GRUNTY ORGANICZNE. Piotr Jermołowicz Inżynieria Środowiska Szczecin

Transkrypt

1 Piotr Jermołowicz Inżynieria Środowiska Szczecin GRUNTY ORGANICZNE Grunty organiczne są to grunty, w których zawartość substancji organicznej przekracza 2 %. Zaliczane są do gruntów typowo słabonośnych, czyli takich, które pod obciążeniem ulegają znacznym odkształceniom. Samo określenie słaby grunt lub podłoże jest pojęciem względnym. W opracowanych wielu wytycznych słabonośne podłoże definiowane jest jako warstwy gruntu nie spełniające wymagań wynikających z warunków nośności lub stateczności albo warunków przydatności do użytkowania w odniesieniu oczywiście do rozpatrywanego obiektu lub elementu konstrukcji. Charakterystyczną cechą tych gruntów jest niska wytrzymałość na ścinanie i duża ściśliwość i wynika z obecności w ich masie substancji organicznych oraz koloidalnej fazy ciekłej. Rys.1 Schemat odkształcenia słabego podłoża pod nasypem. Tab. 1. Typowe wartości modułów ściśliwości Mo dla wybranych gruntów organicznych

2 Zgodnie z normą PN-86/B wśród gruntów organicznych wyróżnia się: grunty próchniczne H - grunty nieskaliste, w których zawartość części organicznych jest większa od 2%, i jest wynikiem wegetacji roślinnej oraz obecności mikroflory i mikrofauny, namuły Nm - grunty powstałe na skutek osadzania się substancji mineralnych i organicznych w środowisku wodnym (rozróżnia się: namuły piaszczyste Nmp -mające właściwości gruntu niespoistego oraz namuły gliniaste Nmg - odpowiadające gruntom spoistym), gytie Gy - namuły z zawartością węglanu wapnia ponad 5%, który może wiązać szkielet gruntu, nadając mu charakter gruntu skalistego o niskiej wartości Rc, torfy T - grunty powstałe z obumarłych i podlegających stopniowej karbonizacji części roślin; torfy cechuje na ogół zawartość części organicznych większa od 30%, węgle brunatne WB i kamienne WK - grunty skaliste, powstałe na skutek silnej karbonizacji substancji roślinnych. Rys.2. Podział gruntów organicznych (PN-86/B-02480) Poprzez swoją złożoność struktury grunty te nie są w żaden sposób znormalizowane, tj. nie ma zestawień ich parametrów, a badając należy każdorazowo wykonać pełny zakres badań terenowych jak i laboratoryjnych.

3 W podziale gruntów organicznych przyjmowane są kryteria: zawartość części organicznych Iom, zawartość CaCo3, siedlisko i geneza powstania. Według normy klasyfikacyjnej PN-86/B oraz Instrukcji badań podłoża gruntowego (1998) wyróżnia się: grunty próchniczne (2%<Iom<5%) grunty nieskaliste, w których zawartość części organicznych jest wynikiem wegetacji roślinnej oraz obecności mikroflory i mikrofauny, grunty mineralno-organiczne (5%<Iom<15%), powstałe w zagłębieniach poza dolinami rzek, namuły (5%<Iom<30%), z podziałem na namuły piaszczyste i namuły gliniaste; grunty powstałe w wyniku osadzania się substancji mineralnych i organicznych w środowisku wodnym, osady akumulacji rzecznej facji starorzecza lub deltowej, gytie mineralne (5%<Iom<30%, 12%<CaCO3<80%), namuły z zawartością węglanu wapnia > 5%, gytie organiczne (Iom>30%, 20%<CaCO3<80%), kreda jeziorna (CaCO3>80%), torfy (Iom>30%), grunty powstałe z obumarłych i podlegających stopniowej karbonizacji części roślin. Wyróżnia się wśród torfów: - torfy słabo rozłożone (stopień rozkładu torfu wg skali von Posta: H1 H3), - torfy średnio rozłożone (stopień rozkładu torfu wg skali von Posta: H4 H6), - torfy silnie rozłożone (stopień rozkładu torfu wg skali von Posta: H7 H10), - torfy zamulone, węgle brunatne i węgle kamienne - grunty skaliste powstałe w wyniku silnej karbonizacji substancji roślinnych.

