Alojzy Szymański Mechanika gruntów, skrypt SGGW, Warszawa 2001

Transkrypt

1 Część pierwza Właściwości fizyczne gruntu

2

3 Alojzy Szymańki Mechanika gruntów, krypt SGGW, Warzawa

4 Geneza Gruntu Grunty tworzą wierzchnią wartwę litofery, ą to materiały powtałe z wietrzenia fizycznego, chemicznego i organicznego oraz rozdrobnienia mechanicznego kał pierwotnych. Wietrzenie fizyczne wywołane jet głownie wahaniami temperatury, zamarzaniem wody w porach a także działaniem rozadzającym korzeni roślin. W wyniku działania tych czynników kały ulegają ołabieniu i rozpadowi na bloki a natępnie na coraz drobniejze okruchy. Wietrzenie chemiczne powoduje rozpad kał oraz zmiany w ich kładzie chemicznym wkutek proceów chemicznych zachodzących wewnątrz kał. Głównymi czynnikami wywołującymi wietrzenie chemiczne jet woda oraz powietrze. Wietrzenie organiczne jet wywołane przez procey życiowe zwierząt i roślin. Procey erozyjne i tranport materiału powodują rozdrobnienie okruchów wytępujących w korupie ziemkiej oraz zmiany w podłożu macierzytym.

5 Produkty wietrzenia kał oraz frakcje uziarnienia gruntów Produkty wietrzenia lub rozdrobnienia kały pierwotnej Wietrzenie fizyczne Wietrzenie chemiczne Rozdrobnienie mechaniczne przy tranporcie Nazwa frakcji i ich wymiary Bloki kamienne i głazy otrokrawędzite - głazy otoczone i otoczaki Kamienita (ƒ k ) powyżej 40 mm Okruchy otrokrawędzite Ziarna otrokrawędzite nie zwietrzałe okruchy otrokrawędzite kryztały odporne na wietrzenie okruchy obtoczone Żwirowa (ƒ ż ) 40 2 mm ziarna obtoczone Piakowa (ƒ p ) 2 0,05 mm drobne kryztały kały pierwotnej minerały iłowe mączka kalna powtała przy obtaczaniu ww. okruchów bardzo drobne czątki mączki kalnej o wymiarach poniżej 0,002 mm Pyłowa (ƒ π ) 0,05 0,0002 mm Iłowa (ƒ i ) poniżej 0,0002 mm

6 FRAKCJE UZIARNIENIA GRUNTÓW Frakcja piakowa Ziarna i czątki gruntu dzielone ą wg wielkości na grupy zwane frakcjami. Frakcja pyłowa Nazwa frakcji Zakre średnic zatępczych d [mm] Frakcja iłowa Kamienita Żwirowa Piakowa Pyłowa Iłowa d > d > 2 2 d > 0,05 0,05 d > 0,002 0,002 d

7 Frakcje klayfikacyjne według: PN-EN ISO :2005 Badania geotechniczne. Oznaczanie i klayfikowanie gruntów. Część 1: Oznaczanie i opi PN-EN ISO :2005 Badania geotechniczne. Oznaczanie i klayfikowanie gruntów. Część 2: Zaady klayfikowania O nazwie gruntu decyduje frakcja główna, tj. frakcja o przeważającej maie w danym gruncie. Zapiuje ię ją rzeczownikiem na początku nazwy gruntu

8 LITERATURA Glazer Z.: Mechanika gruntów. Wydawnictwo Geologiczne, Warzawa Lambe T.W., Whitman R..: Mechanika gruntów. Arkady, Warzawa Myślińka E.: Laboratoryjne badania gruntów. Wydawnictwo Naukowe PWN, Wyd. II, Warzawa Piarczyk S.: Mechanika gruntów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warzawkiej, Warzawa Wiłun Z.: Zary geotechniki. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warzawa NORMY PN-B-02479:1998 Geotechnika. Dokumentowanie geotechniczne. PN-86/B Grunty budowlane. Określenia, ymbole, podział i opi gruntów. PN-B-02481:1998 Geotechnika Terminologia podtawowa, ymbole literowe i jednotki miar. PN-81/B Grunty budowlane. Poadowienie bezpośrednie budowli. Obliczenia tatyczne i projektowanie. PN-88/B Grunty budowlane. Badania próbek gruntu.

