Wykład 1 W budownictwie ziemnym grunt traktowany jest jako materiał budowlany, z którego wykonywane są konstrukcje i budowle ziemne (nasypy) oraz jako ośrodek, w którym wykonywane są inne budowle (kanały). Celem budownictwa ziemnego jest zapoznanie się z projektowaniem, wykonawstwem oraz kontrolą budowli i konstrukcji ziemnych wchodzących w zakres inżynierii środowiska, z uwzględnieniem wymagań UE i wprowadzonych nowych materiałów i technologii robót ziemnych oraz badań kontrolnych jakości. Grunt zbrojony- grunt służący do umocnienia budowli, np.: obwałowania. Zasady projektowania geotechnicznego: *podstawą projektowania i oceny bezpieczeństwa budowli ziemnych są badania geotechniczne, których zakres i metody nie mogą być nigdy ograniczone względami ekonomicznymi *budownictwo ziemne jest działalnością inżynierską wykorzystującą w możliwie największym stopniu wiedzę z mechaniki gruntów i uwzględniający ochronę środowiska *zasady budownictwa ziemnego zostały opracowane na podstawie obszarowej długoletniej praktyki wykonywania nasypów i wykopów, jako typowych konstrukcji inżynierskich ( błędy w projektowaniu i wykonawstwie, odpowiednio wyjaśnione stanowią cenne źródło wiedzy) *młody inżynier powinien konsultować proponowane rozwiązania z doświadczeniem inżyniera. Wykład 2 Roboty ziemne to roboty budowlane obejmujące odspajanie, przemieszczanie, układanie, zagęszczanie gruntów oraz ewentualne ulepszanie dodatkami (mineralnymi spoiwami) wraz z doraźnym i trwałym odwodnieniem. Konstrukcja to uporządkowany ustrój połączonych ze sobą elementów, zaprojektowany w celu zapewnienia odpowiedniej sztywności przestrzennej; z wyłączeniem nasypów budowanych podczas wykonywania robót ziemnych. Podłoże gruntowe to grunt rodzimy, antropogeniczny lub skała, istniejąca na miejscu budowy przed wykonaniem prac budowlanych w strefie, w której właściwości mają wpływ na projekt, wykonanie i eksploatację budowli. Materiał gruntowy to grunt naturalny lub antropogeniczny o właściwościach pozwalających zastosować go bezpośrednio lub po uzdatnieniu, do wykonania budowli ziemnej. Budowla ziemne to konstrukcja wykonana z materiału gruntowego lub w podłożu gruntu, np.: nasyp drogowy, skarpa, wykop fundamentowy. Nasyp to warstwa lub specjalnie ukształtowana budowla ziemna z materiału gruntowego, powstała w wyniku działalności człowieka, np.: nasyp budowlany, wysypisko, zwałowisko, zasypka. Wykop to wyrobisko w gruncie, które zwykle jest otwarte. Doświadczenie porównywalne- udokumentowane lub jednoznacznie określone informacje, związane z podłożem gruntowym rozpatrywanym w projekcie, obejmujące te same rodzaje gruntów i skał, dla których spodziewane są podobne właściwości geotechniczne, dotyczące podobnych konstrukcji. Szczególnie cenne są informacje zebrane na miejscu. Przy określaniu wymagań projektu geotechnicznego należy uwzględnić czynniki: *rodzaj i rozmiar konstrukcji, jej elementy, włączając wszelkie specjalne wymagania *warunki z uwzględnieniem otoczenia (sąsiednie konstrukcje, ruch, uzbrojenie, rośliny, zagrożenie chemikaliami) *warunki gruntowe *warunki wodne *regionalną sejsmikę *wpływ środowiska (wody powierzchniowe i podziemne, osiadanie terenu, sezonowe zmiany wilgotności) Do ustalenia wymagań projektowych wprowadza się trzy Kategorie Geotechniczne: 1 Kategoria - obejmuje tylko małe, względnie proste konstrukcje, dla których można zagwarantować, że podstawowe wymagania będą spełnione na podstawie doświadczenia i jakościowych badań geotechnicznych; z pomijaniem ryzyka dla życia i mienia. Przykłady: ściany oporowe i rozparcia wykopów, gdy różnica poziomów gruntu nie przekracza 2m oraz małe wykopy dla prac drenażowych. 