Menu

Właściwości fizyczne i mechaniczne gruntów, badania gruntów

Właściwości fizyczne

Gęstość właściwa gruntu jest to stosunek masy suchego szkieletu gruntowego do jego objętości. Zależy od składu mineralnego gruntu lub skały i wynosi od 1,4 do 3,2 g/cm³.
Gęstość pozorna gruntu jest to stosunek masy próbki gruntu do objętości tej próbki łącznie z porami, oznacza się ją na próbkach o nienaruszonej strukturze. Jest wartością zmienną, zależy od porowatości, wilgotności i gęstości właściwej.
Porowatość gruntu jest to stosunek objętości porów w próbce gruntu do jej całkowitej objętości. Zależy od struktury gruntu, grunty o strukturze ziarnistej (piaski, żwiry) mają mniejsza porowatość niż grunty spoiste, których cząstki tworzą przeważnie strukturę komórkową lub kłaczkową.
Wilgotność gruntu oznacza się procentowym stosunkiem masy wody zawartej w gruncie do masy idealnie suchego szkieletu gruntowego.
Współczynnik filtracji (wodoprzepuszczalność) określa zdolność gruntu do przepuszczania wody. Zależy od porowatości, uziarnienia i składu mineralnego gruntu.
Uziarnienie gruntu jest to procentowa zawartość poszczególnych frakcji, czyli grup ziaren o określonej wielkości. Na przykład grunty mineralne nieskaliste dzieli się na podstawowe frakcje: kamienistą (ziarna powyżej 40 mm średnicy), żwirową (2–40 mm), piaskową (0,05–2 mm), pyłową (0,002–0,05 mm) i iłową (ziarna poniżej 0,002 mm średnicy).
Na podstawie trójkąta Fereta można określić rodzaj gruntu, znając jego uziarnienie.

Rys. Trójkąt Fereta

Stopień zagęszczenia (dotyczy gruntów niespoistych) jest to stosunek zagęszczenia występującego w stanie naturalnym do największego możliwego zagęszczenia danego gruntu. Rozróżnia się grunty luźne, średnio zagęszczone, zagęszczone i bardzo zagęszczone.
Stopień plastyczności określa procentową zawartość wody w gruncie, mierzoną w stosunku do suchej masy próbki. Według normy grunty dzieli się na zwarte (zwarte i półzwarte), plastyczne (twardoplastyczne, plastyczne i miękkoplastyczne) oraz płynne.

Właściwości mechaniczne

Wytrzymałość na ściskanie gruntu jest to zdolność do przenoszenia największego obciążenia na jednostkę powierzchni gruntu bez spowodowania uszkodzenia jego struktury wewnętrznej.
Wytrzymałość na ścinanie pod wpływem ciężaru własnego lub obciążenia gruntem nadsypanym zależy od tarcia i spójności międzycząsteczkowej. Spójność i tarcie międzycząsteczkowe mają wpływ na osiadanie obiektów budowlanych oraz zsuwaniu się skarp do wykopu.
Ściśliwość jest to zdolność gruntu do zmniejszania objętości pod wpływem obciążenia. Grunty spoiste osiadają znacznie wolniej niż grunty niespoiste (sypkie), które osiadają praktycznie natychmiast po przyłożeniu obciążenia. Odkształcenia trwałe powstają wskutek przemieszczania się i kruszenia cząstek gruntu, zmniejszania się porów w gruncie i usunięcia z nich wody i gazów.
Kąt stoku naturalnego jest to największy kąt, pod jakim grunt może się utrzymać na zboczu w stanie równowagi. Wyznacza on nachylenie płaszczyzny odłamu gruntu w stosunku do poziomu. Część gruntu, która znajduje się powyżej płaszczyzny odłamu i wykazuje tendencje do obsuwania się, nazywa się klinem odłamu gruntu.

Badania gruntów

Aby określić obciążenia, które może przenieść dany grunt, zaprojektować odpowiedni fundament (z uwzględnieniem wzajemnego oddziaływania na siebie podłoża i obiektu budowlanego), a oprócz tego dobrać właściwy sprzęt i metodę wykonywania robót ziemnych, należy ustalić geotechniczne warunki jego posadowienia. Rodzaj i zakres badań oraz zakres i forma opracowywanej dokumentacji geotechnicznej zależą od kategorii geotechnicznej, do której dany obiekt zostanie zaliczony zgodnie z PN-B-02479:1998. Rozróżnia się trzy kategorie geotechniczne:
− pierwsza dotyczy jedno- lub dwukondygnacyjnych budynków mieszkalnych i gospodarczych o prostej konstrukcji, ścian oporowych i rozparcia wykopów do 2 m, wykopów do głębokości 1,2 m i nasypów do 3m,
− druga obejmuje między innymi fundamenty bezpośrednie i niektóre głębokie (pale), ściany oporowe wyższe niż 2 m, wykopy i nasypy (poza zaliczonymi do kategorii pierwszej), przyczółki i filary mostowe,
− trzecia obejmuje nietypowe obiekty budowlane niezależnie od stopnia skomplikowania warunków gruntowych (zapory wodne, rafinerie, zakłady chemiczne, elektrownie jądrowe), obiekty budowlane posadowione w skomplikowanych warunkach gruntowych oraz obiekty monumentalne i zabytkowe.