9 Badania makrokopowe - polegają na ocenie gruntu bez pomocy pecjalitycznego przętu, jedynie za pomocą wzroku oraz protych narzędzi, mające na celu określenie nazwy, rodzaju gruntu i niektórych cech fizycznych. Stouje ię je w terenie oraz jako badania wtępne w laboratorium. Przy pomocy analizy makrokopowej oznacza ię: 1. Rodzaj i nazwa gruntu. 2. Stan fizyczny gruntów poitych (przybliżona wartość topnia platyczności I p ). 3. Barwa, przewartwienia, zanieczyzczenia, domiezki. 4. Wilgotność (tan zawilgocenia). 5. Zawartość węglanu wapnia (CaCO3).

10 Klayfikacja gruntów p 90 piaek (f ') frakcja piakowa zredukowana, % I p ił piazczyty glina piazczyta zwięzła-g pz glina piazczyta- G p piaek gliniaty-p g piaek pylaty-p π glina-g ił - I glina zwięzła-g z pył piazczyty-π p (f ') frakcja pyłowa zredukowana, % π (f ') frakcja iłowa zredukowana, % i 60 I π ił pylaty glina pylata zwięzła-g πz 40 glina pylata-g π pył - Π Uziarnienie jet podtawowym kryterium podziału gruntów. Do określenia rodzaju gruntów według uziarnienia, touje ię klayfikację opartą na trzech najdrobniejzych frakcjach: piakowej, pyłowej iłowej. Wzajemny tounek zawartości tych frakcji w gruntach przedtawia trójkąt Fereta:

11 Frakcja piakowa Frakcja pyłowa Frakcja iłowa

12 Uziarnienie i charakterytyki uziarnienia Ziarna i czątki gruntu dzielone ą wg wielkości na grupy zwane frakcjami. Wyróżniamy pięć natępujących frakcji: kamienita o ziarnach d > 25 mm żwirowa o ziarnach d 25 2 mm piakowa o ziarnach pyłowa o czątkach iłowa o czątkach d 2 0,05 mm d 0,05 0,002 mm d < 0,002 mm Uziarnienie gruntu (kład granulometryczny) określa ię procentową zawartością pozczególnych frakcji w tounku do ciężaru całej próbki badanego gruntu.

13 Określenie ilościowego podziału pozczególnych frakcji (ziaren, czątek) w badanej próbce wykonuje ię dwoma rodzajami metod: metody bezpośrednie - oparte na pomiarze rzeczywitych wymiarów czątek gruntowych, do których należą: analiza itowa, badania mikrokopowe (których celem jet określenie kztałtu czątek gruntu, a nie kładu granulometrycznego gruntu). metody pośrednie - w których wielkość czątek gruntu zatępuje ię średnicami teoretycznych kulek. W grupie tych metod rozróżniane ą metody oparte ą na proceie edymentacji oraz metody rozdziału frakcji w trumieniu cieczy lub gazu. Metoda pośrednią jet analiza aerometryczna.

14 Wykre uziarnienia (krzywe uziarnienia) porządza ię po wykonaniu analizy granulometrycznej (metodą itową lub itowo-aerometryczną) i obliczeniu procentowych zawartości may ziaren i czątek. F r a k c j e zawartość ziarn (czątek) o średnicy mniejzej niż d 100% iłowa pyłowa piakowa f żwirowa kam. k x dx f ż f p f π % f i 0 0,001 0,01 0, średnica zatępcza ziarna (czątki) d, mm

15 Z wykreów krzywych uziarnienia można wyznaczyć: procentowe zawartości pozczególnych frakcji (niezbędne do określenia rodzaju gruntu), średnice czątek d 10, d 30, d 60 (niezbędne do określenia wkaźników uziarnienia gruntu) oznaczające średnice czątek, które wraz z mniejzymi tanowią 10, 30, 60 %. Uziarnienie gruntu charakteryzują dwa wkaźniki: wkaźnik krzywizny uziarnienia: C d 2 30 ( d10 d 60 wkaźnik różnoziarnitości (uziarnienia gruntu) U d d )

16 Zależnie od wkaźnika różnoziarnitości grunty dzieli ię na: równoziarnite gdy 1 U 5(np. piaki wydmowe, ley), różnoziarnite gdy 5 U 15 (np. gliny holoceńkie), bardzo różnoziarnite gdy U > 15 (np. gliny zwałowe, popółki). Grunt jet dobrze uziarniony, jeżeli: C 1 3, a U > 4 dlażwirów lub U > 6 dla piaków.

