Skrypt z mechaniki gruntow prof Szymanski PDF

Preview

Summary

Skrypt potrzebny do rozwiązywania ćwiczeń oraz przydatny do egaminu....

Description

Alojzy Szymański

MECHANIKA GRUNTÓW

Wydawnictwo S GGW, Warszawa 2007

Sppi s trreśc i CZĘŚĆ ISPIS TREŚCI................................................................................................3 1

MIEJSCE I ZADANIA MECHANIKI GRUNTÓW W INŻYNIERII ........................7

2

PODSTAWOWE ZJAWISKA FIZYCZNE W GRUNCIE .....................................9

2.1

Powstawanie gruntu w złożu ..................................................................................................................9

2.1.1

Geneza gruntu.......................................................................................................................................9

2.1.2

Powstawanie obecnego stanu naprężenia ...........................................................................................12

2.2

Trójfazowa budowa gruntu, rodzaje cząstek i minerałów.................................................................15

2.2.1

Rodzaje cząstek i minerałów ..............................................................................................................16

2.2.2

Struktura gruntu ..................................................................................................................................19

2.3

Fizykochemiczne oddziaływanie cząstek gruntowych i wody............................................................21

2.3.1

Zjawiska fizykochemiczne na powierzchni granicznej.......................................................................21

2.3.2

Pojemność wymienna jonów ..............................................................................................................23

2.3.3

Potencjał elektrokinetyczny................................................................................................................24

2.3.4

Zjawiska elektrokinetyczne ................................................................................................................25

2.3.5

Zjawisko tiksotropii ............................................................................................................................26

3

KLASYFIKACJA GRUNTÓW I WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE ............................28

3.1

Uziarnienie i charakterystyki uziarnienia ...........................................................................................28

3.2

Parametry opisujące własności fizyczne ..............................................................................................35

3.2.1

Podstawowe cechy fizyczne gruntu ....................................................................................................36

3.2.2

Cechy fizyczne pochodne od cech podstawowych .............................................................................39

3.3

Parametry zagęszczania gruntów.........................................................................................................42

3.4

Parametry spoistości gruntów ..............................................................................................................45

3.5

Klasyfikacja gruntów ............................................................................................................................50

4

WODA W GRUNCIE.......................................................................................... 58

4.1 4.1.1

Rodzaje wód występujących w gruncie ...............................................................................................58 Woda w postaci pary ..........................................................................................................................59

3

4.1.2

Woda związana...................................................................................................................................59

4.1.3

Woda wolna – gruntowa .....................................................................................................................62

4.1.4

Woda wolna – wsiąkowa ....................................................................................................................64

4.1.5

Woda włoskowata – kapilarna............................................................................................................64

4.1.6

Stała faza wody – lód..........................................................................................................................66

4.1.7

Woda krystalizacyjna i woda chemicznie związana ...........................................................................66

4.2

Kapilarność ............................................................................................................................................67

4.3

Skurczalność i ekspansywność gruntu.................................................................................................72

4.3.1

Skurczalność.......................................................................................................................................72

4.3.2

Ekspansywność – pęcznienie gruntów................................................................................................75

4.4

Zjawiska mrozowe w gruncie ...............................................................................................................80

4.4.1

Przemarzanie gruntu ...........................................................................................................................80

4.4.2

Określenie głębokości przemarzania gruntów ....................................................................................82

4.4.3

Kryteria wysadzinowości gruntów .....................................................................................................83

5

CIŚNIENIE POROWE I NAPRĘŻENIE EFEKTYWNE ......................................86

5.1

Wypór wody w gruncie .........................................................................................................................86

5.2

Ciśnienie wody w porach oraz naprężenie całkowite i efektywne ....................................................86

6

PRZEPŁYW WODY W GRUNCIE .....................................................................92

6.1

Istota przepływu cieczy w gruncie........................................................................................................92

6.2

Filtracja. Prawo Darcy’ego...................................................................................................................93

6.3

Ograniczenia prawa Darcy’ego............................................................................................................95