2 Kategoria – obejmuje konwencjonalne typy konstrukcji i fundamentów bez szczególnego ryzyka oraz wyjątkowo trudnych warunków gruntowych lub obciążeniowych. Konstrukcje tej kategorii wymagają ilościowych danych geotechnicznych i analizy dla sprawdzenia, że podstawowe wymagania zostaną spełnione, lecz można stosować rutynowe metody badań polowych i laboratoryjnych. Przykłady: ściany oporowe, konstrukcje oporowe utrzymujące grunt lub wodę; wykopy typowe fundamentowe; filary i przyczółki mostowe; nasypy i budowle ziemne; kotwie gruntowe i inne systemy kotwiące. 3 Kategoria – obejmuje pozostałe konstrukcje lub część konstrukcji. Obejmuje bardzo duże lub niezwykłe konstrukcje, zawierające nadzwyczajne ryzyko oraz niezwykle trudne warunki gruntowe lub obciążeniowe. Obejmuje też konstrukcje na obszarach o wysokiej sejsmice. Dla każdej geotechnicznej sytuacji projektowej musi być dowiedzione, że nie zostanie przekroczony żaden stosowany stan graniczny (dwa stany graniczne: 1-nośność ; 2-użytkowalność- do sprawdzenia funkcjonalności konstrukcji w czasie eksploatacji). Wymagania projektowe muszą być osiągnięte przy zastosowaniu: obliczeń, danych i doświadczeń, modeli doświadczalnych i próbnych obciążeń, metody obserwacyjnej (gdy powyższe są nieskuteczne). Program badań geotechnicznych, niezbędnych do opracowania dokumentacji geotechnicznej projektowanej budowli ziemnej powinien być przygotowany wspólnie z projektantem. Kategorię geotechniczną projektowanej budowli określa projektant na podstawie pozycji i geotech. zamieszczonej w dokumentacji geotechnicznej. Inżynierska wiedza geotechniczna o warunkach w podłożu gruntowym zależy od zakresu i jakości badań geotechnicznych. Taka wiedza i kontrola jakości wykonywania ma większe znaczenie dla spełnienia podstawowych wymagań, niż dokładność modeli obliczeniowych.Wykład 3 Oddziaływania, które należy przyjąć w analizach geotechnicznych: *ciężar gruntu skały i wody *naprężenie pierwotne w gruncie lusitu *ciśnienie wody wolnej *ciśnienie wody gruntowej *ciśnienie spływowe *obciążenia stałe i zmienne od sąsiednich konstrukcji *obciążenia naziomu *siły kotwienia lub sumowania *usunięcie obciążenia (odciążenia) lub wykonanie wykopu *obciążenie pojazdami *przemieszczenia spowodowane eksploatacją górniczą *pęcznienie i skurcz spowodowany przez rośliny, wpływy klimatu lub zmian wilgotności *przemieszczenia związane z degradacją, zmianami w składzie mineralnym, samo zagęszczaniem, rozpuszczaniem gruntu *przemieszczenia związane z pełzaniem lub osuwiskiem mas gruntu *przemieszczenia i przyspieszenia spowodowane trzęsieniami ziemi, wybuchami, wibracjami *obciążenia lodem *skutki działania temperatur *wstępne sprężanie wywoływane kotwami gruntowymi lub rozporami Parametry w analizie geotechnicznej: *wartości pomierzone- pomierzone w badaniach np.: wartość N z badań SP’, naprężenia i odkształcenia w badaniach trójosiowych *wartości wyprowadzone- parametr gruntu określony na podstawie teorii, korelacji lub zależność empirycznych z wartości pomierzonych. Z wartości pomierzonych przechodzi się do parametrów geotechnicznych: Wyniki badań polowych – poprzez korelacje – wartość parametru geotechnicznego (współczynnik w konkretnych metodach). Przy sondowaniu powstają straty: opór