Mechanika Gruntów Soil Mechanics. Marek Cała Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki

Transkrypt

1 Mechanika Gruntó Soil Mechanics

2 Mechanika gruntó Mechanika Gruntó obejmuje teoretyczne podstay zjaisk, które ystępują gruncie stanoiącym podłoże budoli, ośrodek którym ykonyane są roboty inżynierskie oraz materiał, z którego znoszone są budole ziemne. Mechanika gruntó stanoi ięc teoretyczną część geotechniki, dziedziny działalności inżynierskiej obejmującej roboty ziemne, fundamentoanie, budole i konstrukcje ziemne oraz zmacnianie i uszczelnianie podłoża.

3 Mechanika gruntó Karl Terzaghi ( ) Ojciec nooczesnej mechaniki gruntó Urodziny Pradze, 1925 roku pisze Erdbaumechanick Wykłada MIT ( ) Wykłada Harvardzie (1938 i później) According to Terzaghi (1948): "Soil Mechanics is the application of las of mechanics and hydraulics to engineering problems dealing ith sediments and other unconsolidated accumulations of solid particles produced by the mechanical and chemical disintegration of rocks regardless of hether or not they contain an admixture of organic constituent."

4 Geotechnika, Inżynieria geotechniczna Inżynieria geotechniczna zajmuje się naukoa i praktyczną stroną tej części inżynierii cyilnej, która dotyczy materiałó naturalnych sąsiedztie poierzchni ziemi. B.M. Das, 1985 Inżynieria geotechniczna jest gałęzią inżynierii cyilnej, która zajmuje się gruntami, skałami i odą oraz ich poiązaniami z projektoaniem i ykonastem projektó inżynierskich D.P. Coduto, 1999 Inżynieria geotechniczna zajmuje się zastosoaniem nauk takich jak: mechanika gruntó, mechanika skał oraz geologia inżynierska i im pokrenych inżynierii cyilnej, przemyśle ydobyczym oraz ochronie i inżynierii środoiska A pproved N. Morgenstern, 2000

5 Geotechnika, Inżynieria geotechniczna Transport Kons trukcje budolane i inzynierskie Geodezja i kartografia INŻYNIERIA CYWILNA GEOTECHNIKA Paleontologia Geofizyka i sejsmologia Geomorfologia GEOLOGIA Mineraologia i petrografia Geologia inżynierska Hydrogeologia Inżynieria geotechniczna Inżynieria środoiska Inżynieria geotechniczna jest działem inżynierii cyilnej zaś geologia inżynierska geologii Geotechnika łączy sobie iedzę zaartą obu tych działach

6 Historia magistra vitae! And e can save 700 lira by not taking soil tests... Pisa, XII century

7 Miejsce i zadania mechaniki gruntó geotechnice PROJEKTOWANIE I WYKONAWSTWO BUDOWLI ZIEMNYCH POSADOWIENIE BUDOWLI NA GRUNTACH SKŁADOWISKA ODPADÓW SPECJALNE PROBLEMY

8 Wykorzystanie mechaniki gruntó roziązyaniu problemó geotechnicznych PROJEKTOWANIE I WYKONAWSTWO BUDOWLI ZIEMNYCH POSADOWIENIE BUDOWLI NA GRUNTACH SKŁADOWISKA ODPADÓW SPECJALNE PROBLEMY - dobór materiału do budoy zapór ziemnych, ałó, grobli, dróg, itp. - ybór metod obliczania stateczności i odkształceń - badanie i dobór parametró do obliczeń - kontrola stanu technicznego budoli - rozpoznanie łaściości podłoża - ybór metody posadoienia - zmacnianie podłoża - dobór metod obliczenioych projektoaniu -składoanie odpadó poprzemysłoych i komunalnych - ykorzystanie odpadó poprzemysłoych budonictie -zagospodaroanie terenó poprzemysłoych - posadoienie budoli na gruntach ekspansynych - dynamiczne odciążenia gruntó

9 PROJEKTOWANIE I WYKONAWSTWO BUDOWLI ZIEMNYCH Problemy geotechniczne DOBÓR MATERIAŁU DO BUDOWY ZAPÓR ZIEMNYCH, WAŁÓW, GROBLI, DRÓG, etc. WYBÓR METOD OBLICZANIA STATECZNOŚCI, ODKSZTAŁCEŃ BADANIA I DOBÓR PARAMETRÓW DO OBLICZEŃ KONTROLA STANU TECHNICZNEGO BUDOWLI

