Mechanika gruntów - Polski Serwis Naukowy

Grunt składa się z trzech faz stałej, ciekłej i gazowej.

Mechanika gruntu jest dyscypliną, 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.

Osuwisko - nagłe przemieszczenie się mas ziemnych, powierzchniowej zwietrzeliny i mas skalnych podłoża spowodowane siłami przyrody lub działalnością człowieka (podkopanie stoku lub jego znaczne obciążenie). Jest to rodzaj ruchów masowych, polegający na przesuwaniu się materiału skalnego lub zwietrzelinowego wzdłuż powierzchni poślizgu (na której nastąpiło ścięcie), połączone z obrotem. Ruch taki zachodzi pod wpływem siły ciężkości. Osuwiska są szczególnie częste w obszarach o sprzyjającej im budowie geologicznej, gdzie warstwy skał przepuszczalnych i nieprzepuszczalnych występują naprzemiennie. Miejsca występowania osuwisk to naturalne stoki i zbocza dolin i zbiorników wodnych, obszary źródłowe rzek (gdzie erozja wsteczna zwiększa spadek terenu), skarpy wykopów i nasypów oraz wyrobisk.

Porowatość skały lub gruntu w geologii to zawartość pustych przestrzeni - porów. Pory to mikroskopijne otwory w strukturze ciał organicznych lub nieorganicznych.

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). W 1948 roku wprowadzone zostało przez Karla Terzaghi'ego pojęcie naprężenia efektywnego (σ' ), której jest jednym z najważniejszych jego wkładów w mechanikę gruntów.

Grawitacja (ciążenie powszechne) - jedno z czterech oddziaływań podstawowych, będące zjawiskiem naturalnym polegającym na tym, że wszystkie obiekty posiadające masę oddziałują na siebie wzajemnie przyciągając się.

Naprężenie poziome w gruncie jest naprężeniem, które wywiera ciężar gruntu w płaszczyźnie poziomej. Najczęstsze zastosowanie znajduje w geotechnice w projektowaniu ścian oporowych, piwnic, tuneli oraz określaniu tarcia pomiędzy gruntem a ścianami głębokich posadowień.

Grunt jest traktowany jako mechanicznie homogeniczna mieszanka trzech faz:

stałej (reprezentującej szkielet ziarnowy) oraz wypełniających pory
ciekłej
gazowej.

Oddziaływania pomiędzy poszczególnymi fazami są tu bardziej złożone niż w przypadku jednorodnych materiałów. Wyniki obliczeń własności tych materiałów służą projektowaniu posadowień, nasypów, wykopów i innym projektom inżynieryjnym.

Wiązanie chemiczne według klasycznej definicji to każde trwałe połączenie dwóch atomów. Wiązania chemiczne powstają na skutek uwspólnienia dwóch lub więcej elektronów pochodzących bądź z jednego, bądź z obu łączących się atomów lub przeskoku jednego lub więcej elektronów z jednego atomu na atom i utworzenia w wyniku tego tzw. pary jonowej.

nośność gruntu – w geotechnice, mechanice gruntów jest zdolnością gruntu do przenoszenia obciążeń, jakim ten grunt podlega. Według Polskiej Normy PN-81/B-03020 w obliczeniach nośności uwzględnia się najbardziej niekorzystny wariant odkształcenia podłoża. Naprężenie graniczne to teoretyczne maksymalne naprężenie, które może być przenoszone przez grunt bez jego zniszczenia. Natomiast dopuszczalne naprężenie to naprężenie graniczne podzielone przez współczynnik bezpieczeństwa F. Dwie podstawowe przyczyny awarii budowlanych to osiadanie właściwe oraz osiadanie wskutek uplastycznienia gruntu wynikającego z naprężeń ścinających. Warianty te są wyrażone za pomocą stanów granicznych.

Niektóre z podstawowych teorii mechaniki gruntu to klasyfikacja gruntów, wytrzymałość na ścinanie, konsolidacja gruntu, naprężenia efektywne i całkowite, nośność gruntu, stateczność zboczy i wodoprzepuszczalność. Fundamenty, nasypy, ściany oporowe, roboty ziemne i podziemne wszystkie są projektowane zgodnie z teoriami mechaniki gruntów.

Zygmunt Glazer (ur. 1 maja 1922 w Łodzi, zm. 26 października 2011 w Warszawie) – polski geolog, profesor zwyczajny inżynier, specjalista mechaniki gruntów i geotechniki, współtwórca tzw. warszawskiej szkoły geologii inżynierskiej, budowniczy Warszawy.

