Mechanika gruntów

Z Wikipedii

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 jest podstawą w rozwiązywaniu wielu problemów inżynierskich (inżynierii geotechnicznej), inżynierii geofizycznej i geologii inżynierskiej.

Zakłada, że grunt jest mechanicznie homogeniczną mieszanką trzech faz: (1) stałej (reprezentującej szkielet ziarnowy) oraz wypełniających pory - (2) ciekłej i (3) 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. Klasyczna mechanika grutów stotuje 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. Według niego osad pozostaje sztywny, nienaruszony do momentu, gdy wzdłuż pewnej płaszczyzny siły ścianania przekroczą panujące tam siły spoistości (c) i tarcia wewnętrznego (Φ).

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 ziamne i podziemne wszystkie są projektowane zgodnie z teoriami mechaniki gruntów.

Spis treści 1 Naprężenie efektywne 2 Wytrzymałość na ścinanie 3 Badania laboratoryjne 4 Ściśliwość 5 Naprężenia poziome 6 Nośność 7 Stateczność zboczy 8 Literatura

[edytuj] Naprężenie efektywne

W prowadzone w 1948 roku pojęcie naprężenia efektywnego (σ ') jest jednym z najważniejszych wkładów Karla Terzaghi'ego w mechanikę gruntów. Jest to miara nacisku przenoszonego przez szkielet ziarnowy (zbiór stykających się ziaren), co określa wytrzymałość gruntu na ścinanie. Naprężenie efektywnego nie może być mierzone bezpośrednio, lecz może być obliczone jako różnica całkowitego naprężenia (σ) i ciśnienia porowego (u): σ ' = σ - u

Naprężenie całkowite σ jest równe naciskowi nadkładu lub inaczej naprężeniu, które jest powodowane przez ciężar gruntu włączając w to wszelkie inne siły (np. ciężar budowli). Całkowite naprężenie wzrasta z głębokością proporcjonalnie do gęstości gruntu w nadkładzie.

Ciśnienie porowe u jest ciśnieniem wody w gruncie na danym poziomie i najczęściej jest określane jako ciśnienie hydrostatyczne, możliwe jest także jego określenie na podstawie badań laboratoryjnych próbek o nienaruszonej strukturze (NNS). Dla obliczeń w warunkach dynamicznego przepływu wód gruntowych (pod ściankami szczelnymi, podstawami zapór, w skarpach) musi ono być określone na podstawie siatki przepływu. W przypadku poziomego zwierciadła wód gruntowych ciśnienie porowe liniowo wzrasta wraz z głębokością.

[edytuj] Wytrzymałość 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.

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 (to znaczy cementacji, co może następować w wyniku krystalizacji minerałów np. węglanu wapnia).

Do określenia punktu "zniszczenia" na krzywej naprężenie-odkształcenie dla danego materiału zastosowane mogą być rozmaite kryteria. Zniszczenie i poddanie się materiału nie powinny być mylone. Nie ma jednej doskonałej metody określania zniszczenia. Dla pewnych materiałów zniszczenie może być uznane w punkcie poddania. Często przyjmuje się jednak, że dla gruntów zniszczenie następuje pomiędzy 15% a 20% ścinania. Taka deformacja zazwyczaj wskazuje, że funkcja danej budowli, np. posadowienie mostu może być naruszona, ale nie jest uszkodzona. Zniszczenie gruntu nie oznacza zniszczenia systemu. W tym sensie, wytrzymałość na ścinanie gruntu może być zdefiniowana jako maksymalne naprężenie przyłożone w każdej płaszczyźnie w gruncie, uważane za zniszczenie.

Istnieją różne kryteria definiowania zniszczenia. Kryterium Coulomba-Mohra jest najbardziej empirycznym w mechanice gruntów. W kontekscie naprężenia efektywnego kryterium Coulomba-Mohra jest podawane jako:

gdzie to wytrzymałość na ścinanie, to efektywna kohezja, to efektywne naprężenie, to efektywny kąt tarcia wewnętrznego, parametryzacja średniego wskaźnika tarcia wewnętrznego μ na płaszczyznach ścinania to .

Relacja natężenie-odkształcenie w gruntach a przez to wytrzymałości na ścinanie jest uzależniona od:

• Rodzaju gruntu: (podstawowy materiał) mineralogii, uziarnienia i rozkładu uziarnienia, kształtu ziarn, rodzaju płynów porowych i ich zawartości, jonów na ziarnach i cieczy w porach.

• Stanu (początkowego): określonego poprzez wskaźnik porowatości, pionowe naprężenie efektywne i naprężenie ścinające (historia obciążenia). Stan może być także opisany poprzez takie określenia jak: luźny, zagęszczony, przekonsolidowany, normalnie skonsolidowany, półzwarty, miękkoplastyczny, kurczliwy, pęczniejący itp.

• Struktury: Odnosi się to do ułożenia cząsteczek w obrębie gruntu i sposobu, w jaki cząsteczki są upakowane oraz takich elementów jak warstwowanie, cios, zuskokowanie, pustki, cementacja itp. Struktura gruntu jest zazwyczaj opisywana jako: naruszona, nienaruszona, zagęszczona, scementowana, równoziarnista, warstwowana, laminowana, jednorodna i niejednorodna.

• Warunków obciążenia: Naprężenie efektywne - drenowane, niedrenowane i rodzaj obciążenia - wielkość, rodzaj (statyczne i dynamiczne) oraz historia (niezmienna, cykliczna).

W rzeczywistości, przy obliczeniach całkowitej wytrzymałości na ścinanie powinny być brane pod uwagę wszystkie te elementy.

[edytuj] Badania laboratoryjne

Badania laboratoryjne na przykład badanie ścinania prostego, ścinania trójosiowego stosując różne warunki drenowania (drenowane i niedrenowane), wielkości obciążenia, rozpiętość ciśnienia komory, następstwa obciążeń są stosowane dla określenia wartości wytrzymałości na ścinanie: wytrzymałość na ściskanie, wytrzymałość na ścinanie, maksymalna wytrzymałość, minimalna wytrzymałość itp.

[edytuj] Ściśliwość

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 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.

[edytuj] Naprężenia poziome

Teoria poziomych naprężeń w ziemi jest stosowana dla ustalania składnika naprężeń w gruncie prostopadłego do kierunku grawitacji. Jest to naprężenie oddziaływające na ścianki 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.

[edytuj] Nośność

Nośność gruntu jest średnim naprężeniem przyłożonym na granicy pomiędzy fundamentem a gruntem, który powoduje zniszczenie ścinające. 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.

[edytuj] 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.

[edytuj] Literatura

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