10 Problemy geotechniczne POSADOWIENIE BUDOWLI NA GRUNTACH ROZPOZNANIE WŁAŚCIWOŚCI PODŁOŻA WYBÓR METODY POSADOWIENIA WZMACNIANIE POD ŁOŻA DOBÓR METOD OBLICZENIOWYCH W PROJEKTOWANIU

11 Problemy geotechniczne POSADOWIENIE BUDOWLI NA GRUNTACH Posadoienie bezpośrednie Ściany oporoe Ścianki szczelne Obudoa ykopó Konstrukcje podziemne Posadoienie bezpośrednie Ściany oporoe

12 Problemy geotechniczne Ścianki szczelne Obudoa ykopó Konstrukcje podziemne

13 Problemy geotechniczne SKŁADOWISKA ODPADÓW -Składoanie odpadó poprzemysłoych i komunalnych - Zagospodaroanie terenó poprzemysłoych - Wykorzystanie odpadó poprzemysłoych budonictie

14 Problemy geotechniczne SKŁADOWISKA ODPADÓW

15 Geneza gruntu Dla gleboznacy... grunt (lub raczej gleba) jest substancją istniejącą na poierzchni ziemi, która umożliia rozój flory. Dla geologa... grunt jest cienką połoką na poierzchni ziemi (tam gdzie ystepują korzenie roślin i drze), pozostałą część skorupy ziemskiej określa się mianem skała, niezależnie od jej zięzłości. Dla inżyniera... grunt jest nieziązanym złożem mineralnych lub organicznych cząstek lub ziaren pokryającym znaczną częśc skorupy ziemskiej. Dla geotechnika grunt jest akumulacją nieziązanych lub słabo ziązanych cząstek mineralnych postała na skutek ietrzenia skał, pory pomiędzy cząstkami stałymi mogą być ypełnione odą lub/i poietrzem. Craig, 1996

16 Geneza gruntu Ciągły cykl ietrzenia, erozji, transportu, sedymentacji, cementacji, kruszenia i cementacji, rekrystalizacji, konsolidacji, metamorfizmu lub topnienia dla przetorzenia gruntu skałę. Ostatecznym produktem ietrzenia jest grunt

17 Zjaiska fizyczne gruncie-geneza gruntu Grunty torzą ierzchnią arstę litosfery, są to materiały postałe z ietrzenia fizycznego, chemicznego i organicznego oraz rozdrobnienia mechanicznego skał pierotnych. Wietrzenie fizyczne yołane jest głonie ahaniami temperatury, zamarzaniem ody porach a także działaniem rozsadzającym korzeni roślin. W yniku działania tych czynnikó skały ulegają osłabieniu i rozpadoi na bloki a następnie na coraz drobniejsze okruchy. Wietrzenie chemiczne pooduje rozpad skał oraz zmiany ich składzie chemicznym skutek procesó chemicznych zachodzących enątrz skał. Głónymi czynnikami yołującymi ietrzenie chemiczne jest oda oraz poietrze. Wietrzenie organiczne jest yołane przez procesy życioe zierząt i roślin. Procesy erozyjne i transport materiału poodują rozdrobnienie okruchó ystępujących skorupie ziemskiej oraz zmiany podłożu macierzystym

18 Zjaiska fizyczne gruncie-geneza gruntu Produkty ietrzenia lub rozdrobnienia skały pierotnej Naza frakcji Wietrzenie fizyczne Bloki kamienne i głazy ostrokraędziste Okruchy ostrokraędziste Ziarna ostrokraędziste Wietrzenie chemiczne Rozdrobnienie mechaniczne przy transporcie - głazy otoczone i otoczaki nie zietrzałe okruchy ostrokraędziste kryształy odporne na ietrzenie drobne kryształy skały pierotnej minerały iłoe okruchy obtoczone i ich ymiary Kamienista (ƒ k ) poyżej 40 mm Żiroa (ƒ ż ) 40 2 mm ziarna obtoczone Piaskoa (ƒ p ) mm mączka skalna postała przy obtaczaniu. okruchó bardzo drobne cząstki mączki skalnej o ymiarach poniżej mm Pyłoa (ƒ π ) 0,05 0,0002 mm Iłoa (ƒ i ) poniżej mm

19 Grunt jako ośrodek trójfazoy W gruncie yróżnia się: fazę stałą (ziarna i cząstki), fazę ciekłą (oda) i fazę gazoą (poietrze, para odna i gazy). Fazy ośrodku gruntoym: pęcherzyki poietrza, oda olna, cząstki stałe, oda błonkoa.