Geomechanika - gałąź wiedzy zajmująca się zastosowaniem zasad mechaniki do obliczania reakcji skał na odkształcenia spowodowane działalnością górniczą.

Podstawowe zagadnienia mechaniki gruntów

Naprężenia w gruncie

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. Istnieje wiele empirycznych i analitycznych teorii służących określaniu poziomego naprężenia.

Charles Augustin de Coulomb (wym. szarl ogustę de kulą) (ur. 14 czerwca 1736 w Angouleme - zm. 23 sierpnia 1806 w Paryżu) - francuski fizyk, od którego nazwiska pochodzi prawo Coulomba i jednostka ładunku elektrycznego - kulomb.

Konsolidacja - lub ściśliwość gruntu w mechanice gruntów proces zagęszczania gruntu pod własnym lub zewnętrznym obciążeniem. Konsolidacji ulegają różne grunty mineralne (szczególnie istotna jest ona w przypadku iłów i innych gruntów spoistych) oraz organiczne (np. torf, gytia i inne). Mechanizm konsolidacji oparty jest na zmniejszaniu się przestrzeni porowej (a więc też objętości gruntu) i dyssypacji wody i przyjmuje się, że ma odmienny charakter w przypadku gruntów mineralnych oraz organicznych.

Nośność gruntu

Osobny artykuł: Nośność gruntu.

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. W takich przypadkach dla ustalenia maksymalnej nośności bierze się pod uwagę maksymalne dopuszczalne osiadanie.

Współczynnik bezpieczeństwa n - liczba mówiąca, ile razy naprężenie σ występujące podczas normalnej pracy konstrukcji jest mniejsze od naprężenia niebezpiecznego σn.

Ścinanie – odkształcenie ciała spowodowane naprężeniem stycznym do jego powierzchni. W ujęciu inżynierskim w wytrzymałości materiałów ścinanie traktuje się również jako stan obciążenia spowodowany takimi naprężeniami. Naprężenie styczne do powierzchni ciała nazywane jest naprężeniem ścinającym.

Wytrzymałość na ścinanie

Osobny artykuł: Wytrzymałość gruntu na ścinanie.

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. Wartości wytrzymałości na ścinanie są wykorzystywane dla rozwiązywania tych problemów inżynierskich przez metody analityczne i numeryczne.

Uziarnienie (skład granulometryczny, granulacja) - to rozkład wielkości ziaren rozdrobnionego materiału. Uziarnienie określa się w laboratorium, badając procentową zawartość poszczególnych frakcji w ogólnej masie kruszywa lub gruntu.

Naprężenie całkowite (σ) jest równe naciskowi nadkładu lub inaczej naprężeniu, które jest powodowane przez ciężar gruntu włączając w to wszelkie inne siły (np. ciężar obiektu budowlanego).

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. węglanu wapnia).

Fundament – element konstrukcyjny przekazujący na podłoże gruntowe całość obciążeń budowli lub maszyn (w przypadku fundamentu pod maszynę, urządzenie) wykonany z betonu, żelbetu, murowany z cegieł lub kamieni, rzadziej z drewna (budowle lekkie). Pod wpływem przekazywanych obciążeń dochodzi do odkształceń gruntu, co z kolei powoduje osiadanie budowli. W związku z tym, dobór odpowiedniego rozwiązania fundamentu (sposobu posadowienia budynku) ma zapewnić:

Kąt tarcia wewnętrznego szkieletu ziarnowego oznaczany symbolem φ jest jednym z parametrów wytrzymałości na ścinanie skał i gruntów (pokrewnym parametrem jest spoistość). Kąt tarcia wewnętrznego zależy od składu mineralnego, stopnia obtoczenia i wysortowania cząsteczek a także ich wzajemnego ułożenia, czyli stopnia zagęszczenia.

Ściśliwość gruntu

Osobny artykuł: Konsolidacja (mechanika gruntów).

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.

Grunt budowlany - część skorupy ziemskiej współpracująca lub mogąca współpracować z obiektem budowlanym, stanowiąca jego część lub służąca jako tworzywo do wykonywania budowli ziemnych.

