GEOLOGIA INŻYNIERSKA
WYKŁAD I – 13.10.2010
1. Geologia inżynierska to dział nauk geologicznych zajmujący się badaniem środowiska geologicznego dla potrzeb planowania, projektowania, wykonawstwa i eksploatacji obiektów budowlanych z uwzględnianiem zasad ochrony środowiska, w aspekcie możliwości wykorzystania tego środowiska jako podłoża budowlanego, przestrzeni budowlanej i materiału budowlanego.
2. Początki geologii inżynierskiej.
1. „Rekonesansowe” obserwacje środowiska geologicznego (od czasów pierwotnego budownictwa i górnictwa, zasiedlania obszarów przez człowieka).
2. Baza danych – uboczny skutek działalności praktycznej społeczeństw – przekazywana ustnie lub później pisemnie przez budowniczych.
3. Wydzielenie geologii z ogólnej wiedzy ludzkiej (przełom XVIII/XIX w.)
4. Gwałtowny rozwój przemysłu (w tym budownictwa) – początek XX w.
5. Wielkie katastrofy budowlane – impuls do szybszego rozwoju, np. katastrofa zapory San Francis na rzece Kolorado w 1926 roku w USA, gdzie zginęło ok. 500 osób.
Pierwsze informacje i publikacje z zakresu geologii inżynierskiej są z końca XIX i z początku XX wieku. „Biblią” jest książka Terzagiego – Geologia inżynierska. Intensywny rozwój geologii inżynierskiej na świecie w latach 20. i 30. XX wieku, w Polsce najbardziej intensywny rozwój w latach powojennych – od 1945 roku.
3. Podstawowe pytania geologii inżynierskiej\
1. Czy i jak podłoże geologiczne i otoczenie obiektów budowlanych może wpłynąć na stateczność, trwałość i ekonomię wykonawstwa?
2. Jak dana inwestycja wpływa na swoje otoczenie, czyli tzw. środowisko geologiczno-inżynierskie?
4. Wielkie osiągnięcia budowlane w historii ludzkości: piramidy, sfinks, wielki mur chiński, kościoły w Kapadocji i w Kairze, krzywa wieża w Pizie, wieża Eiffla, Empire State Building, Burj Dubaj, zapora Hoovera, wielka tama Asuańska i zbiornik Nasera, most Seto Ohaszi, kanał Sueski, kanał Panamski, zbiornik retencyjny Jeziorsko.
5. Schematyczne modele środowiska geologiczno-inżynierskiego
Jw – geologicznie jednorodne (w sensie węższym)
Js – geologicznie jednorodne (w sensie szerszym)
R – geologicznie niejednorodne środowisko
6. Środowisko geologiczno-inżynierskie to część środowiska geologicznego, która ma bezpośredni wpływ na projektowanie, wykonawstwo i eksploatację inwestycji budowlanych i jednocześnie jest to zarazem część środowiska geologicznego, która jest narażona na zmiany wywołane tymi inwestycjami.
7. Granice środowiska geologiczno-inżynierskiego (wg W. C. Kowalskiego)
a. Granica pierwsza – granica stwierdzonego lub przewidywanego wpływu działalności ludzkiej (wpływu sposobu zagospodarowania lub wpływu obiektu budowlanego bądź górniczego) na środowisko geologiczne;
b. Granica druga – granica stwierdzonego lub przewidywanego wpływu części środowiska geologicznego, w której zachodzące procesy mają lub mogą mieć wpływ na dalszy sposób zagospodarowania lub na dany obiekt budowlany lub górniczy w granicach mierzalnych w nim zmian w wyznaczonym potrzebami okresie czasu (np. cmentarze komunalne, które są wyznaczane na 50 lat do przodu);
8. Strefy zainteresowań:
a. Budownictwo: posadowienia pośrednie (stosowane wszędzie tam, gdzie od powierzchni nie ma takich warstw, które nie mogą przenosić obciążeń budowlanych – głębokość badań od 10 do 60 m) oraz bezpośrednie (stosowane tam, gdzie od powierzchni są warstwy zdolne do przenoszenia obciążeń budowlanych – głębokość badań do 5 m). \
b. Górnictwo kopalniane: odkrywkowe i złożowe
c. Wiertnictwo
9. Działy:
a. Geologia inżynierska:
I. Gruntoznawstwo
II. Mechanika gruntów
III. Geodynamika inżynierska
IV. Regionalna geologia inżynierska
b. Geotechnika
10. Gruntoznawstwo – zajmuje się badaniem fizycznych (w tym i mechanicznych) właściwości gruntów w zależności od ich składu mineralnego, gazowego, chemizmu wód porowych, własności fizyko-chemicznych, magnetycznych oraz rodzaju struktury i tekstury wynikających z genezy oraz przemian post-sedymentacyjnych.