17 Analizy granulometryczna metodą itową Wyniki badania: Maa zkieletu gruntowego m d g Wymiar oczek [mm] Maa gruntu pozotała na icie [g] Rozrzucona różnica may [g] Poprawiona maa gruntu pozotała na icie, m i [g] Zawartość frakcji mi Z i 100% m Suma zawartości [%] pozotało SUMA d

18 Analiza granulometryczna metodą itową 0 10 Wymiar oczek [mm] Suma zawartości [%] pozotało % 60 % d mm d mm U d d

19 Analiza granulometryczna metodą areometryczną Cza odczytu Temp zawieiny Skrócony wkaźnik odczytu RT R a RRT+ R+a+ c Droga czątki H R [cm] Średnica wzorcowa dwz [mm] Średnica zatępcza czątek dt [mm] Średnia zawartość czątek o φ<dt; Z T [%] 30 ek 23,1 12-0,29 0,52 12,23 13,43 0,073 0, ,76 1 min 23,1 11,7-0,30 0,52 11,92 13,53 0,051 0, ,36 2 min 23,1 11,2-0,30 0,52 11,42 13,69 0,036 0, ,37 5 min 23,1 10,2-0,31 0,52 10,41 14,01 0,023 0, ,41 15 min 23,1 9-0,31 0,52 9,21 14,40 0,013 0, ,89 30 min 23,1 7,7-0,31 0,52 7,91 14,82 0,0094 0, ,61 1h 23,1 6-0,30 0,52 6,22 15,36 0,0067 0, ,21 2h 23 4,5-0,29 0,5 4,71 15,85 0,0047 0, ,28 4h 23 3,4-0,28 0,5 3,62 16,20 0,0033 0, ,68 24h ,26 0,5 2,24 16,65 0,0014 0, ,76 gdzie: Z T procentowa zawartość czątek o średnicach mniejzych niż d T [%], gętość właściwa zkieletu gruntowego [g/cm 3 ], Z T c m ( ) ( R ) T + R + a w w gętość właściwa wody [g/cm 3 ], m maa zkieletu gruntowego użytego do analizy [g], R T krócony wkaźnik odczytu dla czau opadania T, R popr awka na podziałkę areometru, a poprawka na temperaturę, c poprawka na menik.

20 Analiza granulometryczna metodą areometryczną 10 % d mm 60 % 0 0,001 0,010 0,100 1,000 Średnica zatępcza ziarna (czątki) [mm] d mm areometria grunt nr 1 U d d Zawartość procentowa czątek o średnicy mniejzej niż "d"

21 Parametry opiujące właności fizyczne Cechy fizyczne gruntu można podzielić na podtawowe i od nich pochodne. Do podtawowych cech fizycznych gruntów zalicza ię: wilgotność w gętość właściwą gętość objętościową cechy te oznaczane ą na podtawie badań laboratoryjnych Do pochodnych cech fizycznych gruntu zalicza ię: gętość objętościową zkieletu gruntowego d porowatość n i wkaźnik porowatości e wilgotność całkowitą w r i topień wilgotności S r topień zagęzczania I D i wkaźnik zagęzczania I wkaźnik platyczności I P topień platyczności I L

22 Pęcherzyki powietrza Woda błonkowa Powietrze a Składniki gruntu Woda Czątki tałe M w M w gdzie: - objętość gruntu Wolna woda m m + m m - objętość zkieletu gruntowego w - objętość wody a - objętość powietrza w a w p w + a - objętość porów m m - maa gruntu wilgotnego m - maa zkieletu czątek gruntowych m w - maa wody p

23 Podtawowe cechy fizyczne gruntu Wilgotnością gruntu w nazywamy procentowy tounek may wody m w zawartej w jego porach do may zkieletu gruntowego m : w m m w 100% gdzie: m w - maa wody m - maa czątek gruntu (zkieletu gruntowego) Wilgotnością naturalna w n nazywamy wilgotność, jaką ma grunt w tanie naturalnym.

