Mechanika gruntów

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), inżynierii geofizycznej i geologii inżynierskiej.

Klasyczna mechanika gruntów stosuje ten sam model, który został zastosowany w 1776 roku przez C. A. Coulomba, choć znany był on już wcześniej. Model ten został zastosowany do analizy pasywnego i aktywnego nacisku gruntu na ściany oporowe. osad pozostaje sztywny, nienaruszony do momentu, gdy wzdłuż pewnej płaszczyzny siły ścinania przekroczą panujące tam siły spoistości (c) i tarcia wewnętrznego (Φ). W 1948 roku zostało wprowadzone przez Karla Terzaghi'ego pojęcie naprężenia efektywnego (σ' ), której jest jednym z najważniejszych jego wkładów w mechanikę gruntów.
Grunt jest traktowany jako mechanicznie homogeniczna mieszanka trzech faz:

1. stałej (reprezentującej szkielet ziarnowy) oraz wypełniających pory
2. ciekłej
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.

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.

Podstawowe zagadnienia mechaniki gruntów

Naprężenia w gruncie

Podstawowe znaczenie mają:

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.

Nośność gruntu

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.

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).

Badania laboratoryjne

Badania laboratoryjne w geotechnice przeprowadza się w celu określenia fizycznych i mechanicznych cech gruntów. Przykładem fizycznych cech jest uziarnienie, wilgotność, granica płynności, plastyczności, współcznnik plastyczności itp. Badania cech mechanicznych przeprowadza się między innymi za pomocą urządzeń do ścinania prostego, ścinania trójosiowego 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, minimalnej wytrzymałości itp.

Ściśliwość gruntu

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.

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.

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