stożka qc; opór tarcia gruntu i tulei; współczynnik tarcia. Wartość wytrzymałości gruntu spoistych na ścinanie bez odpływu: tfu = [qc - svo ] / Nk, gdzie: Nk- empiryczny współczynnik stożka; svo- składowa pionowa naprężenia całkowitego. Koncepcja „ wartości wyprowadzanej”- jednorodna miarodajna strefa gruntu, dwa rodzaje badań polowych np.: 5 pomiarów sondą CPT i 5 pomiarów tensjometrem; pięć badań laboratoryjnych. Wartość wytrzymałości na ścinanie bez odpływu, jednorodnego gruntu należy zastosować do określenia wartości charakterystycznych przyjmowanych w projekcie. *wartości charakterystyczne- są ostrożnym oszacowaniem wartości w zależności od stanu granicznego *wartości projektowane- występują w parametrach stosowanych w obliczeniach projektowych. Określa się je na podstawie wartości charakterystycznej przez zastosowanie współczynników częściowych lub bezpośrednich na podstawie oceny, z wartości wyprowadzonej. Nasypy ich odwodnienie, uzdatnianie i wzmacnianie podłoża. Posadowienia takie mają zastosowanie tam, gdzie warunki gruntowe uzyskuje się przez: wbudowywanie gruntu; ulepszanie; odwodnienie; wykonanie konstrukcji z gruntu zbrojonego. Budowa nasypu- odpowiednim do budowy nasypów materiałem są w zasadzie wszystkie grunty sypkie, mimo zróżnicowania pod względem uziarnienia oraz niektóre odpady przemysłowe, tj: skały wydobyte przy eksploatacji złóż oraz popioły elektrowniane. Niektóre wytwarzane materiały jak: kruszywa lekkie też nadają się do budowy. Można wykorzystywać również niektóre materiały spoiste, ale wymagają one zastosowania ostrożności. Przy doborze materiału na nasyp należy uwzględnić jego następujące cechy: *uziarnienie *wytrzymałość okruchowa *zagęszczalność *spoistość *zawartość części organicznych *agresywność chemiczna *możliwość skażenia środowiska *rozpuszczalność *zdolność do zmian objętości (pęcznienie iłów, odkształcenie zapadowe) *odporność na wietrzenie *wpływ urabiania, transportu, układania *możliwość pojawienia się scementowania po ułożeniu Metoda obserwacyjna- zachowanie się gruntu z punktu widzenia geotechnicznego, często trudne jest do przewidzenia, niekiedy właściwe jest zastosowanie podejścia znanego jako „ metoda obserwacyjna”, w którym projekt korygowany jest podczas budowy. Gdy stosuje się to podejście, przed rozpoczęciem budowy należy spełnić cztery wymagania: *należy ustalić plan obserwacyjny *należy ustalić granice dopuszczalnych zachowań *należy oszacować przedział możliwego zachowania się konstrukcji Wartości charakterystyczne parametrów geotechnicznych określane są między innymi na podstawie zależności korelacyjnych. Projektowanie geotechniczne obejmuje: *stan graniczny *kategorię geotechniczną *współczynniki częściowe *wartości charakterystyczne Wymaga prowadzenia badań zarówno polowych jak i laboratoryjnych do określenia wartości obliczeniowej (projektowej)Wykład 4 Kryteria lokalizacji budowli ziemnych, w tym hydrotechnicznych (zapory, wały przeciwpowodziowe) i ich wpływ na rozwiązanie konstrukcyjne. Projektowanie i wykonawstwo obejmują: *dobór materiałów do budowy zapór ziemnych, wałów, grobli, dróg, itp. *kontrola stanu technicznego budowli *badania i dobór parametrów do obliczeń *wybór metod obliczenia stateczności Posadowienie budowli na gruntach obejmuje: *rozpoznanie właściwości podłoża *wybór materiałów posadowienia *wzmocnienie podłoża *dobór metod obliczeniowych w projektowaniu Usuwanie odpadów obejmuje: *wykorzystanie odpadów po