Wilgotność w Mechanice Gruntów
- Szczegóły
Poznanie właściwości fizycznych gruntów jest ważne z perspektywy wielu różnych branż. Bardzo dużą wagę przykłada do tego zwłaszcza branża budowlana. Wilgotność jest jednym z podstawowych parametrów gruntu, który warto znać przed przystąpieniem do realizacji prac budowlanych. Dzięki temu możliwe jest zapewnienie nośności i stabilności podłoża pod budynek.
Od wilgotności zależy bowiem stopień zagęszczenia gruntu. Warto też pamiętać, że budownictwo mieszkalne to niejedyne inwestycje wymagające badania wilgotności gruntu. Ten parametr określany jest również dla budownictwa liniowego, na przykład torów kolejowych, dróg i autostrad. Badania te wykonuje się także przy zaawansowanych robotach ziemnych, na przykład tworzeniu nasypów i stabilizacji skarp głębokich wykopów.
Definicje i podstawowe pojęcia
Wilgotnością naturalną (wn) nazywamy stosunek masy wody zawartej w danej próbce gruntu w warunkach naturalnych do masy szkieletu gruntowego tej próbki. Naturalna wilgotność gruntu to parametr wskazujący jaką zawartość wody ma grunt występujący w przyrodzie, bez żadnej ingerencji.
Gęstością objętościową (ρ) gruntu nazywa się stosunek masy próbki gruntu (w stanie naturalnym) do jej objętości. ρ - gęstość objętościowa [t/m3, g/cm3], mm - masa próbki gruntu w stanie naturalnym [t, g], V - objętość badanej próbki gruntu [m3, cm3]. Gęstość objętościowa jest jednym z parametrów charakteryzujących strukturalno-teksturalne właściwości gruntów. Jej wartość zależy od składu mineralnego, porowatości i wilgotności gruntów.
Gęstością właściwą (ρs) szkieletu gruntowego nazywamy stosunek masy szkieletu gruntowego do jego objętości. Gęstość właściwa szkieletu gruntowego zależy od składu mineralnego gruntu i domieszek, które zawiera.
Przeczytaj także: Poradnik: walka z wilgocią w mieszkaniu
Metody oznaczania wilgotności gruntu
Określany jest na podstawie testu polegającego na ważeniu próbki. Pobrana gleba umieszczana jest w naczyniu o znanej masie i ważona. Następnie poddawana jest suszeniu z użyciem wysokiej temperatury. Gdy próbka osiągnie konsystencję stałej masy, jest studzona i ponownie ważona, a średnia arytmetyczna odczytów wskazuje wynik badania.
Innym sposobem badania wilgotności gruntu jest użycie aparatu Proctora. W ten sposób możliwe jest określenie wilgotności optymalnej. To poziom, który pozwala na osiągnięcie maksymalnego zagęszczenia. Aparat Proctora to ubijak, w którym umieszczane są próbki. Następnie dolewa się do nich wody i ubija tłokami. Cały proces składa się z kilku cykli, za każdym razem ilość dolewanej wody jest inna. Wyniki każdego cyklu nanoszone są na wykres.
Spośród wymienionych powyżej metod oznaczania gęstości objętościowej metoda pierścienia tnącego jest metodą najprostszą, najszybszą i przy dokładnym wykonaniu oznaczenia pozwala również na uzyskanie bardzo dokładnych wyników. Należy więc ją stosować zawsze tam, gdzie rodzaj, stan gruntu oraz jego ilość na to pozwalają.
W większości przypadków stosuje się metodę piknometru opisaną w normie PN-88/B-04481. Metoda ta pozwala uzyskać miarodajne wyniki pod warunkiem bardzo dokładnego ważenia i odpowietrzenia próbki (zwłaszcza dla gruntów spoistych). Polska norma PN-88/B-04481 zaleca gotowanie próbki w celu odpowietrzenia.
Metody badania gęstości objętościowej
- Pierwsze trzy metody stosuje się przy badaniu gruntów spoistych.
- Drugą i trzecią również dla gruntów skalistych.
- Metodę czwartą - przy badaniu gruntów niespoistych.
Wilgotność optymalna i zagęszczanie gruntu
Jednym z najważniejszych elementów skutecznego przygotowania podłoża w budownictwie drogowym jest odpowiednie zagęszczenie gruntu. Proces ten znacząco wpływa na nośność, trwałość oraz odporność konstrukcji na czynniki atmosferyczne i obciążenia dynamiczne. Optymalna zawartość wilgoci w podłożu to poziom nasycenia gruntu wodą, przy którym cząstki gruntu najefektywniej układają się i zbliżają do siebie podczas zagęszczania.
