Metody oceny zagęszczenia podłoża budowlanego

Transkrypt

1 Piotr Jermołowicz Inżynieria Środowiska Metody oceny zagęszczenia podłoża budowlanego Zastosowanie coraz nowszych materiałów i rozwiązań konstrukcyjnych wymaga dostosowania metod badawczych, zwłaszcza in situ, zapewniających nie tylko szybkość, ale i jakość pomiarów, także w geotechnice. W budownictwie liniowym, gdzie oddziaływanie konstrukcji ma stosunkowo mały zasięg ( 2 3 m ppt.), główną cechą badaną bezpośrednio w terenie jest zagęszczenie gruntu. W tym celu określa się wskaźnik zagęszczenia I s oraz wtórny moduł odkształcenia E 2. Zagęszczenie gruntu można też oceniać na podstawie wskaźnika odkształcenia I 0. Najczęściej są stosowane dwie metody pomiarów: statyczna próbnych obciążeń oraz dynamiczna. 1. Badania statyczne płyta VSS Nasyp, stanowiący stabilne podłoże nawierzchni, powinien posiadać odpowiednią nośność i zagęszczenie. Wymagania w tym zakresie reguluje norma PN-S-02205:1998. Według wyżej wymienionej normy miarodajne dla oceny jakości nasypu są dwa parametry: w zakresie zagęszczenia - wskaźnik zagęszczania (I s ), a w zakresie nośności - wtórny moduł odkształcenia (E 2 ) uzyskany z badania płytą VSS. Wartość wskaźnika zagęszczenia (I s ) na powierzchni robót ziemnych nasypów autostradowych powinna wynosić I s = 1,03, zaś wtórnego modułu odkształcenia (E 2 ) co najmniej 120 MPa. Ocena zagęszczenia nasypów jest podstawowym badaniem w czasie realizacji inwestycji drogowych. Tradycyjnie dokonuje się jej na podstawie oceny wskaźnika zagęszczenia I s otrzymywanego z badania Proctora. Ze względu na specyfikę wykonywania badanie to nie nadaje się jednak do określenia zagęszczenia gruntów, zawierających w swoim składzie znaczną ilość frakcji żwirowej. W takim przypadku norma sugeruje stosowanie wartości wskaźnika odkształcenia (I 0 ) jako zastępczego kryterium oceny wymaganego zagęszczania nasypów. Wskaźnik odkształcenia (I 0 ) jest uzyskiwany z badania płytą VSS i wyraża się stosunkiem modułu odkształcenia wtórnego (E 2 ) do pierwotnego (E 1 ). Norma podaje, że dla piasków, pospółek i żwirów wskaźnik odkształcenia I 0 powinien wynosi co najwyżej 2,2. Oceny zagęszczenia i nośności nasypów z gruboziarnistych kruszyw naturalnych dokonuje się na podstawie parametrów uzyskiwanych z badania płytą VSS. Zgodnie z normą przy jednoczesnym spełnieniu obu warunków tzn. E MPa i I 0, nasyp uważa się za odpowiednio zagęszczony oraz posiadający wystarczającą nośność. Bardzo często zdarza się, że w wyniku przeoczenia lub braku odpowiedniej staranności, w wyniku prac terenowych powstaje dokumentacja nieodzwierciedlająca rzeczywistych warunków gruntowych.

2 Wówczas również z pomocą przychodzi nam, ale już w trakcie wykonawstwa, metoda VSS. Tak też stało się w miejscach natrafienia w trakcie robót liniowych na zalegające w podłożu składowiska odpadów komunalnych. Pozostawienie tego typu kwiatków przyszłym wykonawcom robót niesie straty również dla Inwestorów nieświadomych tego typu niespodzianek. Z reguły wiąże się to z podjęciem szybkich kroków proceduralnych wobec projektanta i koniecznością opracowania projektu zamiennego umożliwiającego kontynuację przerwanych robót na określonym odcinku. Grunty antropogeniczne, odpady bytowe, wysypy gruzu oraz zaleganie gruntów organicznych przykrytych warstwami gruntów nawierzchniowych będą stanowiły coraz częstszy obraz na budowach. Uzyskiwane wyniki z pomiarów nośności podłoża gruntowego po wykorytowaniu na słabonośnych odcinkach wymuszają zastosowanie różnych technik wzmocnienia nasypów lub uzdatnienia podłoży. Przykłady w tym zakresie można mnożyć w nieskończoność. Przykład I: odcinek 400 m obwodnicy drogowej z niespodzianką na trasie nowoprojektowanej drogi w postaci starego składowiska odpadów Tab.1. Pomiary modułów na trasie zalegania odpadów