przemysłowych w budownictwie *zagospodarowanie terenów po przemysłowych *składowanie Rodzaje posadowienia budowli na gruntach:*posadowienie bezpośrednie *ściany oporowe *ścianki szczelne *obudowa wykopów *konstrukcje podziemne Kryteria lokalizacji budowli: Rozpoznanie rejonu inwestycji musi zapewnić projekt. Powinna być w nim zawarta znajomość wszystkich elementów niezbędnych do wyboru najlepszych lokalizacji budowli ziemnej. Lokalizacja ta musi spełniać warunki wynikające z: *ekonomii budowli i jej stateczności *bezpieczeństwa publicznego *właściwego działania w przewidywanym okresie eksploatacji *zakresu ochrony środowiska O miejscu wykonania budowli decydują warunki topograficzne i geograficzne podłoża. Kryteria topograficzne: Czynniki topograficzne opracowuje się na podstawie: *analizy aktualnych map *studiowania materiałów archiwalnych *wizji terenowej ( w celu sprawdzenia aktualności map z terenem) Do najważniejszych obserwacji należy: *odczytywanie rzeźby i morfologii terenu (dolina rzeczna i jej trasa, stok górski, stożek napływowy) *rozwój sieci hydrograficznej, ocena drenowania terenu przez płynące cieki, ustalenie objętości odpływu podziemnego, obecności źródeł i pomiar ich wydajności *ustalenie głębokości zwierciadła wody podziemnej, wyznaczenie zasięgu wód powierzchniowych, ustalenie obecności wód w piwnicach *stwierdzenie procesów geologicznych: erozji rzecznej, ablacji, osiadania zapadowego w obrębie gruntów makroporowatych, przejawów osuwisk, procesów krasowych *określenie stanu zagospodarowania terenu; istniejącej zabudowy, dróg, rurociągów, rodzaju upraw rolniczo-leśnych Trójstopniowy podział terenu: *budowa skomplikowana- teren o intensywnym urzeźbieniu, duża zmienność warstw geologicznych o zaburzonym ułożeniu ( tektonicznym lub sedymentacyjnym); w odniesieniu do skał litych duża szczelinowość, woda podziemna płytko zalegająca, tworząc podmokłości lub zabagnienia; intensywne procesy geodynamiczne (osuwiska, kras, erozja powierzchniowa lub rzeczna i ablacja morska) *budowla złożona- teren pofalowany, warstwy geologiczne zmienne pod względem litologicznym, woda podziemna płytko zalega w soczewkach lub przewarstwieniach, wyraźne objawy procesów geodynamicznym *budowla prosta- teren płaski, warstwy geologiczne są jednorodne, zwierciadło wody podziemnej występuje głęboko, brak wyraźnych objawów procesów geologicznych. Kategoria geotechniczna: *systematyzuje zakres i rodzaj badań geotechnicznych oraz sposób ich dokumentacji *dotyczy konkretnego projektu lub budowlanego obiektu i jest ustalana w zależności od rodzaju obiektu i stopnia złożoności warunków jego podłoża *warunkuje metody obliczeń projektowanych i badań kontrolnych w czasie budowy Lokalizacja zapory: Zapora powinna znajdować się w takim przekroju, aby w zamkniętej dolinie możliwe było zmagazynowanie potrzebnej ilości wody przy minimalnej powierzchni zalewu. W celu ograniczenia kubatury zapory wybieramy przekrój w zwężeniu doliny o stromych skarpach. Czynniki wpływające na wybór lokalizacji zapory: *budowa geologiczna podłoża- typ zapory, koszt budowy *połączenie zapory z istniejącą siecią komunikacyjną *organizacja placu budowy *istniejące na tym obszarze zabudowania, drzewostany, drogi, linie kolejowe *możliwości wykonywania budowli towarzyszących Warunki litologiczne, stratygraficzne, tektoniczne i hydrogeologiczne nie decydują o ogólnej możliwości budowy zapory, ale wpływają w sposób istotny na koszty, a niejednokrotnie