Streszczenie Podstawy mechaniki gruntów

## Wprowadzenie Właściwości fizyczne gruntów opisują, jak grunt zachowuje się pod względem stosunków objętościowych, zawartości wody i układu cząstek. Właściwości te określają na przykład gęstość objętościową zasypki, zapotrzebowanie na uzupełnienie wody podczas zagęszczania lub zachowanie pod obciążeniem. Materiał przeznaczony jest do samokształcenia i wyjaśnia podstawowe wielkości, ich obliczenia oraz praktyczne zastosowanie. ## Podstawowe fazy i diagram fazowy Grunt składa się z trzech faz: **cząstek stałych (szkielet)**, **wody** i **powietrza**. Diagram fazowy przedstawia objętości poszczególnych składników: $V_s$ (objętość cząstek stałych), $V_w$ (objętość wody), $V_a$ (objętość powietrza), całkowitą objętość $V$ i objętość porów $V_p$. > Definicja: Diagram fazowy to schemat, który dzieli całkowitą objętość gruntu na objętości fazy stałej, wody i powietrza. ### Zależności między objętościami - $V = V_s + V_p = V_s + V_w + V_a$. - Porowatość: $n = \dfrac{V_p}{V}$. - Wskaźnik porowatości: $e = \dfrac{V_p}{V_s}$. ## Gęstość cząstek stałych i pomiar piknometrem Gęstość cząstek stałych ($\rho_s$) jest stała dla danego materiału i typowo dla gruntów mineralnych wynosi $\rho_s \approx 2600$ do $2700\ \mathrm{kg/m^3}$. > Definicja: Gęstość cząstek stałych $\rho_s$ to masa fazy stałej podzielona przez jej własną objętość: $\rho_s = \dfrac{m_s}{V_s}$. Praktyczny pomiar piknometrem (uproszczona procedura): 1. Przygotowanie piknometru (pustego). Masa $m_0$. 2. Piknometr z suchym gruntem: masa $m_s$. 3. Piknometr z wodą: masa $m_w$. 4. Piknometr z gruntem zalanym wodą: masa $m_{sw}$. Typowe obliczenie objętości cząstek stałych $V_s$: $$V_s = \dfrac{m_w - \Delta m_w}{\rho_w}$$ gdzie $\rho_w$ to gęstość wody, a $\Delta m_w$ to różnica mas podczas napełniania (zob. procedury laboratoryjne). ## Stan gruntu – wilgotność > Definicja: Wilgotność $w$ (masowa) jest stosunkiem masy wody do masy suchego gruntu, wyrażonym w procentach: $w = \dfrac{m_w}{m_s}\cdot 100\%$. - Suszenie do oznaczania wilgotności: suszenie w temperaturze $105\text{–}110\ ^\circ\mathrm{C}$ zgodnie z normą ČSN EN ISO 17892-1. - W praktyce: mierzymy masę próbki wilgotnej, suszymy i wyznaczamy $m_s$. ## Stan gruntu – porowatość i wskaźnik porowatości - Porowatość $n$ określa, jaki ułamek objętości całkowitej stanowią pory: $n = \dfrac{V_p}{V}$ (w %). - Wskaźnik porowatości $e$ jest stosunkiem objętości porów do objętości cząstek stałych: $e = \dfrac{V_p}{V_s}$. Zależności przy ściskaniu: w wyniku ściskania gruntu maleją zarówno $n$, jak i $e$. ## Stan gruntu – stopień nasycenia > Definicja: Stopień nasycenia $S_r$ to stosunek objętości wody do objętości porów: $S_r = \dfrac{V_w}{V_p}$, można wyrazić w procentach lub jako liczbę bezwymiarową (od 0 do 1). - $S_r = 0$ oznacza grunt suchy. - $S_r = 1$ oznacza grunt całkowicie nasycony. Zależność między $e$, $w$, $S_r$ i $\rho_s$: $$e = \dfrac{w\,\rho_s\,S_r}{\rho_w}$$ Dla $S_r = 1$ wynika: $$e = \dfrac{w\,\rho_s}{\rho_w} = w\,G_s$$ gdzie $G_s$ to gęstość właściwa cząstek stałych (gęstość właściwa) $G_s = \dfrac{\rho_s}{\rho_w}$. ## Stan gruntu – gęstość objętościowa i ciężar objętościowy > Definicja: Gęstość objętościowa $\rho$ to $\rho = \dfrac{m}{V}$ w jednostkach $\mathrm{kg/m^3}$. Ciężar objętościowy $\gamma$ to ciężar na jednostkę objętości: $\gamma = \rho\,g$ w $\mathrm{kN/m^3}$. - Gęstość objętościowa sucha: $\rho_d = \dfrac{m_d}{V}$ przy $S_r = 0$. - Gęstość objętościowa wilgotna: $\rho_{n} = \dfrac{m_d + m_w}{V}$ przy danym $S_r$. - Gęstość objętościowa nasycona: $\rho_{sat} = \dfrac{m_d + m_w}{V}$ przy $S_r = 1$. Względne wartości typowych gęstości: $$\rho' \approx 1000 < \rho_d \le \rho_n \le \rho_{sat} \approx 2000$$ gdzie $\rho'$ to efektywna gęstość objętościowa uwzględniająca wypór wody. Praktyczne metody oznaczania w terenie: - Metoda dołkowa - Objętościomierz membranowy - Pierścień tnący dla gruntów niespoistych i spoistych ## Stan gruntu – konsystencja Konsystencja opisuje plastyczność i wy