24 Gętością właściwą gruntu nazywa ię tounek may zkieletu gruntowego m do jej objętości. gdzie: m m - maa czątek gruntu - objętość amych czątek (zkieletu gruntowego) Gętość objętościowa gruntu jet to tounek may próbki gruntu do objętości tej próbki łącznie z porami. gdzie: m m m m - maa próbki gruntu - objętość próbki gruntu

25 Cechy fizyczne pochodne od cech podtawowych Gętość objętościowa zkieletu gruntowego d jet to tounek may zkieletu gruntu (maa ziaren i czątek) w danej próbce do jej objętości pierwotnej (razem z porami). d m w n gdzie: m - maa próbki wyuzonej do tałej wagi w temperaturze C - objętość próbki gruntu przed wyuzeniem - gętość objętościowa gruntu W n - wilgotność naturalna gruntu Znajomość gętości objętościowej zkieletu jet konieczna do obliczenia porowatości, wkaźnika porowatości i wkaźnika zagęzczenia naypów.

26 Porowatością gruntu n nazywamy tounek objętości porów p w danej próbce gruntu do objętości całego gruntu (zkielet gruntu + pory). n Wobec trudności bezpośredniego pomiaru objętości porów p i objętości zkieletu wykorzytuje ię metodę pośrednią, opartą na zależnościach wynikających z ryunku: p P -objętość porów 1,0 P + S S -objętość zkieletu 1,0 1,0

27 Wykorzytując natępujące wzory: p + m oraz m d otrzymujemy: d d m p n 1 1

28 Wkaźnikiem porowatości gruntu e nazywamy tounek objętości porów p do objętości czątek gruntu (zkieletu gruntowego). d d p p p n n e p p 1 1 Pomiędzy wkaźnikiem porowatości e a porowatością n itnieją zależności: e e n 1+

29 n e 1+ e gaz a 1+e e woda nsr n 1 zkielet gruntowy Wkaźnik porowatości e gruntów niepoitych waha ię w granicach 0,3 1,0, a w gruntach poitych może być znacznie więkzy.

30 Wilgotność całkowita w r gruntu itnieje wtedy, gdy jego pory ą całkowicie wypełnione wodą (oblicza ię ją w procentach). ) ( 100% w w r e n n w Stopień wilgotności gruntu S r określa topień wypełnienia porów gruntu wodą. r n m m p w r w w S w p w w

31 Zależnie od wartości topnia wilgotności gruntu S r natępujące tany zawilgocenia gruntów niepoitych: rozróżniono uchy Sr 0 mało wilgotny 0 < Sr 0,4 wilgotny 0,4 < Sr 0,8 nawodniony 0,8 < Sr 1,0 Makymalna wartość topnia wilgotności S r 1 (pory ą całkowicie wypełnione wodą).

32 Parametry Platyczności Gruntów Platycznością nazywa ię zdolność gruntu do poddawania ię trwałym (nieodwracalnym) odkztałceniom przy tałej objętości, bez pęknięć i kruzenia ię. Cechę tę wykazują tylko te grunty, które zawierają w woim kładzie czątki minerałów ilatych. Wkaźnik platyczności I P jet to różnica pomiędzy granicą płynności i granicą platyczności (zakre wilgotności wyznaczony granicami), oznacza ile wody w procentach (w tounku do may zkieletu) wchłania dany grunt przy przejściu ze tanu półzwartego w półpłynny. I P w L w P gdzie: w P w L - granica platyczności, - granica płynności.