też na czas budowy Ważnym czynnikiem geologicznym, oprócz budowy podłoża, wpływającym na lokalizację i wybór typu zapory ziemnej jest możliwość uzyskania dostatecznych ilości materiału na budowę, w odległościach ekonomicznie uzasadnionych.Wykład 5 Grunty budowlane Grunt naturalny- najstarszy i najbardziej złożony materiał budowlany stosowany przez inżynierów w budownictwie ziemnym. Grunt niestety jest działaniem natury a nie człowieka i jego właściwości oraz zachowanie się w budowli są trudne do przewidzenia. Grunt- zespół cząstek mineralnych oraz substancji organicznych w postaci osadu, niekiedy pochodzenia organicznego, który może być rozdrobniony przez delikatne rozcieranie, o zmiennej zawartości wody i powietrza (a niekiedy też innych gazów). UWAGA !: termin test stosuje się do gruntu nasypowego, zawierającego grunt naturalny, albo materiały wytworzone przez człowieka, wykazujące podobne właściwości np.: kamienia łamanego, żużli, popiołów lotnych. Skutki upłynnienia przy płaskiej i nachylonej powierzchni terenu *Elektrownia wodna w Dychowie- osuwisko w 1997 roku Elektrownia szczytowo-pompowa zbudowana w 1934-1936 w dolinie rzeki Bóbr. Przyczyny katastrofy: upłynnienie gruntu, destrukcyjne oddziaływanie wody spływającej w dół skarpy przy wysokim gradiencie filtracji w długim okresie użytkowania elektrowni, w gruntach podatnych na zjawiska sufozyjne, słabo zagęszczone. Produkty wietrzenia lub rozdrobnienia skały pierwotnej: wietrzenie fizyczne, chemiczne i rozdrobnienie mechaniczne przy transporcie. Wymiary ziaren i tekstura gruntu: grunty gruboziarniste, grunty o średnim uziarnieniu, grunty drobnoziarniste. Frakcje uziarnienia gruntów: piaskowa, pyłowa, iłowa. Charakterystyki uziarnienia Ziarna i cząstki gruntu dzielą się na frakcje: *kamienna d > 25mm *żwirowa d = 25-2mm * piaskowa d = 2-0,05mm *pyłowa d = 0,05-0,002mm *iłowa d < 0,002mm Gruntami podstawowymi są grunty o jednolitym uziarnieniu tj: grunty składające się z cząstek tylko jednej frakcji. Wymiary cząstek i ich rozkład w gruncie można określić stosując analizę mechaniczną: *wydzielając grubsze frakcje poprzez przesiewanie na serii standardowych sit według ISO *określając frakcje drobniejsze za pomocą akceptowanych metod np.: sedymentacyjną, optyczną W wyniku przesiewania uzyskuje się krzywą uziarnienia. Frakcje, wymiary cząstek Grunty bardzo gruboziarniste: *duże głazy Lbo > 630 *głazy Bo> 200-630 *kamienie Co> 63-200 Grunty gruboziarniste: żwir Gr> 2-63 *żwir gruby CGr> 20-63 *żwir średni MGr> 6,3-20 *żwir drobny FGr> 2-6,3 piaski Sa> 0,063-2 *piasek gruby CSa>0,63-2 *piasek średni MSa> 0,2-0,63 *piasek drobny FSa> 0,063-0,2 Grunty drobnoziarniste: pył Si> 0,002-0,063 *pył gruby CSi> 0,02- 0,063 *pył średni MSi> 0,0063-0,02 *pył drobny FSi> 0,02- 0,0063 ił CL<= 0,002 Nazwy gruntów *żwir piaszczysty SaGr *żwir drobny z piaskiem grubym CsaFGr *pył z piaskiem średnim MsaSi *piasek gruby ze żwirem drobnym FGrCSa *piasek drobny z pyłem SiFSa *ił z piaskiem średnim MSaCl Wyniki badań uziarnienia przedstawione są w postaci krzywej uziarnienia. Oznaczenie frakcji gruboziarnistej pozwala wydzielić grupy dobrze uziarnione, słabo uziarnione lub źle uziarnione. Wskaźniki krzywizny Cc i różnoziarnistości Cu opisują kształt krzywej uziarnienia. Z wykresów uziarnienia można wyznaczyć: *procentowe zawartości poszczególnych frakcji *średnice cząstek d10, d30, d60 oznaczające średnice cząstek, które wraz z mniejszymi stanowią 10, 30, 60 %. Uziarnienie