Przedmiotem badań gruntoznawstwa są:
· Warunki i strefy sedymentacji gruntu w środowisku wodnym i lądowym;
· Pierwotny i wtórny chemizm środowiska doprowadzający do kompletnego ukształtowania osadu;
· Rodzaj osadu (skład petrograficzny, mineralogiczny, chemiczny);
· Struktura, tekstura, diageneza i wietrzenie osadów/gruntów);
11. Mechanika gruntów – zajmuje się zmianami stanu naprężeń i odkształceń gruntów w podłożu i otoczeniu obiektów budowlanych. Badania dotyczą: naprężeń w podłożu, wytrzymałości gruntów, odkształceń i osiadań gruntów, stateczności zboczy i skarp. Nauka ta wiąże się silnie z teorią sprężystości, plastyczności, lepko-sprężystości oraz reologią (czyli z nauką zajmującą się zmianami odkształceń zachodzącymi w stosunkowo dużym czasie).
12. Regionalna geologia inżynierska – dział geologii inżynierskiej zajmujący się kryteriami wydzieleń i oceny jednorodnych pod względem geologiczno-inżynierskim jednostek przestrzennych środowiska, prawidłowością rozmieszczenia tych jednostek, ich systematyką wraz z monograficznym opisem. Znajomość regionalnej geologii inżynierskiej daje dobrą ogólną orientację o warunkach geologiczno-inżynierskich, co ułatwia planowanie zagospodarowania terenu oraz projektowania obiektów budowlanych i górniczych.
13. Opis procesów geodynamicznych w środowisku geologiczno-inżynierskim to jeden z działów geologii inżynierskiej, tj. geodynamika inżynierska .
14. Geotechnika – dział nauki ściśle związanych z geologią inżynierską, ale nie jest to jeden z działów geologii inżynierskie. Wiąże się z jednej strony z fundamentowaniem i budownictwem, z drugiej z górnictwem i wiertnictwem. Geotechnika zajmuje się wdrażaniem zagadnień z zakresu gruntoznawstwa i geodynamiki inżynierskiej w życie – praktyczne ich wykorzystanie. Jest to jednak nauka równoległa do geologii inżynierskiej. Poza rozpoznawaniem warunków podłoża daje odpowiedzi na temat fundamentowania i innych założeń konstrukcyjnych obiektów budowlanych.
WYKŁAD II – 19.10.2010
1. Geologia inżynierska:
a. Obserwacje makroskopowe
b. Analizy granulometryczne
c. Sposoby prezentacji wyników
d. Interpretacje geologiczno-inżynierskie i geotechniczne
e. Interpretacje hydrogeologiczne
f. Interpretacje środowiskowe
2. Czołowe nazwiska w światowej geologii inżynierskiej
a. K. Terzaghi: 1883 (Praga) – 1963 (Winchester), uznawany za twórcę mechaniki gruntów, wykładał geologię inżynierską na Harvardzie, uzyskał 8 tytułów doktora honoris causa w 8 państwach. Jego prace przyczyniły się do rozwoju teorii konsolidacji, fundamentowania, badania zapór ziemnych i osuwisk
b. A. Casagrande – rozpoczął pracę naukową w MIT pod kierunkiem Terzaghiego. Zajmował się klasyfikacją gruntów, ścinaniem, przemarzaniem. Zapoczątkował program mechaniki gruntów na Uniwersytecie Harvarda
c. R. B. Peck – współpracownik Terzaghiego, kierował pracami laboratoryjnymi i terenowymi przy budowie metra w Chicago. Jeden z najwybitniejszych w świecei geotechników i wykładowców. Główna praca to mechanika gruntów w praktyce inżynierskiej.
d. D. W. Taylor – Wydział inżynierii Lądowej i Wodnej, główne prace: podstawy mechaniki gruntów, stateczność zboczy.
e. Skempton – mechanika gruntów, naprężenia, nośność, stateczność zboczy.
f. W. C. Kowalski – twórca tzw. Warszawskiej/Polskiej Szkoły Geologii Inżynierskiej.
g. B. Grabowska – Olszewska – gruntoznawstwo.
h. Z. Wiłun – geotechnika.
i. Z. Glazer – mechanika gruntów.
j. J. Liszkowski – geolog, geolog inżynierski
3. Grunt, ewolucja pojęcia:
a. Zbiór dowolnych rozdrobnionych okruchów skalnych, powstałych ze skał litych na skutek działania destrukcyjnych procesów geologicznych, takich jak: wietrzenie, erozja, transport itp. (Rossiński ’66)
b. Tworzywo zewnętrznych warstw skorupy ziemskiej, znajdujących się w zasięgu wpływu obciążeń nowo wznoszonych budynków lub używanych do budowy obiektów inżynierskich (Z. Wiłun ’69)
c. Dowolne skały i gleby, badane jako ewentualny obiekt inżynierskiej działalności człowieka (Siergiejew ’73)
d. Skała występująca w podłożu lub otoczeniu obiektu działalności ludzkiej (budowlanego lub górniczego), która współdziała lub będzie w przyszłości zgodnie z projektem współdziałać z tym obiektem (Kowalski ’75)
Oddziaływanie na grunt nie ogranicza się wyłącznie do tej strefy gruntu bezpośrednio pod obiektem budowlanym, ale również w pewnej strefie wokół obiektu (rys. 1)
4. Ostateczna definicja: grunt to system trójfazowy, złożony w ogólnym przypadku z fazy stałej (szkieletu gruntowego), ciekłej (wód zawartych w porach) i gazowej.