3 Rys. 1. Obszar zalegania starego składowiska odpadów Przykład II: odcinek ok m obwodnicy miejskiej z niezinwentaryzowanym składowiskiem odpadów komunalnych z lat 70-tych ub. wieku. Tab. 2. Pomiary modułów płytą VSS i płytą obciążaną dynamicznie Nr pktu Pomierzone moduły E [MPa] Wskaźnik odkształcenia I 0 =E 2 /E 1 E vd E 1 E 2 wyznaczony wymagany MPa 1 A 2 3 B 4 5 C 6 7 D 8 6,07 5,82 14,37 5,69 3,07 16,38 25,28 37,13 28,55 5,79 5,38 5,88 13,06 9,05 25,77 14,28 5,63 32,37 51,34 72,58 64,29 12,98 10,15 11,24 2,15 1,55 1,79 2,50 1,83 1,98 2,03 1,95 2,25 2,24 1,89 1,91 4,1 6,7 14,5 6,9 5,3 20,6 22,5 44,3 24,9 5,4 6,1 6,4

4 Rys. 2. Trasa drogowa na obszarze składowiska z punktami badawczymi i strefami nośności podłożą 1.1. Metodyka badań Rys. 3. Aparat VSS Badanie płytą VSS polega na pomiarze odkształceń pionowych (osiadań) badanej warstwy pod wpływem nacisku statycznego.

5 Obciążenia są realizowane skokowo podobnie jak w przypadku badania edometrycznego. Przyrost obciążeń następuje co 50 kpa aż do osiągnięcia wartości 350 kpa, po czym następuje odciążanie i ponowne zadawanie obciążeń. Moduły odkształceń dla nasypów wyznacza się dla zakresu kpa. Odkształcenia powstałe w wyniku zadawanych obciążeń są odkształceniami trwałymi, związanymi z przemieszczeniami cząstek gruntu względem siebie na skutek poślizgu bądź toczenia oraz kruszeniem i pękaniem ziarn w miejscach styków, oraz sprężystymi polegającymi na odkształceniach poszczególnych cząstek. Jak wynika z doświadczeń, poślizg międzycząsteczkowy, powodujący przegrupowanie ziarn w masie gruntowej, wpływa w największej mierze na całkowite odkształcenia. Sprężysta praca materiału staje się istotna, gdy na skutek przemieszczeń ziarn (zagęszczania) masa gruntowa nabiera sztywności. Nieulepszone grunty spoiste, nawet w stanie zwartym, wykazują wtórny moduł odkształcenia, zazwyczaj poniżej 50 MPa (np. ił mioceński E 2 ~38 MPa, glina zwałowa E 2 ~27 MPa, mada pylasta E 2 ~14 MPa), przy wskaźniku odkształcenia poniżej 2,0. Piaski średnie w stanie zagęszczonym (I D ~0,7) wykazują wartości wtórnego modułu odkształcenia z przedziału 78,9 112,5 MPa, przy wskaźniku odkształcenia często poniżej 2,2. Piaski pomimo nawet dobrego zagęszczenia nie posiadają odpowiednio wysokiej nośności. Pospółki i żwiry, ze względu na znaczną zawartość frakcji żwirowej, osiągają nośność znacznie wyższą od piasków. Przeprowadzone na przestrzeni ostatnich 10 lat badania płytą VSS wskazują, że pospółki i żwiry mogą osiągać moduł odkształcenia wtórnego E 2 nawet ponad 200 MPa. Dla tego typu materiałów szczególnie istotnymi cechami są: kształt ziarn oraz uziarnienie. Wykazano, że dla danego stopnia zagęszczenia moduł odkształcenia materiału o ziarnach kanciastych będzie mniejszy niż takiego o ziarnach obtoczonych. Ziarna dobrze obtoczone (szczególnie kuliste) są bowiem znacznie mniej podatne na pękanie i kruszenie ich krawędzi. Grunty o nierównomiernym uziarnieniu zagęszczają się znacznie lepiej niż grunty równomiernie uziarnione, gdyż drobniejsze cząstki wnikają pomiędzy grubsze, wypełniając wolne przestrzenie W praktyce okazuje się, że skład petrograficzny żwirów i pospółek staje się bardzo istotny przy wykonywaniu pomiarów odkształceń płytą VSS. Otoczaki skał krystalicznych oraz kwarcytów wykazują znaczną kulistość względem dyskoidalnych i wrzecionowatych otoczaków piaskowcowych. Przyjęcie w normie jednego kryterium wskaźnika odkształcenia I 0 oraz wtórnego modułu odkształcenia E MPa wspólnie dla piasków, pospółek i żwirów sprawia w praktyce duże trudności wykonawcom robót ziemnych w zakresie możliwości jednoczesnego dotrzymania wymaganych wartości obu wymienionych parametrów.