Przeczytaj także: Wakacje w Bodrum
Zbyt suchy grunt nie daje się skutecznie zagęszczać - cząstki nie przylegają do siebie i powstają puste przestrzenie. Optymalna wilgotność gruntu to warunek prawidłowego zagęszczenia, który wpływa na nośność, trwałość i odporność konstrukcji drogowych. Polskie normy techniczne, przede wszystkim PN‑S‑02205:1998 „Drogi samochodowe. Roboty ziemne. Wymagania i badania”, definiują parametry oraz metody oceny, które zapewniają zgodność realizacji z dokumentacją projektową.
Ponieważ gęstość gleby jest różna, optymalna wilgotność również się różni. Najczęściej stosowaną metodą laboratoryjną do wyznaczenia optymalnej wilgotności jest test Proctora (standardowy lub zmodyfikowany) zgodnie z PN‑S‑02205:1998 (oraz PN‑EN 13286‑2). Polega on na zagęszczaniu próbki podłoża z różnymi zawartościami wody i wyznaczeniu punktu, w którym gęstość sucha osiąga wartość maksymalną.
W warunkach terenowych, gdzie szybka decyzja jest kluczowa, stosuje się test ręczny. Polega on na uformowaniu kulki z garści gruntu. Jeżeli próbka łatwo się formuje i nie rozpada, wilgotność jest zbliżona do optymalnej. Gdy grunt się rozsypuje - jest zbyt suchy. Podczas robót ziemnych zawartość wilgoci w gruncie często się zmienia w wyniku warunków atmosferycznych. Gdy grunt jest zbyt suchy, należy zastosować nawilżanie, np. Zagęszczenie gruntu przy optymalnej wilgotności zapewnia stabilną i nośną warstwę konstrukcyjną. Dzięki temu podłoże lepiej znosi obciążenia, minimalizuje osiadanie i ogranicza zjawiska erozji czy pękania nawierzchni.
Zależność pomiędzy gęstością objętościową szkieletu gruntowego (ρd) a wilgotnością przy stałej energii zagęszczania oraz metodę określania wilgotności optymalnej wopt, przy której uzyskuje się największe zagęszczenie gruntu (ρds) dla określonej energii opracował Proctor. Udowodnił, że maksymalne zagęszczenie jest tym większe, im większa jest energia zagęszczania, oraz że wartości wopt i ρds zależą od rodzaju gruntu.
Do wyznaczania wilgotność optymalnej Proctor zaproponował próbę odtwarzającą technologiczny proces zagęszczania gruntu (na budowie). Próba ta polega na ubijaniu gruntu w znormalizowany sposób w pojemniku walcowym.
Przeczytaj także: Poradnik pomiaru wilgotności
Optymalna wilgotność to warunek niezbędny dla skutecznego zagęszczenia gruntu. Jej wyznaczenie i bieżąca kontrola powinny stanowić standard w każdej inwestycji ziemnej i drogowej.
Stopień wilgotności i stany zawilgocenia gruntów
Ilość wody w glebie można wyrażać za pomocą stopnia wilgotności Sw (stopień nasycenia). Parametr ten określa stopień wypełnienia porów przez wodę i może zmieniać się w przedziale <0;1>. W normie PN-81/B-02480 występuje podział gruntów z uwagi na stopień nasycenia.
Wilgotność jest to wielkość określająca ilość dowolnej cieczy bądź pary tej cieczy zawartej w stałej lub gazowej substancji. Wilgotność gleby, wilgotność gruntu wyraża ilość wody w gruncie (glebie). Zasobność gleby (gruntu) w wodę jest wyrażona wilgotnością poszczególnych warstw jej profilu. Wartość ta definiuje zawartość wody w sensie wagowym i najczęściej wyrażany jest w procentach. Może przyjmować wartości więcej niż 100% i zmienia się w granicach od 0 do wsr.
Mechanika Gruntów
Mechanika gruntu - dyscyplina, która stosuje zasady mechaniki inżynieryjnej np. kinematyki, dynamiki, mechaniki cieczy i mechaniki materiałów na potrzeby przewidywania mechanicznych zachowań gruntów. Wspólnie z mechaniką skał (geomechaniką) jest podstawą w rozwiązywaniu wielu problemów inżynierskich (inżynierii geotechnicznej) i geologii inżynierskiej.
Klasyczna mechanika gruntów stosuje ten sam model, który został zastosowany w 1776 roku przez C. A. Coulomba, choć znany był już wcześniej. Model ten został zastosowany do analizy pasywnego i aktywnego nacisku gruntu na ściany oporowe. Grunt pozostaje sztywny, nienaruszony do momentu, gdy wzdłuż pewnej płaszczyzny siły ścinania przekroczą panujące tam siły spoistości (c) i tarcia wewnętrznego (Φ).