Rodzaj i zakres badań dla poszczególnych kategorii geotechnicznych:

− kat. I: Obejmuje proste konstrukcje w niewielkich obiektach budowlanych i prostych warunkach gruntowych, dla których wystarcza
jakościowe określenie właściwości gruntów.
Badania kategorii I można stosować jedynie przy wstępnie rozpoznanych warunkach gruntowych, niewielkich obiektach i gdy
zagrożenie życia i mienia jest małe.
Stosowanie kategorii I jest możliwe tylko w przypadkach zwykłych konstrukcji, gdy występują proste warunki gruntowe, przy
czym uwzględniać należy doświadczenia uzyskane z obserwacji sąsiednich budowli.
Przykłady konstrukcji, które mogą być zaliczone do kategorii I:
- jedno- lub dwukondygnacyjne budynki o prostej konstrukcji i budynki rolnicze przy maksymalnym obciążeniu obliczeniowym
na słup równym 250 kN, a na ściany 100 kN/m, na fundamentach bezpośrednich, palowych lub na studniach,
- ściany oporowe i zabezpieczenia wykopów, gdy różnica poziomów nie przekracza 2 m,
- płytkie wykopy powyżej zwierciadła wody i niewielkie nasypy do wysokości 3 m.
− kat. II: Obejmuje konstrukcje i fundamenty nie podlegające szczególnemu zagrożeniu, w prostych lub złożonych warunkach gruntowych
przy mało skomplikowanych przypadkach obciążenia. Konstrukcje te są przeważnie projektowane i wykonywane z zastosowaniem
powszechnie stosowanych metod.
Przykłady konstrukcji, które mogą być zaliczone do kategorii II:
- powszechnie spotykane konstrukcje posadowione bezpośrednio, a także na fundamentach płytowych lub palowych,
- ściany oporowe wyższe niż w kategorii I lub inne konstrukcje oporowe utrzymujące grunt lub wodę,
- przyczółki i filary mostowe oraz nabrzeża,
- nasypy i budowle ziemne, poza kategorią I,
- nawierzchnie lotnisk o sztywnej i podatnej konstrukcji,
- kotwy gruntowe i inne konstrukcje kotwiące,
- tunele w twardych niespękanych skałach, nie wymagające pełnej szczelności lub spełnienia innych specjalnych warunków.
− kat. III: Obejmuje obiekty bardzo duże czy rzadko występujące, wrażliwe na osiadania, konstrukcje w skomplikowanych warunkach gruntowych lub konstrukcje obarczone nadzwyczajnym ryzykiem nawet w prostych lub złożonych warunkach, obiekty na obszarach działania czynnych procesów geologicznych, czynnych szkód górniczych, konstrukcje zagrażające środowisku.
Konstrukcje, które mogą być zaliczone do kategorii III, nawet w przypadku prostych warunków gruntowych, to:
- budowle o szczególnie dużych obciążeniach, budynki wysokie,
- budynki z wielokondygnacjowymi podziemiami,
- zapory i inne konstrukcje działające w warunkach dużych różnic ciśnienia wody,
- przejścia komunikacyjne pod drogami o dużym natężeniu ruchu,
- duże mosty, wiadukty, estakady,
- fundamenty maszyn o znacznym obciążeniu dynamicznym,
- skomplikowane konstrukcje nabrzeżne,
- obiekty zakładów stosujących niebezpieczne substancje chemiczne,
- głębokie wykopy wykonywane w pobliżu budowli,
- konstrukcje osłonowe reaktorów jądrowych itp.,
- tunele w skałach miękkich i spękanych obciążone wodami naporowymi lub wymagające szczelności.

Wykopy badawcze (doły próbne) Wykopy badawcze polegają na wykonaniu otworów badawczych z przeprowadzeniem badań  gruntów i wód gruntowych oraz pobraniu próbek gruntów zalegających w podłożu. Zaletą tych badań jest możliwość pobrania gruntu w taki sposób, że nie narusza to jego struktury oraz dość dokładnego odtworzenia przekroju poprzecznego podłoża. Wykopy badawcze wykonuje się także dla potrzeb próbnych obciążeń gruntu tzw. płytą sztywną oraz przy odkrywkach fundamentów. Ich ograniczeniem jest jednak fakt, że można je 
przeprowadzać wyłącznie powyżej swobodnego zwierciadła wody gruntowej, a w przypadku gdy występuje ono głębiej - maksymalnie do głębokości 3,0 m, stosując deskowanie skarp. Otwór badawczy dla tego rodzaju badań polowych zaleca się wykonywać szybko i bez przerw, aby odsłonięty grunt nie uległ zmianom pod wpływem czynników zewnętrznych (np. wskutek wysychania), a wody opadowe należy wyprowadzić z wykopu za pomocą studzienek.