4 Tab. 2. Podział gruntów nieskalistych, organicznych ze względu na zawartość części organicznych Dodatkowym kryterium podziału na grunty mineralne i organiczne może być zawartość części mineralnych wyrażonych przez popielność. Najczęściej do gruntów organicznych zalicza się grunty o popielności nieprzekraczającej 95 %. W rozszerzonych laboratoryjnych badaniach gruntów organicznych celowe jest oznaczenie następujących właściwości fizycznych: uziarnienia i granic konsystencji (wg PN-88/B-04481), zawartości części organicznych metodami: utleniania (gdy zawartość substancji organicznej nie przekracza 10%) i prażenia (gdy w badanych próbkach nie występują węglany) lub metodą Tiurina (metoda uniwersalna), popielności, zawartość węglanu wapnia metodą Scheiblera, stopnia rozkładu torfu wg skali von Posta, gęstości: objętościowej i właściwej, wilgotności naturalnej (wg PN-88/B-04481) Cechą charakterystyczną nieskonsolidowanych gruntów organicznych jest ich prawie zawsze duża wilgotność wn= %, duża porowatość, mała wytrzymałość na ścinanie τ f = 5 50 kpa, duża ściśliwość oraz znaczna przestrzenna zmienność właściwości fizycznych i mechanicznych, a także zmiany tych właściwości w czasie spowodowane procesami biologicznymi i chemicznymi. Lepsze parametry geotechniczne mają grunty organiczne przykryte nadkładem gruntu rodzimego lub nasypowego o miąższości kilku lub kilkunastu metrów. Ze względu na wrażliwość gruntów organicznych na naruszenie struktury, próbki gruntów do badań laboratoryjnych należy pobierać specjalnym próbnikiem.

5 Próbki o nienaruszonej strukturze (NNS) klasy A1 służą do wykonania wszystkich badań omówionych przy próbkach o naturalnym uziarnieniu i o naturalnej wilgotności oraz do: oznaczenia ciężaru objętościowego, ciężaru objętościowego szkieletu gruntowego, porowatości i wskaźnika porowatości, oznaczenia zagęszczenia, edometrycznego oznaczenia modułu ściśliwości i modułu odprężenia, oznaczenia cech wytrzymałościowych - kohezji i kąta tarcia wewnętrznego współczynników konsolidacji Cv, Ch parametrów ciśnienia wody porowej i współczynników Ψ, υ. Do pobierania tego typu gruntów, bardzo często będących w stanie miękkoplastycznym lub płynnym stosowane są próbniki rdzeniowe. Konstrukcja wszystkich tego rodzaju przyrządów polega na zamknięciu cylindra od góry zaworem, który uniemożliwia dostęp powietrza do komory znajdującej się nad próbką. Zawór umożliwia odpływ powietrza i wody w czasie wciskania stalowego cylindra w grunt. Utrzymanie próbki gruntu w cylindrze w czasie jego wyciągania z otworu wiertniczego możliwe jest wskutek tarcia gruntu o ścianki cylindra oraz różnicy ciśnień pod i nad próbką. Na próbkę od dołu działa ciśnienie atmosferyczne, nad próbką zaś w komorze aparatu, w razie minimalnego przesunięcia się próbki w dół, powstaje ciśnienie mniejsze od atmosferycznego. Przyrząd i cylindry do pobierania próbek powinny mieć konstrukcję dostatecznie wytrzymałą i nieodkształcalną. Średnica wewnętrzna cylindra powinna wynosić około 100 mm, a wysokość około 250 mm.

6 Rys. 3. Przyrząd do pobierania próbek gruntu NNS (wg Normy PN/B-04451) [4] 1 żerdź wierdtnicza, 2 zawór, 3 komora, 4 uszczelna, 5 cylinder Fot. 1. Widok próbnika rdzeniowego