6 Rys. 4. Zależność wskaźnika odkształcenia (I0) od wtórnego modułu odkształcenia (E2) dla nasypów z materiału dunajcowego. Obszar czerwony obejmuje wyniki spełniające kryteria normowe (E MPa i I 0 ).Obszar zielony obejmuje wyniki dla przyjętych kryteriów (E MPa i I 0 2,8) [8] Mechanizm odkształceń nasypów poddanych obciążeniu jest zagadnieniem złożonym, zależnym od wielu czynników (rodzaj podłoża, miąższość nasypu, znaczna zmienność materiału, nawet w obrębie jednego złoża). Znaczny rozrzut wyników wskaźnika odkształcenia wskazuje, że zachowanie się nasypów pod obciążeniem, dla różnych materiałów, jest zmienne, pomimo że badania wykonywano na nośnym podłożu rodzimym. Obecnie stosowane przepisy i normy nie dopuszczają możliwości indywidualnego doboru wielkości parametrów zagęszczenia i nośności nasypu w zależności od użytego kruszywa i jego cech jakościowych. Wydaje się, że celowe byłoby rozważenie dopuszczenia możliwości wyznaczania określonych parametrów jakości nasypów (np. I0) w odniesieniu do danego materiału. Jest to szczególnie istotne w przypadku, gdy określony materiał ze względu np. na skład petrograficzny, kulistość ziarn lub inne specyficzne cechy odróżnia się od większości kruszyw stosowanych w Polsce. 2. Płyty obciążane dynamicznie Płyta obciążana dynamicznie jest przeznaczona do badania nośności nie związanych warstw nośnych jako alternatywa lub uzupełnienie badania przyrządem VSS (badanie statyczne). Płyta dynamiczna spełnia wymogi technicznych przepisów kontrolnych dotyczących badań gruntu i skał w budownictwie drogowym. Przyrząd ten pozwala na szybkie ustalenie dynamicznego modułu odkształcenia Evd [MN/m 2 ] wierzchniej warstwy nośnej. Ocenę nośności można przeprowadzać dla gruntów o wielkości ziaren do 63mm i dynamicznym module odkształcenia równym Evd 125 MN/m 2. Szczególną zaletą płyty dynamicznej jest to, że w przeciwieństwie do aparatu VSS nie wymaga ona zastosowania statywu i samochodu

7 ciężarowego jako przeciwwagi. Z tego powodu płytę można stosować w trudniej dostępnych miejscach, takich jak odwierty, rowy, nasypy. Płyta znajduje zastosowanie w drogownictwie, kolejnictwie oraz budownictwie sieci kablowych, gazowych, wodno-kanalizacyjnych Metodyka badań Przed przystąpieniem do pomiarów płytę obciążającą należy starannie liczyć na badanej powierzchni i połączyć z elektronicznym rejestratorem. Prowadnicę z ciężarkiem należy umieścić centralnie na kuli centrującej płyty. Przed opuszczeniem ciężarka należy podnieść go na wyznaczoną wysokość i zablokować mechanizmem spustowym znajdującym się w górnej części prowadnicy. Przed właściwym pomiarem należy wykonać trzy uderzenia wstępne zapewniające właściwy kontakt płyty z podłożem. Seria pomiarowa składa się z trzech kolejnych uderzeń. W czasie pomiaru na ekranie wskazywane są poszczególne amplitudy osiadania w mm. Następnie zostaje obliczona i wyświetlona wartość średnia z trzech kolejnych pomiarów oraz moduł odkształcenia dynamicznego. Rys. 5. Widok płyty obciążanej dynamicznie [19]