Oddziaływania pomiędzy poszczególnymi fazami są tu bardziej złożone niż w przypadku jednorodnych materiałów. Niektóre z podstawowych teorii mechaniki gruntu to klasyfikacja gruntów, wytrzymałość na ścinanie, konsolidacja gruntu, naprężenia efektywne i całkowite, nośność gruntu, stateczność zboczy i wodoprzepuszczalność.
Podstawowe znaczenie mają: naprężenie pierwotne, naprężenie efektywne, naprężenie całkowite i naprężenie wtórne. Teoria poziomych naprężeń w ziemi jest stosowana dla ustalania składnika naprężeń w gruncie prostopadłego do kierunku grawitacji. Jest to naprężenie oddziaływające na ściany oporowe.
Współczynnik naporu poziomego do pionowego k jest określony dla niespoistych gruntów jako stosunek poziomego naprężenia do naprężenia pionowego. Istnieją trzy współczynniki: spoczynkowy, aktywny i pasywny. Naprężenie w stanie spoczynku jest poziomym naprężeniem zanim struktura gruntu zostanie naruszona. Stan naprężenia aktywnego jest osiągany, gdy ściana wskutek działania poziomego naprężenia zostanie odsunięta od gruntu i zniszczenia ścinającego powstającego wskutek zmniejszenia poziomego naprężenia. Stan pasywny jest osiągany, gdy ściana jest wepchnięta wystarczająco głęboko w grunt tak, że wskutek zwiększenia naprężenia poziomego następuje zniszczenie ścinające.
Nośność gruntu jest średnim naprężeniem przyłożonym na granicy pomiędzy fundamentem a gruntem, który powoduje zniszczenie ścinające (patrz dział poniżej). Dopuszczalne naprężenie graniczne to naprężenie graniczne podzielone przez współczynnik bezpieczeństwa F. Na terenie charakteryzującym się gruntem o znacznej ściśliwości (np. torfy) pod obciążonymi fundamentami mogą pojawić się znaczne osiadania bez zniszczenia ścinającego.
Większość problemów w geotechnice np. nośność płytkich i głębokich posadowień, stateczność skarp, projektowanie ścian oporowych, upłynnienie gruntu itd., jest związanych z wytrzymałością gruntu na ścinanie. Wytrzymałość na ścinanie w gruntach jest efektem oporu na przesuwanie na kontaktach pomiędzy cząsteczkami wynikającego z zazębiania się i wzajemnego blokowania cząsteczek, fizycznych wiązań (takich jak oddziaływanie sił atomowych, co następuje, gdy atomy na powierzchniach cząsteczek dzielą wspólne elektrony) czy wiązań chemicznych (na przykład cementacji - w wyniku krystalizacji minerałów np.
Ściśliwość jest procesem, w którym następuje zmniejszenie objętości. Następuje ono, gdy nacisk jest przyłożony do gruntu, który powoduje zwiększenie upakowania cząsteczek gruntu. Gdy następuje to, gdy grunt jest nasiąknięty, woda zostanie z niego wyciśnięta. Wielkość ściśliwości może być przewidziana na podstawie różnych metod. Klasyczna metoda zapoczątkowana przez Karla Terzaghiego wiąże się z badaniami edometrycznymi i określeniem współczynnika ściśliwości.
Gdy naprężenie jest zdejmowane z obciążonego gruntu, nastąpi rozprężenie gruntu i objętość gruntu zwiększy się o pewną część utraconej wcześniej wielkości. Jeżeli naprężenie jest ponownie przyłożone grunt zostanie ponownie ściśnięty, co może być określone za pomocą wskaźnika wtórnej ściśliwości. Grunt, z którego zostało usunięte wcześniej przyłożone obciążenie jest nazywany prekonsolidowanym. Ma to miejsce w przypadku (plejstoceńskich) glin lodowcowych.
Dział stateczności zboczy obejmuje analizę statycznej i dynamicznej stateczności zboczy zapór ziemnych, nasypów, wykopów i naturalnych zboczy. W zboczach skarp często mogą się rozwinąć strefy osłabień o cylindrycznym kształcie. Prawdopodobieństwo takich zdarzeń może być ocenione na podstawie dwuwymiarowej analizy zbocza. Podstawową trudnością przy takiej analizie jest dla danej sytuacji lokalizacja najbardziej prawdopodobnych płaszczyzn przemieszczeń.
Badania laboratoryjne w geotechnice przeprowadza się w celu określenia fizycznych i mechanicznych cech gruntów. Przykładem fizycznych cech jest uziarnienie, wilgotność, granice skurczalności, plastyczności i płynności, stopień i wskaźnik plastyczności itp. (inżynieria leśna, gruntoznawstwo), przy zagęszczeniu tego samego gruntu w jednakowy sposób i z jednakową energią uzyskuje się różne zagęszczenie, zależnie od wilgotności gruntu.
tags: #wilgotność #mechanika #gruntów