33 Między wkaźnikiem platyczności i ilością frakcji iłowej itnieje natępująca zależność: A gdzie: A - aktywność koloidalna, ƒ i - zawartość frakcji iłowej w danym gruncie (o uziarnieniu poniżej 2 mm) w %. Zależnie od aktywności koloidalnej grunty dzieli ię na 4 grupy: nieaktywne A < 0,75 przeciętnie aktywne 0,75 A < 1,25 aktywne 1,25 A <2 bardzo aktywne A 2 I f P i

34 Stopień platyczności I L jet to tounek różnicy wilgotności naturalnej danego gruntu i granicy platyczności do różnicy granicy płynności i granicy platyczności. Wkaźnik ten określa, jaką konytencję ma badany grunt oraz odzwierciedla właściwości gruntu w tanie in itu. Wykre tanów gruntu Wilgotność, % Granica kurczu ww I L Granica platyczności ww p w w ww p + 0,25 I p n L w w P P ww p + 0,50 I p Granica płynności ww L Stan gruntu zwarty pół zwarty twardo platyczny platyczny miękko platyczny płynny Konytencja zwarta w S w P platyczna w L płynna I P w L -w P Wkaźnik platyczności

35 Pozczególne tany gruntu tanowią określone konytencje. Rozróżnia ię trzy konytencje gruntów poitych: płynną - grunt zachowuje ię jak ciecz i nie ma prawieżadnej wytrzymałości platyczną - odkztałca ię przy pewnym naciku, nie ulega przy tym pękaniom i zachowuje nadany mu kztałt zwartą - odkztałca ię dopiero przy dużych nacikach, przy czym odkztałceniom towarzyzą pękania

36 Granice konytencji ą granicznymi wilgotnościami rozdzielającymi pozczególne konytencje: granica płynności w L wilgotność na granicy między konytencją płynną i platyczną. granica platyczności w p - wilgotność na granicy między konytencją platyczną i zwartą. granica kurczalności w - wilgotność na granicy tanu półzwartego i zwartego Podział gruntów wg poitości. Rodzaj gruntów Wkaźnik platyczności Niepoity Spoity mało poity średnio poity zwęziło poity bardzo poity I p 1% 1% < I p 1% < I p 10% 10% < I p 20% 20% < I p 30% 30% < I p

37 Parametry Zagęzczania Gruntów Wilgotność optymalna w opt to taka, przy której uzykuje ię najwiękze zagęzczenie w przypadku gruntów poitych i niektórych gruntów niepoitych. Zależność Proctora: gętość objętościowa zkieletu gruntowego d zależy od wilgotności (przy tałej energii zagęzczania). Makymalne zagęzczenie jet tym więkze, im więkza jet energia zagęzczania. Wartości w opt i d zależą od rodzaju gruntu.

38 d max Wilgotność [%] Wpływ wilgotności na zagęzczenie gruntu: 1 krzywa zagęzczenia, 2 krzywa całkowitego naycenia (teoretycznie makymalne zagęzczenie).

39 Wkaźnik zagęzczenia gruntów I jet miernikiem charakteryzującym jakość zagęzczenia naypu: I dna d gdzie: d na - gętość objętościowa zkieletu gruntu w naypie, d. - makymalna gętość objętościowa zkieletu gruntu.

40 Stopień zagęzczenia gruntów niepoitych I D jet to tounek zagęzczenia wytępującego w tanie naturalnym do najwiękzego możliwego zagęzczenia danego gruntu. a) b) c) pmax max - pmax - p ma x p pmin mi n max - min pma x- pmi n Zmiana objętości porów w piaku w miarę jego zagęzczania: a) objętość piaku najbardziej luźnego, b) objętość w naturze (pośrednia), c) objętość piaku najbardziej zagęzczonego

41 I D max max Stopień zagęzczania I D oblicza ię ze wzoru: min pmax pmax p pmin pmax pmax p pmin e e max max e e min dmax d d dmax dmin dmin gdzie: e max - wkaźnik porowatości makymalnej obliczany dla gętości objętościowej dmin przy najbardziej luźno uypanym gruncie uchym, e min - wkaźnik porowatości minimalnej obliczany dla gętości objętościowej dmin przy możliwie najwiękzym zagęzczeniu gruntu uchego przez wibrację (bez znizczenia ziarn) e - wkaźnik porowatości naturalnej odpowiadający d.

42 Stopień zagęzczenia I D charakteryzuje tan gruntów niepoitych. Rozróżnia ię cztery tany gruntów niepoitych: grunt luźny 0 < I D 0,33 gruntśrednio zagęzczony 0,33 < I D 0,67 grunt zagęzczony 0,67 < I D 0,8 grunt bardzo zagęzczony I D > 0,8 Makymalna wartość topnia zagęzczenia I D 1,0