Ocena wybranych właściwości wytrzymałościowych iłów mioceńskich na podstawie badań sondą wkręcaną WST

Transkrypt

1 Ocena wybranych właściwości wytrzymałościowych iłów mioceńskich na podstawie badań sondą wkręcaną Dr inż. Sebastian Olesiak AGH Akademia Górniczo-Htnicza Wydział Górnictwa i Geoinżynierii Badania nad wykorzystaniem sondy wkręcanej w grntach spoistych zapoczątkowano w 2008 rok a następnie były kontynowane w latach kolejnych. W niniejszym artykle zebrano wyniki z prac wcześniejszych [ ] oraz z kolejnego rejon badawczego. Zawarte w nim porównania i analizy wyników zyskanych z geotechnicznych badań polowych i laboratoryjnych pozwoliły na zaproponowanie własnej interpretacji wyników z sondowań do określania wybranych właściwości wytrzymałościowych iłów mioceńskich zapadliska przedkarpackiego. 22 INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA nr 1/2015

2 Na podstawie tych badań opracowano zależności miedzy wielkością charakterystyczną dla sondy wkręcanej tj.: liczbą półobrotów a spójnością i kątem tarcia wewnętrznego analizowanych grntów. Posłżyły one do opracowania nomogram przy tworzeni którego przyjęto zasadę że powinna cechować go dża inticyjność i prostota tak by można było korzystać z niego w terenie w trakcie prowadzenia badań geotechnicznych bez potrzeby wykonywania dodatkowych obliczeń. Geotechniczne badania polowe były prowadzone na terenie miejscowości Połaniec w województwie świętokrzyskim. Rejon badań oraz charakterystyka poletka badawczego opisano szeroko w pracy [29]. ZALEŻNOŚĆ SPÓJNOŚCI I KĄTA TARCIA WEWNĘTRZNEGO OD LICZBY PÓŁOBROTÓW Dżym problemem w badaniach wytrzymałościowych grntów jest pobieranie próbek badawczych wiernie reprezentjących materiał natralny. Do tego cel zaprojektowano i wykonano próbniki pozwalające na pobieranie próbek o nienarszonej strktrze (kategoria A NNS) z wykorzystaniem osprzęt sondy wkręcanej [8]. Wszystkie badania wytrzymałościowe były wykonywane w aparacie trójosiowego ściskania firmy GDS Instrments Ltd [8]. Badania wytrzymałościowe prowadzono metodą UU (nconsolidated ndrained) czyli bez wstępnej konsolidacji i bez odpływ wody w czasie ścinania. Zawartość wody w próbce była trzymywana na stałym poziomie. W trakcie badania dokonywano pomiar ciśnienia wody w porach grnt. Badania wykonywano dla trzech ciśnień okólnych s 3 = i 200 kpa. Prędkość osiowych przemieszczeń próbek (prędkość ścinania v s ) wynosiła 001 mm min -1. Dodatkowo przed i po badani określano wilgotność iłów. Na podstawie badań trójosiowych wyznaczono dla naprężeń całkowitych s 1 i s 3 kąt tarcia wewnętrznego f i spójność c badanych grntów. W cel określenia kąta tarcia wewnętrznego i spójności przebadano średnio 8 10 próbek przy różnych ciśnieniach bocznych s 3 z jednej lokalizacji i jednej głębokości. Z prac Kaczyńskiego [16-18] wynika że dla iłów mioceńskich zapadliska przedkarpackiego w warnkach niskich ciśnień (do 1 MPa) wyniki badań w aparacie trójosiowego ściskania wystarczająco poprawnie interpretje się wedłg kryterim Colomba-Mohra. Parametry wytrzymałościowe badanych s 1+s3 grntów określano w kładzie q = f (p) gdzie p = s 2 1 s3 a q = oraz wykorzystjąc związki geometryczne pomiędzy parametrami zmodyfikowanymi c T 2 i f T a parametrami właściwymi spójności i kąta tarcia wewnętrznego c i f [ ]. Przy doborze wyników przyjęto kryterim wzorjąc się na Polskiej Normie PN-B-04481:1988 i modyfikjąc je do przyjętej metodyki badania. Wynikiem badania określonej grpy iłów było co najmniej sześć par wartości p i q. Do wyników dobierano zawsze po dwie pary reprezentjące ciśnienie w ko- Rys. 1. Wyniki badań wytrzymałości na ścinanie iłów Tabl. 1. Wyniki badań wytrzymałościowych iłów Głębokość [m] p.p.t. Średnia wilgotność w [%] c T [kpa] Parametry równania prostej q = c T + tg f T p tg f T f T [ ] Współczynnik korelacji liniowej r Dla naprężeń całkowitych Spójność c [kpa] Kąt tarcia wewnętrznego f [ ] INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA nr 1/

