MECHANIKA GRUNTÓW MECHANIKA GRUNTÓW
Instytut Geologii,
Uniwersytet im. A. Mickiewicza w Poznaniu
prof. UAM, dr hab. inż. Jędrzej Wierzbicki
MG:
MG:
CEL
Poznanie zasad modelowego opisu ośrodka gruntowego (model i jego parametry).
Umiejętność określenia i analizy stanu naprężenia i odkształcenia gruntu.
Poznanie podstaw reologii gruntu, modelu modified
Cam-Clay oraz Hardening Soil.
MG:
MG: CEL
Poznanie:
• teorii konsolidacja gruntu,
• kryteriów wytrzymałościowych,
• hipotez rozkładu naprężeń w podłożu i metod wyznaczania naprężeń od budowli,
• metod analizy stanu naprężenia w podłożu i jego wytrzymałości,
• elementów teorii sprężystości.
Zapoznanie się z metodyką zaawansowanych
laboratoryjnych badań wytrzymałościowych.
MG:
MG:
1. 30 h WYKŁADÓW + 30 h ĆWICZEŃ 2. PRACA WŁASNA – 100 h
3. KONSULTACJE
4. SPRAWDZENIE WIEDZY:
• KOLOKWIA
• EGZAMIN
1. 30 h WYKŁADÓW + 30 h ĆWICZEŃ 2. PRACA WŁASNA – 100 h
3. KONSULTACJE
4. SPRAWDZENIE WIEDZY:
• KOLOKWIA
• EGZAMIN
ORGANIZACJA ZAJĘĆ
MG:
MG:
LITERATURA
Das B.M. (1984):
Principles of geotechnical engineering. PWS-Kent Publishing Company, Boston Mass.
Glazer Z. (1985):
Mechanika Gruntów. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa.
Head K.H. (1986):
Manual of Soil Laboratory Testing. Penetch Press., Vol. 3.
Kisiel I., Dmitruk S., Lysik B. (1969):
Zarys reologii gruntów. Nośność i stateczność gruntów. Wyd. Arkady, Warszawa.
Lambe T. W., Whitman R.V. (1969):
Soil mechanics. MIT wyd. J. Wiley and Sons, Inc.
MG:
MG: LITERATURA
Pisarczyk S. (2005):
Mechanika gruntów. OWPW, Warszawa.
Wiłun Z. (2000):
Zarys geotechniki. Wyd. Komunikacji i Łączności, Warszawa.
Worth C.P., Houlsby G.T. (1985):
Soil mechanics – property characterization and analysis procedures.
W: Proc. of 11thICSMFE, Vol. 1, San Francisco: 1-56.
• Craig R.F. 1997.
Soil Mechanics. Six editio, Spon Pres, Taylor &Francis Group. London & New York
• Atkinson J. 1993.
An Introduction to the Mechanics of Soils and Foundations.
MG:
MG:
ZARYS PRZEDMIOTU
Mechanika Gruntów:
nauka o fizycznych i mechanicznych
właściwościach gruntów oraz stanach naprężenia i odkształcenia występujących w podłożu.
Mechanika Gruntów
jest projekcją klasycznej mechaniki newtonowskiej na trójfazowy ośrodek rozdrobniony.
Mechanika Skał – bada ośrodek zlityfikowany
MG:
MG:
HISTORIA
• XVIII i XIX wiek; podstawowe zależności i parametry;
• Coulomb 1773 – równowaga graniczna;
• Rankin 1857 – warunek stanu granicznego;
• Boussinesq 1886 – wyznaczanie stanu naprężenia w podłożu;
• Krey 1918 – hipoteza wytrzymałościowa.
OKRES „KLASYCZNY”
MG:
MG: HISTORIA
OKRES „KLASYCZNY + ”
• 1 poł. XX wieku;
• Terzaghi 1925, 1936:
• metodyka badań gruntów,
• zależność właściwości mechanicznych od stanu gruntu,
• teoria konsolidacji,
• pojęcie naprężen efektywnych;
• Fellenius 1926 – analiza stateczności zboczy;
MG:
MG: HISTORIA
OKRES „KLASYCZNY + ”
• 1932 - prof. Pogany – Laboratorium Mechaniki Gruntów (Politechnika Lwowska);
• 1936 – 1 kongres i postanie ISSMFE – obecnie ISSMGE
• struktura organizacji,
• 21 Komitetów Technicznych (TC-...),
• kongresy;
• 1956 – Katedra Mechaniki Gruntów (prof. Orzechowski, Politechnika Poznańska)
• 1966 – Zakład / Katedra Geotechniki (prof. Zbigniew Młynarek, WSR/AR/Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu)
• Polski Komitet Geotechniki (od 1956): prof. Piątkowski, prof. Wiłun,
prof. Grabowski, prof. Dembicki, prof. Młynarek, prof. Lechowicz, prof. Szymański.