8 3. Sondowanie statyczne CPTU Identyfikacja rodzaju gruntu pod względem uziarnienia zazwyczaj prowadzi do wyboru miarodajnej cechy wskaźnikowej służącej charakterystyce gruntów z uwagi na ich stan. W przypadku gruntów niespoistych identyfikatorem stanu jest najczęściej stopień zagęszczenia, podczas gdy dla gruntów spoistych powszechnie stosuje się stopień plastyczności. Sytuacja niejednoznacznej oceny właściwej cechy wskaźnikowej pojawia się w tak zwanych gruntach przejściowych gruntach o uziarnieniu z pogranicza spoistych i niespoistych. Do grupy tej doskonale wpisują się grunty potocznie określane w opisie makroskopowym jako zaglinione piaski, czy silnie spiaszczone pyły. Charakterystyczną cechą tych gruntów jest to, że z jednej strony wykazują cechy spoistości, z drugiej zaś są na tyle mało spoiste, że często nie kwalifikują się do próby wałeczkowania. Bardzo niska wartość wskaźnika plastyczności sprawia, że niewielka nawet zmiana wilgotności gruntu jest przyczyną dużych niepewności oszacowania stopnia plastyczności w standardowej procedurze oceny tego parametru. W tej sytuacji quasi-ciągłe badanie in situ, w którym rejestruje się zmiany oporów stożka może być z powodzeniem wykorzystane do określenia stanu konsystencji gruntów spoistych. Warunkiem miarodajnej oceny stopnia plastyczności na podstawie oporu stożka, szczególnie w przypadku gruntów mało spoistych, jest uwzględnienie kilku czynników związanych z uziarnieniem i pochodzeniem gruntu, stanem naprężenia oraz warunkami drenażu. Do oceny tych czynników wykorzystać można pozostałe parametry penetracji badania CPTU. Dokumentacja standardowych badań geotechnicznych, bazujących na wynikach analizy makroskopowej i badań laboratoryjnych próbek gruntów pobranych z otworów badawczych, obejmuje w zakresie ustalenia stanu gruntów spoistych, jakościową lub ilościową ocenę stopnia plastyczności. Formalnie, w celu ustalenia wartości tego parametru, wystarczy odnieść wilgotność naturalną gruntu do granic konsystencji, zgodnie z równaniem: I " = w % w ' w " w ' = w % w ' I ' gdzie: - w n jest wilgotnością naturalną gruntu, - w L i w p są granicami konsystencji odpowiednio granicą płynności i granicą plastyczności, a I p jest wskaźnikiem plastyczności. W przypadku gruntów, charakteryzujących się bardzo niską wartością wskaźnika plastyczności, kłopotliwa może okazać się procedura oznaczenia granicy plastyczności na podstawie próby wałeczkowania. Zdarza się bowiem, że w celu niedopuszczenia do zniszczenia wałeczka przed osiągnięciem wymaganej normą średnicy, próbę wałeczkowania kończy się przedwcześnie, co prowadzi do oznaczenia granicy plastyczności o wartości większej niż rzeczywista. Skutkiem takiego postępowania jest zazwyczaj niedoszacowanie wartości wskaźnika i stopnia plastyczności.

9 Wysokie niepewności pomiarowe związane z wyznaczeniem granicy plastyczności mogą być wyeliminowane wówczas, gdy standardowe oznaczenia granic Atterberga zastąpi się badaniem stożkiem opadowym. Wynikiem takiego badania jest określenie wskaźnika konsystencji parametru, który zastępuje granice konsystencji w ocenie stopnia plastyczności. Najbardziej ogólną z omawianych, metodą umożliwiającą określenie stanu konsystencji gruntów spoistych jest metoda bazująca na próbie wałeczkowania, stosowana powszechnie w ramach analizy makroskopowej. Podstawą, jakościowej oceny stanu konsystencji gruntu jest określenie liczby cykli kulka wałeczek w próbie wałeczkowania, do momentu gdy po osiągnięciu przez wałeczek średnicy 3 mm ulega on zniszczeniu. O szczególnie niskiej skuteczności tej metody świadczyć może fakt, że w przypadku gruntów mało spoistych pomyłka w wynikach próby o jeden tylko cykl wałeczkowania zmienia jakościowo kwalifikację, przesuwając wynik oceny do innego stanu. W standardowym badaniu sondowania statycznego (CPTU) rejestrowane są w sposób quasi-ciągły, z przyrostem głębokości sondowania trzy charakterystyki penetracji: opór stożka q c, tarcie na tulei ciernej f s i nadwyżka ciśnienia wody w porach u c. Rejestrowane parametry testu wymagają stosowania współczynników korelacyjnych dla danego terenu i gruntów. Rys.31. Przykładowe wykresy rejestrowane w badaniu sondowania statycznego CPTU Istotność normalizacji tego parametru sondowania ma tym większe znaczenie im niższe są mierzone wartości oporów stożka oraz im wyższe są nadwyżki ciśnienia wody w porach.

10 Zazwyczaj normalizacja oporu stożka ze względu na wpływ nadwyżki ciśnienia wody w porach może być pominięta w gruntach niespoistych. Rys. 32. Przykład porównania stopnia plastyczności gruntów na podstawie metody CPTU oraz z badań laboratoryjnych Analiza wyników badań sondowań statycznych wykazała, że do oceny stopnia plastyczności gruntów mało spoistych mogą być wykorzystane parametry sondowania statycznego. Niewątpliwą zaletą oceny stopnia plastyczności na podstawie metody statycznego sondowania jest uzyskanie ciągłego rozkładu z głębokością wyników oszacowania analizowanej cechy oraz identyfikacja trendu zmian w podłożu stanu konsystencji, z ewentualnym wskazaniem lokalizacji i zasięgu stref gruntów charakteryzujących się uplastycznieniem wywołanym lokalnym kontaktem z woda gruntową. Literatura : 1. Bardel T.: Ocena wyników badań płytą VSS kruszywa ze złóż aluwialnych z rejonu Tarnowa. Górnictwo i geologia, Zeszyt 2, T.2,2012 r., 2. Prospekt Merazet Budownictwo i geodezja 2012 r.,