20 Grunt jako ośrodek trójfazoy Struktura gruntu jest to zajemny układ ziaren i cząstek gruntoych, torzących szkielet gruntoy. Zależy ona od jakości i ymiaró cząstek oraz od arunkó postaania gruntu. Rozróżnia się trzy typoe struktury gruntó: Ziarnistą Komórkoą Kłaczkoą Struktura ziarnista jest charakterystyczna dla piaskó i żiró o ziarnach ykazujących znikome zajemne przyciąganie. Struktura komórkoa jest charakterystyczna dla gruntó ilastych, odłożonych odzie bez uprzedniego skoaguloania się opadających cząstek. Struktura kłaczkoa postaje z cząstek praie yłącznie iłoych, opadających odzie z rozpuszczonymi solami.

21 Fizykochemiczne oddziałyanie cząstek gruntoych Miejscem ystępoania zjaisk natury fizykochemicznej jest poierzchnia graniczna będąca poierzchnią kontaktu pomiędzy fazą stałą (cząstkami) i fazą ciekłą (odą lub roztorem różnych ziązkó chemicznych) Wielkość poierzchni granicznej przeliczeniu na jednostkę objętości danego gruntu nazya się poierzchnią łaścią. Im drobniejsze są cząstki danego ośrodka, tym iększa jest jego poierzchnia łaścia i tym iększa jest jego aktyność fizykochemiczna. Zjaiska fizykochemiczne mają pły na: jakość i pracę gruntu, strukturę gruntu, ściśliości i ytrzymałości. Intensyność zjaisk zależy od: składu mineralnego ich ziaren i cząstek, składu chemicznego roztoru odnego znajdującego się porach gruntu, ielkości poierzchni granicznej.

22 Fizykochemiczne oddziałyanie cząstek gruntoych Warsta ody ziązanej składa się z dóch podarst: oda adsorboana (higroskopijna) torzy połokę -arstę kationó trale ziązanych z poierzchnią cząstki gruntu na skutek przyciągania molekuł odnych oda błonkoa ziązana słabiej z poierzchnią cząstki, przesua się z jednej cząstki na drugą niezależnie od siły ciężkości do chili yrónania grubości odnej na obu cząstkach. σ p Rozkład sił przyciągających odę ziązaną: 1 1 cząstka stała, oda adsorpcyjna (higroskopijna), 3 oda błonkoa, 4 oda olna, 2 4 x 5 ykres sił przyciągania molekularnego

23 Fizykochemiczne oddziałyanie cząstek gruntoych Warsta podójna jonoa jest to arsta jonó utierdzonych na poierzchni cząstki i arsta dyfuzyjna z adsorboanych jonó. Grubość arsty podójnej i arsty ody ziązanej zależy od: składu chemicznego cząstki stałej artościoości adsorboanych jonó. Na siłę przyciągania i odpychania cząstek gruntu ma pły: obecność lub brak arsty kationó między cząsteczkami (jedna arsta kationó osłabia zajemne przyciąganie cząstek, a każda kolejna pooduje, że przyciąganie cząstek jeszcze bardziej maleje). artościoości kationó adsorboanych (im iększa artościoość kationó, tym mniej jest ich arstie dyfuzyjnej, tym lepsze łaściości mechaniczne ma grunt).