7 Właściwe przechowywanie próbek NW i NNS wymaga spełnienia następujących warunków: temperatura otoczenia nie może być niższa niż 0 C, próbki nie mogą być przechowywane w miejscach nasłonecznionych lub sztucznie nagrzewanych, od daty pobrania próbki do czasu jej zbadania w laboratorium nie powinno upłynąć więcej niż dwa dni. W czasie transportu szczególną uwagę należy zwrócić, aby próbki NW i NNS nie podlegały wstrząsom. Próbki te należy przewozić w pozycji stojącej, najlepiej w skrzyniach wypełnionych np. trocinami lub podobnym materiałem zabezpieczającym słoje i cylindry przed przesuwaniem i uderzaniem o siebie. Wobec trudności w pobieraniu próbek dobrej jakości i odtworzeniu ich naturalnej struktury w laboratorium, zaleca się w jak najszerszym zakresie wykonywanie badań gruntów organicznych metodami polowymi. W badaniach terenowych do określania parametrów mechanicznych przydatna jest sonda obrotowa, świder talerzowy, sonda wciskana CPT oraz sonda z pomiarem ciśnienia wody w porach CPTU. Każdy typ gruntów organicznych charakteryzuje się odmiennymi właściwościami inżyniersko-geologicznymi. Wynika to przede wszystkim z innych warunków sedymentacji, co sprawia, że charakter substancji organicznej oraz ich właściwości strukturalne, chemiczne, fizykochemiczne, mineralne, fizyczne i wynikające z nich mechaniczne są bardzo zróżnicowane. Każdy z gruntów musi być zatem rozpatrywany indywidualnie, zarówno z punktu widzenia oceny ich właściwości, jak i przyczyn ich kształtowania się. W zależności od warunków klimatycznych i biologicznych substancja organiczna w warstwie glebowej może ulegać całkowitemu rozkładowi, czyli mineralizacji, lub też przekształceniu w próchnicę, czyli humifikacji. Udział w tych procesach bierze przede wszystkim mikroflora (bakterie, grzyby i glony) oraz częściowo mikro- i mezofauna. Przeobrażanie substancji organicznej w składniki nieorganiczne (mineralizacja) pod wpływem rozkładu mikrobiologicznego może przebiegać w różnych warunkach wodnych i atmosferycznych, dlatego rezultatem są różne produkty końcowe. Bardziej złożony jest proces humifikacji. W wyniku humifikacji następuje rozkład związków zawartych w obumarłej substancji organicznej, powstają nowe związki, zachodzą zmiany fizykochemiczne i chemiczne związków bardziej odpornych oraz polimeryzacja i kondensacja powstających produktów. Humifikacja ma charakter przede wszystkim biochemiczny. Powstaje złożona, koloidalna substancja próchnica.

8 Kwasy humusowe związane z procesami zachodzącymi w substancji organicznej mają wpływ na korozyjność w stosunku do konstrukcji budowlanych. Tab. 3. Własności korozyjne gruntu w zależności od składu chemicznego i domieszek organicznych wg normy BN-66/ Dla większości gruntów organicznych naturalnym środowiskiem sedymentacyjnym są jeziora i bagna. Wśród osadów jeziornych dominują: biogeniczne, hydrogeniczne i mineralne. W osadach dolin rzecznych (madach) może natomiast znajdować się zarówno substancja organiczna przyniesiona przez wodę, np. z rozmytych utworów glebowych (często w postaci kompleksów organiczno-mineralnych), jak i substancja dopiero powstała w dolinie w warunkach jej zabagnienia pod wpływem nadmiernego uwilgotnienia. Na ogół jednak ilość substancji organicznej przedostającej się do dolnych warstw mad jest niewielka, tak że w większości przypadków są to grunty organiczno-mineralne różniące się od gruntów próchniczych pochodzenia lądowego dalszym stadium przeobrażenia substancji organicznej w warunkach wyższego uwilgotnienia. Klasyfikacja osadów biogenicznych jezior i bagien jest złożona i często niejednoznaczna, co wynika z różnego stopnia uwęglenia szczątków roślinnych, a to utrudnia identyfikację wchodzących w skład związków chemicznych. Związki humusowe są adsorbowane na powierzchni minerałów ilastych. Uważa się, że ponad 50 % obecnej w wodzie substancji humusowej jest transportowane razem z innymi minerałami. Dlatego też, właściwości mechaniczne gruntów organicznych zawierających substancje

9 organiczne, zależą także od zawartości części mineralnych. Części mineralne wchodzące w skład gruntów organicznych to: okruchy skalne, minerały pierwotne (frakcja piaszczysta i pylasta), minerały wtórne (frakcja ilasta), węglany i sole mineralne. Duży wpływ na inżyniersko-geologiczne właściwości niektórych gruntów organicznych (np. gytii i kredy jeziornej) ma obecność w nich węglanów i innych soli. Podstawowym składnikiem mineralnym kształtującym właściwości gruntów, w tym gruntów organicznych, jest frakcja iłowa i zawarte w niej minerały ilaste zaliczane do krzemianów warstwowych. We frakcji iłowej obok minerałów ilastych grupują się związaki żelaza i glinu oraz krzemionka bezpostaciowa, mająca również znaczny wpływ na właściwości gruntu, a także w niewielkich ilościach inne składniki. Rozpoznanie składu mineralnego frakcji iłowej gruntów organicznych oraz w niektórych przypadkach zawartości węglanów jest jednym z podstawowych elementów przy ich ocenie jako gruntów budowlanych. W osadach bagiennych dominują : osady sapropelowe jezior (szczątki roślinne i zwierzęce plankton), osady humusowe torfowisk (szczątki roślin lądowych). Sapropele dzielą się z kolei na: dy i gytię Gytia może dodatkowo przechodzić w kredę jeziorną, jeżeli zawartość CaCO3 przekroczy 80 % masy.

