Zasilana jest przesiąkającą wodą deszczową, infiltracją wód powierzchniowych z otwartych zbiorników wodnych, rzek oraz kondensacją pary wodnej, znajdującej się w porach gruntów. Zwierciadło wody podziemnej nazywane powszechnie, zwierciadłem wody gruntowej jest to granica między strefą aeracji i saturacji w przestrzennym rozmieszczeniu wód pod powierzchnią terenu. Strefa aeracji, czyli napowietrzania, występuje między powierzchnią terenu a zwierciadłem wody podziemnej. W strefie aeracji pory gruntowe wypełnione są powietrzem, a woda występuje w różnych postaciach (np. jako higroskopijna, błonkowata, kapilarna). Strefa saturacji, czyli nasycenia wodą, występuje poniżej zwierciadła wody gruntowej. W strefie tej wolne przestrzenie między ziarnami mineralnymi otoczonymi wodą higroskopijną i błonkowatą wypełnia woda wolna. Woda wolna – wsiąkowa (infiltracyjna) pochodzi z opadów, przesącza się przez całą strefę aeracji do strefy saturacji pod wpływem sił ciężkości. Woda włoskowata – kapilarna przenosi ciśnienie hydrostatyczne, zamarza w temperaturze poniżej 0ºC. Wodę kapilarną dzieli się na trzy typy: Woda naroży porów tworzy się w miejscach styku cząstek w postaci oddzielnych kropli. Woda zawieszona nie ma bezpośredniej łączności z poziomem wód gruntowych, stąd nie może być przez nie zasilana. Właściwa woda kapilarna podnosi się w górę do poziomu wód gruntowych. Kapilarność Kapilarność jest wynikiem działania dwu zjawisk: przyczepności (adhezji) wody do ścianek rurki napięcia powierzchniowego wody 2r HK Z.W.G HK Adhezja Woda wolna Wysokość kapilarnego podciągania Hk wody ponad swobodne jej zwierciadło można wyznaczyć w sposób następujący: Ciężar słupa wody w rurce wynosi: grHG wk ρπ 2= gdzie: Hk - wysokość kapilarnego podciągania wody r - promień kapilary ρw - gęstość właściwa wody, g - przyspieszenie ziemskie. Naprężenie ściskające σsk w szkielecie gruntowym można obliczyć według wzoru: gH wwksk ρσ = gdzie: Hwk - wysokość słupa wody kapilarnej ponad poziomem swobodnego zwierciadła, Pw - ciężar właściwy wody. Skurczalność Skurczem gruntu nazywa się zmniejszenie jego objętości w wyniku wydzielenia wody przy wysychaniu (wyparowywaniu wody pod działaniem różnych temperatur) lub przy rozwinięciu procesów fizykochemicznych (osmoza). Granica skurczalności ws, oznaczona jest laboratoryjnie lub ze wzoru: PLs www 25,1−= gdzie: wL - granica płynności, wP - granica plastyczności Odkształcenie skurczu wyrażane jest symbolem εsh lub εs i opisane wzorem: 0h h sh ∆ =ε gdzie: ∆h - zmniejszenie wysokości próbki po suszeniu, H0 - wysokość początkowa próbki. Przedział skurczu wyrażony jest wzorem: sww − gdzie: W - wilgotność naturalna [%], Ws - granica skurczalności [%]. Głównymi czynnikami wpływającymi na charakter pęcznienia gruntów są: skład i struktura gruntu (skład mineralny i granulometryczny, skład kationów wymiennych, cechy strukturalno-teksturalne, wilgotność). skład chemiczny i stężenie roztworu wodnego współdziałającego z gruntem. wartość obciążenia zewnętrznego. Na wartość pęcznienia wpływ ma wilgotność początkowa, (w miarę wzrostu wilgotności początkowej pęcznienie maleje). 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 30 35 40 45 50 55 w, % 1 2 VPPC C iś ni en ie p ęc zn ie ni a, k G ⋅c m -2 W sk aź ni k pę cz ni en ia , % Zależność wskaźnika pęcznienia (linia ciągła) i ciśnienia pęcznienia (linia przerywana) zagęszczony past iłów: kaolinitowego 1 i monotermitowego 2, od wilgotności początkowej. Zjawiska Mrozowe w Gruncie Przemarzanie gruntu jest to zamarzanie wody w gruncie w przypadku okresowego występowania temperatury powietrza poniżej 0ºC Głębokość i prędkość przemarzania zależą od: temperatury powietrza czasu trwania osłony terenu struktury i tekstury gruntu składu granulometrycznego gruntu ∆h-wysadziny Soczewki lodowe Granica przemarzania Podciąganie wody Zwierciadło wody gruntowej Wilgotność po zamarznięciu gruntu Wilgotność gruntu przed mrozami w [%] 0 10 20 30 40 Zjawisko przemarzania gruntu. Określenie Głębokości Przemarzania Gruntów ( ) tTT Q h pz ow z −= γ λ2 gdzie: λ - współczynnik przewodnictwa cieplnego, Q - ciepło krzepnięcia wody, γow - ciężar objętościowy wody zawartej w gruncie odniesiony jednostki objętości gruntu, Tz - temperatura zamarzania, Tp - temperatura na powierzchni gruntu, T - czas. 3. Kryterium Wiłuna (1958), wg którego uwzględnia się uziarnienie gruntu i kapilarność bierną gruntu Hkb. Wiłun pod względem wysadzinowości, dzieli grunty na 3 grupy: GRUPA A – grunty niewysadzinowe o Hkb < 1,0 m, bezpieczne w każdych warunkach wodnogruntowych i klimatycznych; są to grunty zawierające poniżej 20 % cząstek mniejszych od 0,05 mm i poniżej 3 % cząstek mniejszych od 0,02 mm (należą tu czyste żwiry, pospółki i piaski). GRUPA B – grunty wątpliwe (mało wysadzinowe) o Hkb < 1,3 m, zawierające 20 ÷ 30 % cząstek mniejszych od 0,05 mm i 3 ÷ 10 % cząstek mniejszych od 0,02 mm (należą tu piaski bardzo drobne, pylaste i próchnicze). GRUPA C – grunty wysadzinowe o Hkd > 1,3 m; są grunty zawierające powyżej 30 % cząstek mniejszych od 0,05 mm i powyżej 10 % cząstek mniejszych od 0,02 mm (należą tu wszystkie grunty spoiste i namuły organiczne). 3. Ciśnienie Porowe i Naprężenie Efektywne Wypór Wody w Gruncie Ciśnienie Wody w Porach Naprężenie Całkowite i Efektywne Wypór Wody w Gruncie Na szkielet gruntowy znajdujący się poniżej zwierciadła wody działa wypór wody zgodnie z prawem Archimedesa, powodując wywieranie mniejszego nacisku na warstwę leżącą niżej niż na warstwę powyżej zwierciadła wody gruntowej. Pozorny ciężar objętościowy szkieletu gruntowego o objętości (1 – n) pod wodą gruntową, zgodnie z prawem Archimedesa wyniesie: )( )( )( ( ) )( ( ) wsrwswsws ngngngn γγγγρρρργ −=−−=−⋅−=−−−= 1111' wsr γγγ −=' gdzie: - ciężar objętościowy gruntu, przy Sr = 1 n - porowatość gruntu ρs - gęstość właściwa szkieletu gruntowego ρw - gęstość właściwa wody g - przyspieszenie ziemskie, 9,81 m/s2 γw - ciężar właściwy wody γs - ciężar właściwy szkieletu gruntowego, [kN/m3] )( wssr nn γγγ +−= 1