24 Fizykochemiczne oddziałyanie cząstek gruntoych Iły zaierające kationy sodu mają dużą nasiąkliość ody i ykazują znaczne pęcznienie. Po ymianie na kationy o yższej artościoości (np. apnia), grubość arsty podójnej cząstkach zmniejsza się i iły mniej pęcznieją. Wymiany kationó użya się do zmocnienia iłó (yniki są tym lepsze im yższa artościoość proadzanych kationó).wymiany kationó można dokonać elektrochemicznie za pomocą prądu stałego (anody z aluminium, katody z miedzi). Bernatzik uzyskał ten sposób zrost kąta tarcia enętrznego z 23 o do 35 o raz ze znacznym spadkiem ściśliości. Jakość kationó i grubość błonek odnych ma bardzo duży pły na odoprzepuszczalność gruntó- im grubsze są błonki odne na cząstkach gruntu, tym mniejsza jest jego odoprzepuszczalność, gdyż coraz iększą objętość zajmuje oda błonkoa, mocno ziązana na poierzchni cząstek.

25 Fizykochemiczne oddziałyanie cząstek gruntoych Grunty o dużej poierzchni łaściej mają zdolność iązania jonó ciał rozpuszczonych odzie przy jednoczesnym oddaaniu do roztoru rónoażnej liczby jonó. Wymiana jonó zachodzi arstach ody ziązanej, a także sieci krystalicznej cząstek. Mechanizm ymiany jonó (kationó) zależy od charakteru sieci krystalicznej minerałó. Pojemność ymienna jonó jest to liczba ymiennych jonó, yrażonych milialentach na 100 gramó suchej masy gruntu Pojemność ymienna gruntó mieści się granicach mal/100g. Przykładoo, dla minerałó iłoych ynosi ona: Kaolinit Illit Montmorillonit 3-15 mal/100g mal/100g mal/100g

26 Fizykochemiczne oddziałyanie cząstek gruntoych Potencjał elektrokinetyczny ζ jest to różnica potencjału arstie dyfuzyjnej. Różnica potencjału pomiędzy poierzchnią cząstki a zenętrzną granicą arsty dyfuzyjnej nazya się potencjałem termodynamicznym ε. Wartość i znak potencjału elektrokinetycznego ζ zależy od: składu mineralnego cząstek gruntoych, ilgotności gruntu, jakości i ilości jonó znajdujących się roztorze odnym, ph roztoru odnego, zaiesiny, temperatury gruntu.

27 Fizykochemiczne oddziałyanie cząstek gruntoych Zjaiska elektrokinetyczne Przepły elektroosmotyczny jest to przemieszczenie penej części arsty dyfuzyjnej kationó, stycznie do arsty utierdzonej, pod płyem stałego prądu elektrycznego. Nastąpi ięc przepły ody kierunku elektrody o przecinym znaku. Zjaisko to zostało odkryte przez Reussa 1809 r. Elektroforezą lub elektrokataforezą nazyamy ędrókę cząstek stałych, mających potencjał elektrokinetyczny, do elektrody odmiennego znaku. Zjaiskiem odrotnym do elektroosmozy jest potencjał przepłyu. Został on odkryty dośiadczalnie przez Quincke, który przepuszczał odę destyloaną przez różne grunty i uzyskał obodzie zamkniętym prąd elektryczny o napięciu 6.9 dla piasku karcoego i 0.4 dla gliny.

28 Fizykochemiczne oddziałyanie cząstek gruntoych Zjaiska elektrokinetyczne Elektroosmozę można ykorzystać np. do osuszania gruntu, jego zmocnienia lub uszczelnienia. W Polsce stosoano elektroosmozę do zmacniania i uszczelniania piaskó przez kilkukrotne proadzenie roztoró szkła odnego oraz chlorku apnia. Elaktroosmoza zapenia przenikanie roztoru do poró bez potrzeby stosoania dużych ciśnień (jak przy iniekcjach); dłuższe stosoanie prądu przyśpiesza proces tardnienia żelu krzemionki. Zastosoanie elektroosmozy daje dobre yniki przy osuszaniu gruntó pyłoych i iłoych o małej odoprzepuszczalności. Przy zastosoaniu prądu elektrycznego o spadku napięcia 1 /cm uzyskuje się prędkość przepłyu ody około 5x10-5 cm/s, a ięc razy iększą od przepłyu hydraulicznego. Osuszanie piaskó tą metodą jest bezskuteczne, gdyż mają one iększe odoprzepuszczalności.