Stateczność zboczy – jedno z podstawowych zagadnień geotechniki. Zbocze jest stateczne, gdy nie występują w nim ruchy masowe, takie jak osuwiska czy zsuwy. Miarą stateczności jest stosunek sił lub momentów sił dążących do zachowania równowagi do sił lub momentów sił dążących do osunięcia. Ocena stateczności skarp i zboczy polega na wyznaczeniu minimalnego wskaźnika stateczności F i porównaniu go ze wskaźnikiem dopuszczalnym dla danej konstrukcji. Zbocze jest uważane za stabilne, gdy F > 1, czyli siły stawiające opór przemieszczeniu są większe niż siły dążące do przemieszczenia mas gruntu, jednak wymagane wskaźniki dla różnych budowli wahają się zazwyczaj w granicach 1,2–1,5. Zagadnienie oceny stateczności skarp i zboczy obejmuje analizę statycznej i dynamicznej stabilności zboczy zapór, nasypów, wykopów itd.

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 wtórej ściśliwości. Grunt, z którego zostało usunięte wcześniej przyłożone obciążenie jest nazywany przekonsolidowanym. Ma to miejsce w przypadku (plejstoceńskich) glin lodowcowych. Grunt, który nie został wcześniej poddany obciążeniom nazywany jest normalnie skonsolidowanym i przykładem mogą być współczesne osady rzeczne.

Zapora ziemna - to zapora inżynieryjna wykonana w gruncie ręcznie, mechanicznie lub przy użyciu materiałów wybuchowych. Do najważniejszych zapór ziemnych zaliczamy:

Wytrzymałość gruntu na ścinanie w geotechnice, mechanice gruntów oznacza maksymalną siłę ścinającą lub też maksymalny opór stawiany tej sile przez grunt, po przekroczeniu którego dochodzi do znacznej deformacji plastycznej.

Stateczność zboczy

Osobny artykuł: Stateczność zboczy.

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. Wiele osuwisk jest jedynie analizowana już po fakcie utraty równowagi.

Minerał (fr. minéral, od celt. mina – kopalnia) – pierwiastek lub związek chemiczny będący normalnie ciałem krystalicznym, którego struktura ukształtowała się w wyniku procesów geologicznych. Do minerałów zalicza się także:

Homogenizacja (gr. homogenes - jednorodny) polega na wytwarzaniu jednolitej mieszaniny z niemieszających się ze sobą w warunkach normalnych składników.

Badania laboratoryjne

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. Badania cech mechanicznych przeprowadza się między innymi za pomocą urządzeń do ścinania prostego, trójosiowego ściskania stosując różne warunki drenowania (drenowane i niedrenowane), wielkości obciążenia, rozpiętość ciśnienia komory, następstwa obciążeń w celu określenia wytrzymałości na ściskanie, wytrzymałości na ścinanie, maksymalnej wytrzymałości itp.

Mur oporowy – samodzielna budowla w postaci ściany, wykonana z betonu, cegieł, pustaków, kamieni, gabionów lub bloków betonowych ułożonych na zaprawie lub na sucho. Pionowy element konstrukcyjny w postaci podłużnego filara przyściennego, o ukośnie ściętym lub uskokowym boku zewnętrznym, służący do zabezpieczenia, wzmocnienia ściany budynku skarpy, nabrzeża lub wolno stojącego muru. Mur oporowy przenosi napór zabezpieczanego obiektu budowli na podłoże. Nośność muru oporowego może być zwiększona poprzez zbrojenie prętami, siatkami, elementami żelbetowymi lub stalowymi.

Ciecz – stan skupienia materii – pośredni między ciałem stałym a gazem, w którym ciało fizyczne trudno zmienia objętość, a łatwo zmienia kształt. Wskutek tego ciecz przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje, ale w przeciwieństwie do gazu nie rozszerza się, aby wypełnić je całe. Powierzchnia styku cieczy z gazem lub próżnią nazywa się powierzchnią swobodną cieczy.

Literatura

Glazer Z., Mechanika gruntów, (1985), ISBN 83-220-0206-8
Wiłun Z., Zarys Geotechniki, (1976), ISBN 83-206-1354-X
Das, Braja, Advanced Soil Mechanics ISBN 1-56032-562-3
Terzaghi, K., Theoretical Soil Mechanics, (1943), John Wiley and Sons, New York
Craig, R.F., Soil Mechanics, (1974), ISBN 0-419-22450-5
Powrie, W., Soil Mechanics, (1997), ISBN 0-415-31156-X