MG:
MG: HISTORIA
OKRES „NOWOCZESNY ”
• 2 poł. XX wieku & REC, ośrodek Cambridge;
• modele lepko-sprężyste + elasto-plastyczne (Cam-Clay);
• rozszerzenie rozumienia parametrów i uzależnienie ich wartości od ścieżki naprężenie - odkształcenie;
• wielowymiarowa analiza zachowania się gruntu, przestrzeń p-q;
• wprowadzenie analizy ryzyka w ujęciu statystycznym.
MG:
MG:
INŻYNIERSKI OPIS LITOSFERY
OPIS OŚRODKA GRUNTOWEGO
MODEL
PARAMETRY
ROZWIĄZANIE
MG:
MG: INŻYNIERSKI OPIS LITOSFERY - model
MODEL
PROSTE ZŁOŻONE
ROZWIĄZANIE PRZYBLIŻONE
ROZWIĄZANIE DOKŁADNE
KONIECZNE STOSOWANIE
WSPÓŁCZYNNIKÓW BEZPIECZEŃSTWA
MG:
MG:
MODEL ROZWIĄZANIE PRZYBLIŻONE
Izotropowe, liniowe, jednorodne (2 parametrowe)
Anizotropowe
(3 parametrowe) Nieliniowe
Niejednorodne
Ortotropowe (5 parametrowe) Pełnie anizotropowe
(21 parametrowe)
ROZWIĄZANIE DOKŁADNE
INŻYNIERSKI OPIS LITOSFERY - model
MG:
MG:
MODEL ROZWIĄZANIE PRZYBLIŻONE
• anizotropowa natura gruntu
• relatywnie mała liczba badań
• proste metody badawcze i interpretacyjne
• standaryzacja rozwiązań
ANALIZY NOŚNOŚCI
ANALIZY DEFORMACJI
INŻYNIERSKI OPIS LITOSFERY - model
MG:
MG:
ANALIZY NOŚNOŚCI
ANALIZY DEFORMACJI
• sU
• c’, f’
• g, g’
• Eu, nu
• G, D’
• E’, n’
Ir = G
su
?
INŻYNIERSKI OPIS LITOSFERY - model
MG:
MG:
MODEL
OPIS OŚRODKA GRUNTOWEGO
PARAMETRY
ROZWIĄZANIE
INŻYNIERSKI OPIS LITOSFERY - parametry
MG:
MG:
PARAMETRY
INŻYNIERSKI OPIS LITOSFERY - parametry
zmienne stanu stałe
materiałowe
ciało sprężyste - G
ciało plastyczne - fm e, M, OCR, su, s, f’…
MG:
MG:
PARAMETRY
INŻYNIERSKI OPIS LITOSFERY - parametry
analizy deformacji analizy stanu
granicznego
• sU
• c’, f’
• g, g’
• E, n, G, D, Cc, cv
MG:
MG:
PARAMETRY
INŻYNIERSKI OPIS LITOSFERY - parametry
fizyczne mechaniczne
• sU c’, f’ • g, g’, e, Sr
MG:
MG: INŻYNIERSKI OPIS LITOSFERY - parametry
- ciężar objętościowy – g[kN/m3]
- ciężar objętościowy szkieletu ziarnowego – gd [kN/m3]
- ciężar objętościowy z uwzględnieniem...– g’, gsr[kN/m3]
gd= 100g / (100+w)
g’ = gsr - gw
gsr= (1-n)gs+ ngw
- wilgotność – w [%]
- porowatość – n [-]
- wskaźnik porowatości – e [-]
MG:
MG: INŻYNIERSKI OPIS LITOSFERY - parametry
- wilgotność optymalna – wopt[%]
- skład granulometryczny – ...