29 Fizykochemiczne oddziałyanie cząstek gruntoych Zjaisko tiksotropii polega na przechodzenia żelu zol i odrotnie, skutek mechanicznych oddziałyań (ibracji, strząsó, mieszania, działania ultradźiękó itp.) W torzeniu się żelu udział biorą szystkie cząstki zaiesiny, z których po penym czasie postaje ciągła struktura komórkoa. Właściości tiksotropoe mają grunty zaierające cząstki iłoe o rozmiarach koloidó < 0,0002 mm. Cząstki iłoe i koloidalne torzą pomiędzy iększymi ziarnami tiksotropoe spoio postaci ciągłej siatki przestrzennej, nadają gruntoi spoistość i ytrzymałość. Naruszenie struktury triksotropoej spoia gruntu skutek drgań i ibracji pooduje uplastycznienie gruntu, a naet jego upłynnienie. Niigata, 1964

30 Grunt jako ośrodek trójfazoy Pęcherzyki poietrza Woda błonkoa Poietrze a Woda Cząstki stałe m m d d Liczymy: Masę szkieletu, Objętość szkieletu, Objętość poró, Objętość poietrza, Gęstość. Wolna oda Mierzymy: Całkoitą objętość, Masę ody Całkoitą masę

31 Grunt jako ośrodek trójfazoy Pęcherzyki poietrza Woda błonkoa Poietrze a Woda m Cząstki stałe m d d Wolna oda d gdzie: - objętość gruntu p + a - objętość poró a d p d - objętość szkieletu gruntoego m m - masa gruntu ilgotnego - objętość ody a -objętość poietrza

32 Grunt jako ośrodek trójfazoy Cechy fizyczne gruntu można podzielić na podstaoe i od nich pochodne. Do podstaoych cech fizycznych gruntó zalicza się: ilgotność gęstość łaścią ρ s gęstość objętościoą ρ cechy te oznaczane są na podstaie badań laboratoryjnych Do pochodnych cech fizycznych gruntu zalicza się: gęstość objętościoą szkieletu gruntoego ρ d poroatość n i skaźnik poroatości e ilgotność całkoitą r i stopień ilgotności S r stopień zagęszczania I D i skaźnik zagęszczania I s skaźnik plastyczności I P stopień plastyczności I L

33 1.Wilgotnością gruntu nazyamy procentoy stosunek masy ody m zaartej jego porach do masy szkieletu gruntoego m d : gdzie: gdzie: m m d Grunt jako ośrodek trójfazoy 100% m - masa ody m d - masa szkieletu gruntoego m m m m c 100% m 1 - masa ilgotnej próbki gruntu raz z pojemnikiem, m 2 - masa ysuszonej próbki raz z pojemnikiem, m c - masa pojemnika m m d a Wilgotnością naturalna n nazyamy ilgotność, jaką ma grunt stanie naturalnym. d

34 Grunt jako ośrodek trójfazoy 2. Stopień ilgotności gruntu S r określa stopień ypełnienia poró gruntu odą. S r p ρ m p m d ρ d Zależnie od artości stopnia ilgotności gruntu S r rozróżniono następujące stany zailgocenia gruntó niespoistych: suchy S r 0 mało ilgotny 0 < S r 0.4 ilgotny 0.4 < S r 0.8 n sat Jeżeli S r 1 to grunt jest pełni nasycony. naodniony 0.8 < S r 1.0 γ 3. Ciężar objętościoy γ [kn/m 3 ]: [kn/m 3 ]: słodka W W γ γ kn γ m słona W ciężar gruntu, kn, W ciężar ody, kn. kn γ m m 3a. Ciężar objętościoy ody m s a s

35 ρ Grunt jako ośrodek trójfazoy 4. Gęstość objętościoa gruntu ρ, kg/m 3. m 5. Gęstość łaścia, szkieletu gruntoego ρ s [kg/m 3 ]: ρ s m d d 6. Ciężar łaściy, γ s [kn/m 3 ]: ρ γ γ ρ g piasek s s g grunt żir glina pył ił m m d ρ s [kg/m 3 ] a d γ s [kn/m 3 ]