10 Rys. 4. Ogólna klasyfikacja osadów [9] Dy osady zbiorników dystroficznych o zawartości (przekraczającej 50 % masy) substancji organicznej podobnej do torfu. Gytia jest to podstawowa masa osadów sapropelowych. Dominuje w jeziorach i woda bogatą w tlen i substancję organiczną głownie plankton. Charakterystyczną cechą jest obecność naniesiny substancji organicznych, CaCO 3 i części mineralnych (niewęglowych). Torfy powstają przeważnie w strefie brzegowej jezior lub w zarastających zbiornikach i bagnach. Muł osad powstający w zbiornikach wodnych i jeziornych. Ze wszystkich poprzednich osadów jest najbardziej rozpowszechnionym. Jest to osad mineralny pylasto-ilasty z domieszkami organicznymi. Bardzo często uznajesie muły jako utwór organiczny pośredni między torfem a gytią. Namuły są to grunty facji powodziowej z nanosem piaszczystym lub gliniastym.

11 Tab. 4. Podział gruntów organicznych Duża wrażliwość gruntów organicznych w stosunku do wody, znaczna ściśliwość, niska wytrzymałość na ścinanie oraz wysoki skurcz dają podstawy do zaliczenia tych gruntów do słabonośnych. Torfy w torfowiskach mogą występować bez nadkładu lub pod przykryciem warstwy murszu albo gleby - kożucha torfowego. Naturalna sekwencja osadów w torfowiskach jest na ogół następująca: podłoże mineralne, podłoże mineralne wzbogacone w węglan wapnia (kreda jeziorna) i gytia, torf. Występowanie torfów na świecie głównie jest związane z obszarami stosunkowo chłodnego i wilgotnego klimatu na półkuli północnej. W Europie najwięcej torfowisk znajduje się w obszarach, które były zlodowacone w plejstocenie. Europa zajmuje pierwsze miejsce na świecie pod względem wielkości torfowisk. Występują one na polodowcowych obszarach nad Bałtykiem, wzdłuż południowo-wschodniego wybrzeża Morza Północnego oraz w północnych i środkowych regionach Rosji. W Ameryce Północnej największe siedliska torfowisk znajdują się w Kanadzie.

12 Rys. 5. Zasięg maksymalnego zlodowacenia w Europie (str. www z Internetu) Tab. 5. Zakresy wartości ph dla wybranych typów torfów

13 Tab.6. Skala van Posta Gytie są jeziornym utworem organicznym osadzającym się w słodkowodnych zbiornikach wód stojących, najczęściej w rynnach polodowcowych oraz jeziorach wytopiskowych. Powstały w holocenie oraz u schyłku plejstocenu. Gytie powstają ze szczątków roślin i zwierząt bogatych w tłuszcze i białka (w przeciwieństwie do roślin, z których powstaje torf, bogatych w węglowodany). Gytie składają się z : części organicznych, węglanu wapnia oraz części mineralnych bezwęglanowych. W zależności od przewagi jednego z tych składników wydziela się różne odmiany gytii.

14 Tab.7. Podział gytii Tab.8. Klasyfikacja osadów jeziornych Obszary torfowisk, gytiowisk, z zalegającymi namułami, madami lub najczęściej będących konglomeratami tych utworów, a będących w kręgu zainteresowania inżynierskiego wykorzystania do posadowień różnych obiektów budowlanych wymagają specyficznego podejścia już na etapie wstępnego rozpoznania geotechnicznego. Nie istnieje tym samym jedno kryterium dla gruntów słabonośnych, określające podłoże jako wymagające wzmocnienia. Konieczność wzmocnienia podłoża zależy przede wszystkim od cech podłoża, rodzaju budowli oraz stawianych wymagań. Wymóg ulepszenia słabego podłoża, jego wzmocnienia lub modyfikacji przekroju poprzecznego nasypów wraz z technologią ich wznoszenia pojawia się, gdy : w podłożu nawierzchni drogowych grunty nie spełniają określonych kryteriów odnośnie rodzaju gruntów i uziarnienia, wskaźnika zagęszczenia Is, modułu odkształcenia E2 oraz stosunku modułów E2 / E1, w podłożu budowli ziemnych zalegają grunty bardzo ściśliwe, o małej lub nietrwałej wytrzymałości oraz niestabilnej strukturze, grunty o małej wytrzymałości ( cu do 50 kpa ) i bardzo ściśliwe ( moduł do 5 MPa ), przede wszystkim grunty organiczne i nasypowe ( antropogeniczne ) ; grunty o niestabilnej strukturze ( pęczniejące, zapadowe lessowe i ulegające deformacjom filtracyjnym sufozji, podatne na