rd
w wopt
rds
- maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntowego – rds[g/cm3]
FRAKCJE
Kamienista Żwirowa
Piaskowa Pyłowa
Iłowa 1,868 1,889 1,891
Średnica miarodajna [mm]
Zawartość frakcji o średnicy większej niż "d" [%] Zawartość frakcji o średnicy mniejszej niż "d" [%]
0.001 0.01 0.1 1 10 100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
MG:
MG: INŻYNIERSKI OPIS LITOSFERY - parametry
- stopień plastyczności – IL[-]
- granica plastyczności – wp[-]
- granica płynności – wl[-]
IL = wn-wp IP - wskaźnik plastyczności – IP[-]
IP= wl- wp
- wskaźnik konsystencji – IC[-] IC= 1 - IL
MG:
MG: INŻYNIERSKI OPIS LITOSFERY - parametry
- wskaźnik aktywności koloidalnej Skemptona – A [-]
- wskaźnik wilgotności – Sr [-]
A = Ip / fi
0,0 < Sr ≤ 0,4 suchy 0,4 < Sr ≤ 0,8 wilgotny 0,8 < Sr ≤ 1,0 mokry Sr = wrs / 100e
- stopień zagęszczenia – ID[-]
ID= emax-en emax-emin
MG:
MG: INŻYNIERSKI OPIS LITOSFERY - parametry
- stan naprężenia – s [kPa]
- kąt tarcia wewnętrznego – f’ [°]
- spójność – c’ [kPa]
- wytrzymałość na ścinanie bez odpływu – su [kPa]
MG:
MG: INŻYNIERSKI OPIS LITOSFERY - parametry
- moduły odkształcenia – ... [MPa]
- współczynnik Poissona – n [-]
- wskaźnik przekonsolidowania (prekonsolidacji) – OCR [-]
- parametr stanu – y [-]
- współczynnik parcia spoczynkowego – K0 [-]
OCR = s’p(y) s’v0
K0= s’h0 s’v0
MG:
MG: INŻYNIERSKI OPIS LITOSFERY - parametry
f
s
f
u
'
OCR
s f
m
u
,
'
n
v
u
f OCR
s ,
'
0
MG:
MG:
STAN NAPRĘŻENIA
NAPRĘŻENIE – graniczna wartość stosunku siły działającej na nieskończenie mały element pola przekroju ciała do wymiaru tego pola.
A N
A
lim
0
Naprężenia w punkcie – czysto teoretyczne;
Naprężenie na powierzchni, którą charakteryzuje.
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
x
y z
W PUNKCIE
s
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
NA PŁASZCZYŹNIE
x
y z
t s
s
yyMG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
NA PŁASZCZYŹNIE
x
y
z s
yyt s
t
yxt
yz=s
yzMG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
W PRZESTRZENI
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
zz zy
zx
yz yy
yx
xz xy
xx ij
W PRZESTRZENI TENSOR
NAPRĘŻENIA
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
NA DOWOLNEJ PŁASZCZYŹNIE
2 2
2
p
p
p n (1)
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
NA DOWOLNEJ PŁASZCZYŹNIE
2 2
2 2
z y
x p p
p
p (2)
ij j
i a
p
(3)x a
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
NA DOWOLNEJ PŁASZCZYŹNIE
pn
px ax
a cos
ay
cos
az
cos
ij j
i a
p
(3)MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
NA DOWOLNEJ PŁASZCZYŹNIE
xz z
xy y
xx x
x a a a
p
ax
a cos
ay
cos
az
cos
(3.1)
ij j
i a
p
(3)yz z
yx x
yy y
y a a a
p
zy y
zx x
zz z
z a a a
p
x a
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
NA DOWOLNEJ PŁASZCZYŹNIE
pn
px pnx
nz ny
nx
n p p p
p (4)
ax
a cos
ay
cos
az
cos
x x
nx a p
p
y y
ny a p
p
z z
nz a p
p
(5)
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
NA DOWOLNEJ PŁASZCZYŹNIE
xz z
xy y
xx x
x a a a
p
3.1
yz z
yx x
yy y
y a a a
p
zy y
zx x
zz z
z a a a
p
(4) (5)
nz ny
nx
n p p p
p pnx ax px
y y
ny a p
p
z z
nz a p
p
+ +
xz z
x zy
y z xy
y x zz
z yy
y xx
x
n a a a a a a a a a
p 2
2
2
2
2
2
2 2
2
p
np p
(2)
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
NAPRĘŻENIA GŁÓWNE
xz z
xy y
xx x
x a a a
p
(3.1)
yz z
yx x