6.4

Podstawowe równanie przepływu w gruncie.......................................................................................96

6.5

Siatka filtracyjna ...................................................................................................................................99

7

ZJAWISKA ZWIĄZANE Z RUCHEM WODY W GRUNCIE............................ 101

7.1

Ciśnienie spływowe..............................................................................................................................101

7.2

Spadek krytyczny ................................................................................................................................103

7.3

Zmiany w gruncie wywołane filtracją................................................................................................105

4

7.4

8

Zasady zabezpieczania gruntów przed szkodliwym działaniem filtracji........................................107

NAPRĘŻENIE W GRUNCIE ............................................................................110

8.1

Stan naprężenia w gruncie..................................................................................................................110

8.2

Naprężenie geostatyczne .....................................................................................................................112

8.3

Naprężenie powstałe wskutek działania obciążeń zewnętrznych ....................................................113

8.3.1

Rozkład naprężenia w gruncie od pionowej siły skupionej ..............................................................113

8.3.2

Rozkład naprężenia w gruncie od działania obciążenia ciągłego .....................................................115

8.3.3

Rozkład naprężenia pod fundamentami sztywnymi .........................................................................121

8.3.4

Rozkład naprężenia pod nasypami....................................................................................................124

8.4

Graficzna interpretacja naprężenia...................................................................................................125

8.4.1

Naprężenia główne ........................................................................................................................... 125

8.4.2

Koło Mohra.......................................................................................................................................126

8.4.3

Odwzorowanie stanu naprężenia w układzie p – q ...........................................................................127

8.4.4

Ścieżki naprężenia ............................................................................................................................128

9

ODKSZTAŁCALNOŚĆ GRUNTÓW ................................................................130

9.1

Opis stanu odkształcania.....................................................................................................................130

9.2

Ściśliwość gruntu .................................................................................................................................132

9.2.1

Opis zjawiska....................................................................................................................................132

9.2.2

Parametry charakteryzujące ściśliwość gruntu .................................................................................135

9.3

Konsolidacja gruntu............................................................................................................................139

9.3.1

Opis zjawiska....................................................................................................................................139

9.3.2

Parametry charakteryzujące konsolidację.........................................................................................143

9.4

Osiadanie gruntów...............................................................................................................................145

9.4.1

Obliczanie osiadań początkowych....................................................................................................146

9.4.2

Obliczanie osiadań konsolidacyjnych...............................................................................................148

9.4.3

Obliczanie osiadań wtórnych............................................................................................................149

10

WYTRZYMAŁOŚĆ GRUNTU NA ŚCINANIE ..............................................150

10.1

Warunek zniszczenia Coulomba – Mohra.........................................................................................150

10.2

Badania wytrzymałości gruntu na ścinanie.......................................................................................153

10.2.1

Badania laboratoryjne ..................................................................................................................153

5

10.2.2 10.3

Badania terenowe.........................................................................................................................159

Wyniki badań wytrzymałości gruntu na ścinanie.............................................................................164

10.3.1

Wyniki badań wytrzymałości gruntów niespoistych....................................................................164

10.3.2

Wyniki badań wytrzymałości gruntów spoistych ........................................................................166

11

PARCIE I NOŚNOŚC GRUNTU ..................................................................172

11.1

Stany oddziaływania gruntu ...............................................................................................................172

11.2

Parcie spoczynkowe.............................................................................................................................178

11.3

Parcie czynne i bierne .........................................................................................................................179

11.3.1

Metoda Rankine’a........................................................................................................................180

11.3.2

Metoda Coulomba........................................................................................................................184

11.4

Parcie pośrednie gruntu......................................................................................................................186

11.5

Parcie silosowe .....................................................................................................................................190

11.6

Nośność podłoża gruntowego..............................................................................................................192

11.6.1

Przebieg odkształceń obciążonego podłoża .................................................................................192

11.6.2

Obciążenie krytyczne...................................................................................................................195

11.6.3

Obciążenie graniczne ...................................................................................................................198