15 upłynnienie itp. ), tereny osuwiskowe, krasowe i zagrożone deformacjami górniczymi, w podłożu fundamentów budowli zalegają grunty o wytrzymałości i ściśliwości nie zapewniających spełnienia wymagań dotyczących stanów granicznych nośności i użytkowania konstrukcji Tym samym dokładne określenie parametrów fizyko-mechanicznych gruntów podłoża, szczególnie na próbkach klasy jakości A1 (NNS), wykonanych z pełną świadomością celu okazuje się nieodzowne. Dla gruntów organicznych, gdy dochodzi dodatkowo reologia i konsolidacja (przyśpieszenie drenażem pionowym), należy wykonać badania: kąta tarcia wewnętrznego i kohezji, wilgotności naturalnej, modułów odkształcenia, współczynników konsolidacji dla przepływów pionowych i poziomych Cv, Ch parametrów ciśnienia wody porowej i współczynników Ψ, υ. Nasyp posadowiony na gruntach słabonośnych, np. gruntach organicznych, powoduje znaczne odkształcenia, które w przypadkach krytycznych przybierają postać wyparcia podłoża związanego z osuwiskiem skarp lub jego zatonięciem ( pogrążaniem się ). Budowie nasypu na gruntach organicznych zawsze towarzyszy intensywne osiadanie, niespotykane przy gruntach mineralnych. Przebieg, charakter i zakres odkształceń zależy od stanu i układu warstw gruntów słabych w podłożu, od wielkości i rozkładu obciążeń przekazywanych przez nasyp, jego kształtu oraz intensywności ich przyrostu. Według Eurokodu 7 dla obciążenia pionowego i nasypu ( B/L 0 ) opór graniczny słabego podłoża (Øu 0 ) wynosi: qf = 5,14 cu + DγD gdzie : D - zagłębienie nasypu poniżej poziomu terenu, m, γd ciężar objętościowy gruntu w strefie D, kn/m3. Swoiste przesłanie, które zawarł w swojej książce Wiłun, że wszystkie grunty mają swoją pamięć i kodują w niej oddziaływania środowiska nabiera znaczenia przy wyznaczaniu parametrów nośności i odkształcalności również w przypadku gruntów organicznych. Przeszłość geologiczna i powstanie określonych osadów na badanym terenie jest synergią cech fizyko-mechanicznych tych gruntów.

16 Literatura : 1. Borys M. : Metody modernizacji obwałowań przeciwpowodziowych z zastosowaniem nowych technik i technologii. Wyd. IMUZ, Falenty Bzówka J. [i in.] : Geotechnika komunikacyjna. Wyd. P. Śl.,Gliwice Dębski W., Sokalski K.: Materiałoznawstwo drogowe z geologią i petrografią. PWSZ Ignut R.[i in.]: Terenowe badania geologiczno-inżynierskie. Wyd.Geologiczne, W-wa Jermołowicz P.: Nasypy na gruntach słabonośnych optymalizacja przekroju poprzecznego oraz określanie stref naprężeń w podłożu. Mat. szkoleniowe. ZOIIB, Szczecin Jermołowicz P.: Wykonywanie robót ziemnych na gruntach słabych, wysadzinowych i podmokłych. Mat. szkoleniowe. LOIIB, Lublin Kostrzewski W.: Mechanika gruntów. Parametry geotechniczne gruntów budowlanych oraz metody ich wyznaczania. PWN. Warszawa Molisz R., Baran L., Werno M.: Nasypy na gruntach organicznych. WKŁ, Warszawa Myślińska E.: Grunty organiczne i laboratoryjne metody ich badania. PWN, Warszawa Poradnik wzmocnienia podłoża gruntowego dróg kolejowych. Pod red. Z. Biedrowskiego. Poznań Wiłun Z.: Zarys geotechniki. WKŁ. Warszawa Wytyczne wzmacniania podłoża gruntowego w budownictwie drogowym. IBDiM, Warszawa PN-86/B Grunty budowlane. 14. PN-B-04452:2002. Geotechnika. Badania polowe. 15. PN-B-02479:1998. Dokumentowanie geotechniczne. Zasady ogólne. 16. PN-B-04481:1998. Grunty budowlane. Badania laboratoryjne.