yy y
y a a a
p
zy y
zx x
zz z
z a a a
p
x
x a
p
y
y a
p
z
z a
p
(6)
x a
pn
px
0
p pn
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
NAPRĘŻENIA GŁÓWNE
(3.1)
(6) +
xx
y xy z xzx
a a
a
0
yy
z yzy yx
x
a a
a
0
a
x zxa
y zya
z zz0
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
NAPRĘŻENIA GŁÓWNE
zz zy
zx
yz yy
yx
xz xy
xx
0
(3.1)
(6) +
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
NAPRĘŻENIA GŁÓWNE
(3.1)
(6) +
3 2
2 1
0
3 I I I
zz yy
I1 xx
2 2
2
2 xx yy yy zz xx zz xy yz xz
I
zz zy
zx
yz yy
yx
xz xy
xx
I ij
3
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
NAPRĘŻENIA GŁÓWNE
(3.1)
(6) +
3 2
2 1
0
3 I I I
3 1 3
2 2
1
2
I3 2
1
1
I3 2 1
3
IMG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
NAPRĘŻENIA W PŁASZCZYŹNIE DEWIACYJNEJ I OKTAEDRYCZNEJ
2
3 2
1
2
3 1
2
2
2 1
3
DEWIATOR NAPRĘŻENIA
NAPRĘŻENIA OKTAEDRYCZNE
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
NAPRĘŻENIA NA DOWOLNEJ PŁASZCZYŹNIE - KOŁA MOHRA
3 2 2
2 1
2
ax ay az2 2
3 2 2
2 2 2
1 2
2
ax ay az xz z x zy
y z xy
y x zz
z yy
y xx
x
n a a a a a a a a a
p 2 2 2 2 2 2
2 2
2
pn
p p
x
y z
s3
s2
s1
s
t P
a g
b
NAPRĘŻENIA GŁÓWNE
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
NAPRĘŻENIA NA DOWOLNEJ PŁASZCZYŹNIE - KOŁA MOHRA
x
y z
s
t P
s3
s2
s1
a g
b
g = const b = const
a = const
P1
P3
P2
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
NAPRĘŻENIA NA DOWOLNEJ PŁASZCZYŹNIE - KOŁA MOHRA
x
y z
s
t P
s3
s2
s1
a g
b
g = const b = const
a = const
g = 90º
y=
x=
P1
P2 P3
P3 P2 P1
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
NAPRĘŻENIA NA DOWOLNEJ PŁASZCZYŹNIE - KOŁA MOHRA
x
y z
s
t P
s3
s2
s1
a g
b
g = const b = const
a = const
a = 90º
z=
y=
P1
P2 P3
P3 P2 P1
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
NAPRĘŻENIA NA DOWOLNEJ PŁASZCZYŹNIE - KOŁA MOHRA
x
y z
s
t P
s3
s2
s1
a g
b
g = const b = const
a = const
b = 90º
z=
x=
P1
P2 P3
P3 P2 P1
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
NAPRĘŻENIA NA DOWOLNEJ PŁASZCZYŹNIE - KOŁA MOHRA
x
y z
s
t P
s3
s2
s1
a g
b
g = const b = const
a = const
a,b,g= 90º
P1
P2 P3
P3 P2 P1
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
NAPRĘŻENIA NA DOWOLNEJ PŁASZCZYŹNIE - KOŁA MOHRA
x
y z
s
t P
s3
s2
s1
a g
b
P1
P2 P3
P3 P2 P1
g = const a = const
z x
a g
s,t
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
NAPRĘŻENIA NA DOWOLNEJ PŁASZCZYŹNIE - KOŁA MOHRA
x
y z
s
t P
s3
s2
s1
a g
b
P1
P2 P3
P3 P2 P1
g = const a = const
z x
a g
s,t
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
KOŁA MOHRA NA PŁASZCZYŹNIE
z
x t
s
tzx txz
sz sx
w
1, 2=3
cos2 sin2
2
2 zx
z x
z
x
sin2 cos2
2 1
zx z
x
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
KOŁA MOHRA NA PŁASZCZYŹNIE
cos2
2 2
z x
z
x
sin2
2 1
z x
z
x t
s
tzx txz
sz sx
w
1, 2=3
x =1, z=3
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
KOŁA MOHRA NA PŁASZCZYŹNIE
x
2
3
1
2
3
1
M3
2w
s
t
P3 P1
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
KOŁA MOHRA NA PŁASZCZYŹNIE
z
x M3
2
3
1
p
2
3
1
q
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA
KOŁA MOHRA NA PŁASZCZYŹNIE
2
3
1
p
2
3
1
q
MG:
MG:
STAN ODKSZTAŁCENIA
A
B l
A’
B’
l’
A’’
B’’
l’’
AB A’B’
l = l’ = l”
przesunięcie i obrót A A’
B B’
ZAŁOŻENIA
MG:
MG: STAN ODKSZTAŁCENIA
A
B l
A’
l’ B’
A A’
B B’
l ≠ l’
ODKSZTAŁCENIE
ux(x,y,z) uy(x,y,z) uz(x,y,z) s = const.