Wykopy badawcze wykonuje się poza obrysem projektowanych obiektów. Wymiary boku dołu o kształcie prostokąta wynoszą 1,0–4,0 m z lekkim nachyleniem skarp, na jednej ze ścian wykonuje się półeczkę, z której pobiera się próbki przez wciskanie cylindra. Wykopy badawcze pozwalają ocenić rodzaj i stan gruntu na podstawie obserwacji ścian i dna wykopu. Są niezbędne w badaniach podłoża skalistego.
Wiercenia badawcze są podstawowym badaniem polowym. Polegają na wykonaniu otworów w badanym gruncie na głębokości do kilkunastu metrów oraz pobraniu próbek gruntu i wody do dalszych badań. Umożliwiają ustalenie układu warstw gruntów, poziomu wody gruntowej oraz dokonanie oceny rodzaju i właściwości gruntów. Na podstawie pobranych
próbek dokonuje się oceny uwarstwienia gruntów oraz sporządza przekroje geotechniczne w miejscu lokalizacji projektowanego obiektu. Otwory wiertnicze rozmieszcza się według następujących zasad:
− pojedyncze budynki o powierzchni zabudowy do 600 m² wymagają 3 otworów wiertniczych
(lub wykopów badawczych lub sondowania) rozmieszczonych tak, aby można było na ich
podstawie określić nachylenie warstw,
− projektowana zabudowa o powierzchni do 1500 m² 5–8 punktów badawczych, przy rozstawie
nie większym niż 30 m,
− projektowana zabudowa o powierzchni do 5000 m² 8–12 punktów badawczych,
przy rozstawie 30–50m,
− projektowana zabudowa o powierzchni do 20000 m² 12–18 punktów badawczych,
przy rozstawie 30–50m,
Zagęszczenie otworów stosuje się w przypadku występowania gruntów słabych lub terenów o skomplikowanej budowie geologicznej.

Wiercenia wykonywane dla potrzeb budownictwa dzieli się, w zależności od sposobu drążenia 
otworu wiertniczego na: 
a) mechaniczne obrotowe (żerdziowe i rzadko - przewodowe płuczkowe), 
b) ręczne okrętne (żerdziowe), 
c) specjalne (np. wykonywane przez wciskanie dwudzielnego przewodu, rdzeniowanie i inne). 
W praktyce wykonuje się także wiercenia udarowe (obecnie wyłącznie mechaniczne linowe bądź 
żerdziowe). 
Wiercenia udarowe stosowane są głównie w gruntach skalistych. Efektem procesu wiercenia są 
zwierciny (okruchy skalne). Na podstawie badania petrograficznego tych zwiercin określa się rodzaj 
przewiercanych gruntów skalistych. Jest to dość trudne badanie, wykonywane zwykle przez geologa, 
lecz nie jest ujęte w normach budowlanych. 
Podstawowy sprzęt do wierceń ręcznych okrętnych (Rys. 2) składa się z następujących części: 
a) klucza okrętnego mocowanego na żerdzi w celu wprowadzania świdrów w grunt, 
b) świdrów lub specjalnych końcówek (Rys. 3), 
c) rur okładzinowych (osłonowych) w celu zabezpieczenia ścian otworu przed zawaleniem się.

Rys.2 Zestaw wiertniczy do wierceń ręcznych

W trakcie wiercenia otworów badawczych wykonuje się następujące czynności i badania: 
1. Pomiar głębokości w odniesieniu do powierzchni terenu w miejscu wiercenia. Zgodnie 
z zaleceniami normy próbki powinny być pobierane nie rzadziej niż 1,0 m lub gdy następuje 
zmiana rodzaju, stanu, wilgotności czy barwy gruntu; czyli wykonujemy makroskopowe badania 
pobranego gruntu. 
2. Pomiary poziomów piezometrycznych wody gruntowej - PPW dla każdej warstwy wodonośnej. 
Sondowanie gruntu polega na wciskaniu, wbijaniu lub wkręcaniu sondy mechanicznej
i pomiarze prędkości jej zagłębiania się w grunt, stanowi uzupełnienie wierceń badawczych.
3. Pobieranie próbek gruntu i wody gruntowej w celu wyznaczenia potrzebnych parametrów 
geotechnicznych w trakcie badań laboratoryjnych. 
 