5. Faza – (w fizyce) zbiór jednakowych pod względem właściwości fizycznych części układu termodynamicznego.
6. Klasyfikacja gruntów uwzględnia nie tylko cechy lito-genetyczne fazy stałej (tak jak w skałach), lecz także cechy wynikające z jej współdziałania z pozostałymi fazami.
7. Trójfazowość gruntów (rys. 2)
8. Struktura gruntu – wymiary, kształt, charakter powierzchni, ilościowe stosunki jego elementów (oddzielnych cząstek, agregatów, substancji cementującej) oraz charakter wzajemnych powiązań tych elementów gruntu (niezależnie od ich rozmiarów) – wg Grabowska-Olszewska
9. Tekstura gruntu – rozmieszczenie i układ w/w elementów w przestrzeni. Przykładowe tekstury – ziarnista, komórkowa, kłaczkowa.
10. Obserwacje: gołym okiem – makrostruktura i tekstura,
mikroskop optyczny – mezostruktura i tekstura,
mikroskop elektronowy – mikrostruktura i tekstura
11. Typy tekstur w gruntach. Schemat przestrzenny tekstury gruntu:
a. Anizotropowe – cechy strukturalno-teksturalne w różnych kierunkach są zmienne
b. Izotropowe – cechy strukturalno-teksturalne w różnych kierunkach są takie same
12. Wybrane cechy geologiczno-inżynierskie granitu: zmienność cech w zależności od stopnia zwietrzenia i głębokości występowania, m.in. dochodzi do zmniejszenia porowatości wraz z głębokością.
13. Rezultaty badań geologiczno-inżynierskich:
a. Modele geologiczno-inżynierskie: od całkowicie hipotetycznych do całkowicie wiarygodnych
14. Podstawowe teorie badań na tle głównych kierunków zainteresowań różnych nauk geologicznych.
Geologia inżynierska koncentruje się głównie na aktualnym stanie środowiska geologicznego oraz w pewnym stopniu zajmuje się przewidzeniem, w jaki sposób zachowa się dane środowisko geologiczne w przyszłości, kiedy posadowi się na nim dany obiekt budowlany.
15. Dwie metody prognozowania:
a. Statyczno-przestrzenny – wykorzystuje się informacje inwestycji podobnych do wykonywanej (wykonane ileś lat wcześniej), czyli zachodzi ekstrapolacja wyników wcześniejszych na sytuację obecną. Warunkiem tej prognozy jest dokładnie znana geologia obszaru
b. Czasowo-dynamiczne – już przy konstrukcji, którą aktualnie wykonujemy obserwujemy pewne zjawiska i próbujemy je przewidywać (np. jeżeli budynek pęka, to możemy założyć tensjometry i obserwować zmiany naprężeń i spróbować przewidzieć ten proces, tym samym możemy spróbować wymodelować przyszłość tego budynku na takim terenie)
16. Działalność inżyniersko-geologiczna:
a. Okres przedprojektowy
i. Badania aktualnego stanu środowiska:
1. Geologicznego – w nawiązaniu do badań podstawowych geologicznych i inżyniersko-geologicznych
2. Inżyniersko-geologicznego – dla konkretnego obiektu wraz ze stopniowo uściślaną prognozą inżyniersko-geologiczną i podaniem niezbędnych zabiegów technicznych (geotechnicznych)
b. Okres projektowania (założenia techniczno-ekonomiczne, projekt techniczny)
c. Okres realizacji
i. Kontrola i aktualna korekta prognoz:
1. Dla konkretnego obiektu wraz z podaniem metod interwencyjnych
2. Dla teoretycznych badań inżyniersko-geologicznych oraz dla podania wskazań sposobów późniejszego zagospodarowania terenu.
d. Okres eksploatacji
e. Okres poeksploatacyjny
17. Głębokość i sposoby posada wiania budowli:
a. Posadawianie bezpośrednie – kiedy obciążenia od konstrukcji są bezpośrednio przenoszone na warstwę nośną (głębokość do ok. 5 m)
b. Posadawianie pośrednie – kiedy bezpośrednio pod budynkiem znajduje się warstwa nie przenosząca obciążeń obiektu, przez co trzeba dotrzeć do warstwy zdolną do takie przenoszenia.
18. Podstawowe typy świdrów :
a. 1,2 – świdry rurowe jedno- i dwu-nożowe
b. 3 – świder spiralno-rurowy (okienko, szapa)
c. 4 – spiralny – określamy nim zasięg nawodnionej warstwy wodonośnej, strop warstwy gliniastej
d. Szlamówki
e. Świdry hydrauliczne montowane na samochodach
f. Samobieżne laboratorium geotechniczne
19. ...
a_ziomek