ZAŁOŻENIA
MG:
MG: STAN ODKSZTAŁCENIA
RODZAJE
objętości postaci
z
x
uz(x,y,z) ux(x,y,z)
z
x
+ +
-
uz(x,y,z) - ux(x,y,z)
ODKSZTAŁCENIE
MG:
MG: STAN ODKSZTAŁCENIA
MIARA ODKSZTAŁCENIA LINIOWEGO
A
B
A’
B’
l0
l
2 ...
ln 1
2
0 0
0 0
dl l l l l l l l
l
l
ll
0l
l
MG:
MG: STAN ODKSZTAŁCENIA
s
z
x
g
tgg g PROSTE ŚCINANIE
dz du
xzx
MIARA ODKSZTAŁCENIA POSTACI
MG:
MG: STAN ODKSZTAŁCENIA
MIARA ODKSZTAŁCENIA POSTACI
z
x
s
g
zx
xz
zx
2 1
g
s
gZX = - gZX
MG:
MG: STAN ODKSZTAŁCENIA
MIARA ODKSZTAŁCENIA POSTACI
z
x
s
s
gZX = gZX
CZYSTE ŚCINANIE
MG:
MG: STAN ODKSZTAŁCENIA
TENSOR ODKSZTAŁCENIA
...
2 ;
1
x z zyzx
x
u z
u
zz zy
zx
yz yy
yx
xz xy
xx ij
x u
xxx
y
u
yyy
z
u
zzz
MG:
MG: STAN ODKSZTAŁCENIA
TENSOR ODKSZTAŁCENIA – ODKSZTAŁCENIA GŁÓWNE
3 2
2 1
0
3 J J J
3 1 3
2 2
1
2
J3 2
1
1
J3 2 1 3
JMG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA + ODKSZTAŁCENIA
zz zy
zx
yz yy
yx
xz xy
xx kl
zz zy
zx
yz yy
yx
xz xy
xx ij
kl ijkl
ij
A
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA + ODKSZTAŁCENIA
ij kl
ij
ij
2
stałe Lamego
1 2 G E
2 1
1
E
CIAŁO IZOTROPOWE
MG:
MG:
STAN NAPRĘŻENIA + ODKSZTAŁCENIA
MODEL PODSTAWOWY
s
e plastyczne
s
e
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA + ODKSZTAŁCENIA
CIAŁO IZOTROPOWE
2 1
G E E D 3 1 2
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA + ODKSZTAŁCENIA
CIAŁO IZOTROPOWE
2 1
1
1
E
1 2 D
3 E
B
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA + ODKSZTAŁCENIA
CIAŁO IZOTROPOWE
(Massarsch 2014)
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA + ODKSZTAŁCENIA
CIAŁO IZOTROPOWE
(Massarsch 2014)
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA + ODKSZTAŁCENIA
ŚCIŚLIWOŚĆ
s e
Krzywa ściśliwości
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA + ODKSZTAŁCENIA
ŚCIŚLIWOŚĆ
s h
h0 h1
s1 s0
M
- edometryczny modułściśliwości (sieczny)
a tg
M
- edometryczny modułściśliwości (styczny)
a
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA + ODKSZTAŁCENIA
ŚCIŚLIWOŚĆ
s
e - współczynnik ściśliwości
e a
ve0 e1
s0 s0
- współczynnik ściśliwości objętościowej
1
01
e a
m
vM
v
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA + ODKSZTAŁCENIA
ŚCIŚLIWOŚĆ
s h
h1 h2
s2 s1
- bezwymiarowy współczynnik modułu
a
a 1
a a v0
p p σ'
m M
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA + ODKSZTAŁCENIA
ŚCIŚLIWOŚĆ
logs e
logs’p
logs’plogs’0
logs’1
e0
e1
= −
′ − ′ = ∆
′
′
Cc , l - wskaźnik ściśliwości (pierwotnej)
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA + ODKSZTAŁCENIA
ŚCIŚLIWOŚĆ
Cc= 0,009(wL – 10) (Terzaghi i Peck, 1967)
(Das, 1984)
= −
′ − ′ = ∆
′
′ Cc - wskaźnik ściśliwości (pierwotnej)
MG:
MG: STAN NAPRĘŻENIA + ODKSZTAŁCENIA
MODEL CIAŁA IZOTROPOWEGO
s
e plastyczne
s
e grunt
spl spl
spl
CIAŁO HOOKA
CIAŁO
SAINT-VENANTA