Sondowania zaleca się stosować dla jakościowej oceny zmienności gruntów na różnych głębokościach. Badania te polegają na pogrążeniu w gruncie sond o różnych końcówkach (ostrzach)  przez wciskanie, wbijanie lub wkręcanie, oraz oznaczeniu występujących podczas sondowania oporów gruntów. W praktyce geotechnicznej, w zależności od głębokości badawczej i metody wprowadzania ostrza, stosuje się sondowania statyczne i dynamiczne (ciężkie i lekkie). 
W przypadku obu sondowań pojawia się opór statyczny i dynamiczny gruntu pod końcówką sondy i wzdłuż jej pobocznicy. Opór statyczny przy wciskaniu sondy w grunt qstat mierzy się bezpośrednio w czasie badania, natomiast opór dynamiczny qdyn określa się na podstawie odpowiedniej zależności. Na podstawie przeprowadzonych badań określono, że stosunek granicznego oporu statycznego do dynamicznego wynosi: 
1.0 - w glinach i iłach zwartych, 
0,75÷0,5 - w piaskach średniozagęszczonych i zagęszczonych oraz glinach twardoplastycznych, 
0,3 - w piaskach luźnych i glinach lub iłach plastycznych.

Fot. Sondowanie gruntu lekką płytą dynamiczną.
 
Lekka płyta dynamiczna
Lekka płyta dynamiczna służy do badań zagęszczenia gruntów niespoistych. Składa się z płyty o średnicy 300 mm i grubości 20 mm. Na powierzchni płyty stykającej się z gruntem rozmieszczone są czujniki do mierzenia ugięć. Czujniki mierzą ugjęcia w zakresie od 0.1 ÷ 2.0 mm. Płyta waży 15 kg.

Na płytę przekazywana jest energia poprzez uderzenie obciążnikiem o ciężarze 10 kN. Obciążnik przemieszcza się wzdłuż stalowej prowadnicy.

Pomiar wykonywany jest elektronicznie przez rejestrator połączony z płytą. Odkształcenia podłoża w milimetrach przeliczane są na moduł dynamiczny Evd.

Makroskopowe badania gruntów są wykonywane zazwyczaj w terenie, jako badanie próbek gruntu pobranych z otworów wiertniczych lub wykopów badawczych. Celem ich jest wstępne określenie rodzaju, stanu wilgotności i spoistości gruntów. Ocenę spoistości gruntu dokonuje się na podstawie prób: wałeczkowania i rozcierania, a w sytuacjach wątpliwych dodatkowo rozmakania.
– Próba wałeczkowania służy do oceny spoistości gruntu. Polega na formowaniu 3-milimetrowego wałeczka z 7-milimetrowej kulki gruntu przez przetoczenie jej kciukiem na dłoni. Na podstawie liczby wałeczkowań, rodzaju spękań i wyglądu wałeczków można (na podstawie tabeli) określić rodzaj i stan gruntu.
– Próba rozcierania gruntu spoistego polega na rozcieraniu grudki gruntu dwoma palcami zanurzonymi w wodzie. W zależności od ilości ziaren piasku pozostających między palcami zalicza się grunt do grupy I, II lub III (według tabeli).
– Próba rozmakania polega na wysuszeniu grudki gruntu o określonej średnicy, umieszczeniu jej na siatce i całkowitym zanurzeniu w wodzie. Rodzaj gruntu określa się według czasu rozmakania liczonego od chwili zanurzenia w wodzie do chwili przeniknięcia jej przez siatkę w wyniku rozmoknięcia.
Badania laboratoryjne próbek gruntu pobranych w trakcie badań polowych mają na celu dostarczenie dodatkowych niezbędnych danych do obliczeń posadowienia projektowanego obiektu budowlanego. Zakres badań zależy od dokonanych polowych badań podłoża gruntowego, od rodzaju i wielkości projektowanego obiektu, sposobu posadowienia.

W badaniach tych oznacza się właściwości fizyczne, mechaniczne oraz stany gruntów niespoistych (sypkich) sypkich spoistych według PN-86/B-02480 i PN-88/B-04481. Obciążenia próbne wykonuje się za pomocą sztywnej płyty o kształcie koła lub prostokąta o powierzchni 0,5 m² i odpowiedniej wytrzymałości. Płytę umieszcza się na dnie wykopu
badawczego na podsypce z piasku lub warstwie zaprawy wyrównawczej, obsypuje warstwą gruntu zagęszczonego grubości 0,5 m, a następnie stopniowo zwiększa się obciążenie do dwukrotnej wartości przewidywanego obciążenia przyszłego fundamentu. Na podstawie przyrostu i czasu osiadania określa się przydatność gruntu. Bardziej skomplikowane obciążenia próbne wykonuje się za pomocą świdrów talerzowych i presjometrów, umożliwiających badania w otworach wiertniczych bez wykonywania wykopu.

Fot. Presjometr Menarda.

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});