gruntu charakteryzuje: *wskaźnik krzywizny uziarnienia: C(Cc) = d302 / d10d60 *wskaźnik różnoziarnistości: U(Cu) = d60 / d10 Zależnie od wskaźnika różnoziarnistości grunty dzieli się na: *równoziarniste 1<= U <=5 (piaski wydmowe, lessy) *różnoziarniste 5<= U <=15 (gliny holoceńskie) *bardzo różnoziarniste U > 15 (gliny zwałowe, pospółki) Grunt jest dobrze uziarniony gdy: C= 1-3, a U >4 dla żwirów lub U>6 dla piasków. Nowa norma: *grunty wielofrakcyjne Cu>15; Cc= 1-3 *grunty kilkufrakcyjne Cu= 6-15 Cc<1 *grunty jednofrakcyjne Cu<6 Cc<1 *grunty źle uziarnione Cu bardzo duży Cc różnie, zwykle <0,5 Wykład 6
Cechy wpływające na przydatność gruntu jako materiału budowlanego na konstrukcje ziemne 1.Cechy wpływające na wymiary i rozwiązanie konstrukcji: *wytrzymałość na ścinanie *ściśliwość *przepuszczalność (zdolności filtracyjne) 2.Cechy charakteryzujące podatność gruntu na zagęszczanie: *uziarnienie gruntu *wilgotność gruntu *urabialność gruntu Parametry opisujące właściwości fizyczne: 1.podstawowe *wilgotność w *gęstość właściwa rs *gęstość objętościowa r 2.pochodne *gęstość objętościowa szkieletu gruntowego rds. *porowatość i wskaźnik porowatości e *wilgotność całkowita Wr i stopień wilgotności Sr *stopień zagęszczenia ID i wskaźnik zagęszczenia Is *wskaźnik plastyczności Ip i stopień plastyczności IL Terminy określające kształt cząsteczek *ostrość krawędzi lub stopień obtoczenia -bardzo ostrokrawędzisty –ostrokrawędzisty -słabo ostrokrawędzisty -słabo obtoczony –obtoczony -dobrze obtoczony *forma –sześcienna –płaska –wydłużona *charakter powierzchni -szorstka –gładka Parametry plastyczności gruntu Plastyczność-zdolność gruntów do poddawania się trwałym (nieodwracalnym) odkształceniom przy stałej objętości, bez pęknięć i kruszenia się. Cechę tę wykazują te grunty, które zawierają w swoim składzie cząstki minerałów ilastych. Wskaźnik plastyczności Ip- różnica między granicą płynną i granicą plastyczności, która oznacza ile wody w % wchłania dany grunt przy przejściu ze stanu półzwartego w półpłynny: Ip = wL - wp Stopień plastyczności IL- stosunek różnicy wilgotności naturalnej danego gruntu i granicy plastyczności do różnicy granicy płynności i granicy plastyczności: IL = [wn- wp] / [wL- wp] Konsystencje gruntów: *płynna- grunt zachowuje się jak ciecz i nie ma prawie żadnej wytrzymałości *plastyczna- odkształca się przy pewnym nacisku, nie ulega spękaniu i zachowuje nadany mu kształt *zwarta- odkształca się przy dużym nacisku, są spękania Oznaczenie konsystencji: Konsystencję gruntu spoistego powinno się oznaczać w badaniu makroskopowym: *grunt jest określony jako miękkoplastyczny, jeżeli wydostaje się między palcami *grunt jest plastyczny gdy daje się formować przy lekkim nacisku palców *grunt jest twardoplastyczny jeżeli nie może być formowany palcami, lecz może być wałeczkowany *grunt jest zwart jeśli rozpada się i pęka podczas wałeczkowania do wałeczka o średnicy 3mm lecz jest ciągle dostateczne wilgotny *grunt jest bardzo zwarty gdy jest wysuszony i ma najczęściej jasną barwę. Nie można go uformować w bryłki, lecz rozdrabnia się pod naciskiem.
Wykład 7 Technologia wbudowania gruntu w nasyp Technologiczne nasypy doświadczalne zapewniają: *próbne zagęszczanie gruntu *pozwala jednoznacznie określić: -najbardziej przydatny sprzęt (parametry wibracji) -wilgotność gruntu -maksymalną możliwą grubość warstw -minimalną skuteczną ilość przejść sprzętu Rodzaje kontroli zagęszczenia gruntów:...
Grado