36 Grunt jako ośrodek trójfazoy 7. Gęstość objętościoa, ρ d [kg/m 3 ] szkieletu gruntoego: ρ d ρ skąd: m d ρ m m md + m ρ ρd d m d d 100ρ md ρd + n ρd 100 Znajomość gęstości objętościoej szkieletu jest konieczna do obliczenia poroatości, skaźnika poroatości i skaźnika zagęszczenia nasypó. 8. Ciężar objętościoy, γ d [kn/m 3 ] szkieletu gruntoego: γ d γ m m d a d

37 9. Poroatość, n: n Grunt jako ośrodek trójfazoy p Wobec trudności bezpośredniego pomiaru objętości poró p i objętości szkieletu s ykorzystuje się metodę pośrednią, opartą na zależnościach ynikających z rysunku ykorzystując następujące zory: d + p n ρ m d s d md p d ρs 1 1 P + d ρd ρ s P -objętość poró d -objętość szkieletu 1,0 ρ m d d ρs ρd ρ s 1,0 1,0

38 Grunt jako ośrodek trójfazoy 10. Wskaźnikiem poroatości gruntu e nazyamy stosunek objętości poró p e do objętości cząstek gruntu (szkieletu gruntoego) d p d p p 1 p p n 1 n Pomiędzy skaźnikiem poroatości e a poroatością n istnieją zależności: e n n 100% e 100% 1+ e 1 n 1+e ρ s ρ ρ e d d gaz oda a nsr n Wskaźnik poroatości e gruntó niespoistych aha się granicach , a gruntach spoistych może być znacznie iększy. 1 szkielet gruntoy 11. Wilgotność stanie pełnego nasycenia odą sat : sat nρ 1 n ρ ( ) s 100 eρ ρ s 100%

39 Grunt jako ośrodek trójfazoy Układ kula nad kulą e 0.91; n Układ kula na trzech kulach e 0.35; n

40 Grunt jako ośrodek trójfazoy struktura gruntu Rozluzoany,ziarna o ostrych kraędziach Zagęszczony, ziarna o ostrych kraędziach Bardzo rozluzoany, e>0.90 Rozluzoany, e0.91 Zagęszczony, e0.35

41 Grunt jako ośrodek trójfazoy 12. Względny ciężar łaściy szkieletu gruntoego G s G s γ γ s ρ s ρ gaz a 1+e e oda nsr n 1 szkielet gruntoy Wzory yproadzone na podstaie poznanych definicji: S γ r d Gs 100% e Gsγ Gs 1+ S r γ S r d γ 1 + γ 1 100% γ G d s

42 Grunt jako ośrodek trójfazoy m m W d 1 + W d 1 + γ 1 S 100% G r γ d G s γ e 1 s γ Kilka prostych reguł i skazóek do roziązyania zadań: 1. Pamiętaj o podstaoych definicjach, e, ρ s, S r, etc. 2. Narysuj diagram trójfazoy (lub dufazoy). 3. Załóż d 1 lub t 1, jeżeli nie są dane. 4. Stosuj często: S r eρ ρ s d S re G s

43 Grunt jako ośrodek trójfazoy Przykład liczboy: Dana jest gęstość objętościoa gruntu ρ1.92 g/cm 3, ilgotność 13 %, gęstość łaścia szkieletu gruntoego ρ s 2.65 g/cm 3. Obliczyć: gęstość objętościoą szkieletu gruntoego ρ d, poroatość n, skaźnik poroatości e, gęstość objętościoą przy całkoitym nasyceniu poró odą ρ sr, ilgotność stanie całkoitego nasycenia poró odą r oraz stopień ilgotności gruntu S r. 100ρ g ρs ρd ρd 1.70 n cm ρs 2.65 ρs ρd e ρd 1.70 g ρ sr ρd + n ρ cm 100 ρ e n 12 r 21.09% Sr ρ s r czyli grunt ilgotny

44 Literatura Szymański A. Wykłady z mechaniki gruntó i budonicta ziemnego Wiłun Z. Zarys geotechniki Lambe T. W. Whitman R. (1976, 1977) Mechanika gruntó,tom I i II, Arkady, Warszaa erruijt A Soil Mechanics Coduto D.P Geotechnical Engineering. Coduto D.P Foundation design. Jarominiak A Lekkie konstrukcje oporoe. Myślińska E Laboratoryjne badania gruntó. Obrycki M., Pisarczyk S Zbiór zadań z mechaniki gruntó.