12

LITERATURA ..............................................................................................200

6

1 MIEJSCE I ZADANIA MECHANIKI GRUNTÓW W INŻYNIERII Szybki postęp w inżynierii obejmującej budownictwo lądowe i hydrotechniczne oraz bezpieczne składowanie odpadów i techniczną infrastrukturę terenu spowodował w ostatnich latach znaczący rozwój metod obliczeniowych posadowień budowli oraz oceny ich wpływu na stan terenów przyległych. Właściwe rozpoznanie podłoża i określenie właściwości fizycznych i mechanicznych poszczególnych warstw gruntu w nim występujących stanowi warunek konieczny w poprawnym działaniu inżynierskim a w szczególności w obszarze działań geotechnicznych. Geotechnika jest bowiem nauką o pracy i badaniach ośrodka gruntowego. W skład geotechniki jako nauki interdyscyplinarnej wchodzą: geologia inżynierska, mechanika gruntów i fundamentowanie oraz geotechnika środowiska. Mechanika gruntów obejmuje zatem 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. Stanowi więc teoretyczną część geotechniki, dziedziny działalności inżynierskiej obejmującej roboty ziemne,

fundamentowanie,

budowle

i

konstrukcje

ziemne

oraz

wzmacnianie

i uszczelnianie podłoża. Mechanika

gruntów

wykorzystywana

jest

w

rozwiązywaniu

problemów

geotechnicznych w zakresie: •

projektowania i wykonywania budowli ziemnych,

•

projektowania posadowień budowli,

•

bezpiecznego składowania odpadów,

•

posadowień budowli w warunkach specjalnych. Szczegółową charakterystykę zastosowań mechanicznych gruntów w rozwiązywaniu

zagadnień inżynierskich podano na rysunku 1.1.

7

WYKORZYSTANIE MECHANIKI GRUNTÓW W ROZWIĄZYWANIU PROBLEMÓW GEOTECHNICZNYCH PROJEKTOWANIE I WYKONAWSTWO BUDOWLI ZIEMNYCH

POSADOWIENIE BUDOWLI NA GRUNTACH

- dobór materiału do budowy zapór ziemnych, wałów, grobli, dróg, itp. - wybór metod obliczania stateczności i odkształceń - badanie i dobór parametrów do obliczeń - kontrola stanu technicznego budowli

- rozpoznanie właściwości podłoża - wybór metody posadowienia - wzmacnianie podłoża - dobór metod obliczeniowych w projektowaniu

SKŁADOWISKA

SPECJALNE

ODPADÓW

PROBLEMY

- składowanie odpadów poprzemysłowych i komunalnych - wykorzystanie odpadów poprzemysłowych w budownictwie

- posadowienie budowli na gruntach ekspansywnych - dynamiczne odciążenia gruntów

- zagospodarowanie terenów poprzemysłowych

Rysunek 1.1. Zastosowanie mechaniki gruntów w inżynierii

8

2 PODSTAWOWE ZJAWISKA FIZYCZNE W GRUNCIE 2.1 Powstawanie gruntu w złożu Geneza gruntu obejmuje powstawanie gruntu jako ośrodka rozdrobnionego zbudowanego z cząstek zerodowanych skał w wyniku procesów wietrzenia, transportu, sedymentacji i diagenezy oraz powstawanie aktualnego stanu naprężenia w złożu poprzez zmianę jego składowych w trakcie zmian obciążenia w historycznym procesie tworzenia się gruntów.

2.1.1 Geneza gruntu Grunty tworzą wierzchnią warstwę litosfery, są to materiały powstałe z wietrzenia fizycznego,

chemicznego

i

organicznego

oraz

rozdrobnienia

mechanicznego

skał

pierwotnych. Skały składają się z różnych minerałów. Głównymi składnikami są: kwarc, skalenie, kalcyt, dolomit, mika, krzemiany. Wietrzenie skał jest procesem długotrwałym, odbywającym się od miliardów lat i trwającym także obecnie (Pisarczyk, 1999). 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, które na...