3 morze odpowiednio i 200 kpa. Wyznaczony współczynnik korelacji liniowej r dla liniowej zależności q = f (p) msiał być większy od 09. Próbki nie spełniające przyjętego powyżej kryterim były odrzcane a badania wytrzymałościowe prowadzono do moment zyskania sześci wyników spełniających przyjęte kryterim. Wyniki badań dla Połańca zebrano w tabl. 1 i na rys. 1. Próbki z głębokości 15 m deformowały się plastycznie ( beczki ) lb zniszczenie przebiegało po powierzchniach poślizg ale ze znaczną deformacją plastyczną próbki i bez wy- a) raźnego spadk naprężenia dewiatorowego wraz z wzrostem odkształcenia. Znaczna deformacja plastyczna próbek nie pozwalała na jednoznaczne określenie kąta ścięcia próbek (około 51 do 55 stopni) jak i opis makroskopowego powierzchni ścięcia. Wraz ze spadkiem wilgotności grnt który ma miejsce od 25 m głębokości generalnie próbki niszczą się po wyraźnych powierzchniach poślizg. Powierzchnie były nierówne śliskie i błyszczące z wyraźnymi rysami poślizgowymi. W zależności od ciśnienia bocznego s 3 kąt ścięcia próbek był bardzo różny i wahał się w zakresie od 37 do 64 stopni. Na rys. 2 i w tabl. 2 zestawiono dotychczasowe wyniki z badań polowych i laboratoryjnych dotyczące określania wybranych właściwości wytrzymałościowych iłów mioceńskich z następjących rejonów badawczych zlokalizowanych w okolicy Tabl. 2. Zestawienie wyników wybranych właściwości wytrzymałościowych dla naprężeń całkowitych i liczby półobrotów Lokalizacja Głębokość [m] Liczba półobrotów Spójność c [kpa] Kąt tarcia wewnętrznego f [ ] Zesławice [8 24] Mydlniki [8 25] b) Rys. 2. Zależności spójności i kąta tarcia wewnętrznego od liczby półobrotów a) spójność c b) kąt tarcia wewnętrznego f Mydlniki [8 25] Rczaj [8 26] Zesławice [8 24] Tenczynek 1 [27] Tenczynek 2 [28] Rczaj [8 26] Tenczynek 1 [27] Tenczynek 2 [28] Połaniec INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA nr 1/2015

4 Krakowa: Zesławice [8 24] Mydlniki [8 25] Rczaj [8 26] Tenczynek 1 [27] Tenczynek 2 [28] poszerzone o wyniki z Połańca. Wyniki potwierdzają zależność liniową spójności i kąta tarcia wewnętrznego od liczby półobrotów dla iłów mioceńskich. Uzyskano odpowiednio następjące zależności dla naprężeń całkowitych: c = N r = 0802 (1) f = r = (2) N gdzie: c spójność [kpa] f kąt tarcia wewnętrznego [ ] liczba półobrotów r współczynnik korelacji liniowej. Parametry równania linii regresji opisjących zależności wybranych właściwości wytrzymałościowych od liczby półobrotów badanych grntów wyznaczono ze stałych równania prostych które były stalane metodą najmniejszych kwadratów. Korelacje pomiędzy wybranymi właściwościami wytrzymałościowymi a liczbą półobrotów są bardzo wysokie (07 r < 09) i prawie pewne (09 r < 10) [36] a wartość krytyczna współczynnika korelacji liniowej na poziomie istotności 005 dla 27 elementów wynosi r* 005(27) = 0381 [19]. Obliczone wartości współczynników korelacji liniowej są większe od wartości krytycznej należy zatem znać że istnieje istotna korelacja pomiędzy analizowanymi właściwościami wytrzymałościowymi a liczbą półobrotów. Prezentowane zależności (1 i 2) mogą być wykorzystywane do określania wybranych właściwości wytrzymałościowych iłów mioceńskich na podstawie sondowań przy liczbie półobrotów w zakresie od 1 do 14 półobrotów na 10 cm zagłębienia sondy. PROPOZYCJA NOMOGRAMU DO OCENY WYBRA- NYCH WŁAŚCIWOŚCI WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH IŁÓW MIOCEŃSKICH NA PODSTAWIE BADAŃ SONDĄ WKRĘCANĄ Projekt nomogram (rys. 3) opracowano na podstawie wyników badań własnych prezentowanych w pracach [ ] i niniejszym artykle które zestawiono w tabl. 2. Uzyskane wartości właściwości wytrzymałościowych dla Zesławic odbiegają od wyników zyskanych dla innych lokalizacji. Badania polowe i laboratoryjne w Zesławicach prowadzono bezpośrednio w złoż na materiale pochodzącym z głębokości około m poniżej pierwotnego poziom teren co znacząco różni je od warnków w jakich wykonywano badania w pozostałych lokalizacjach. Niskie wartości zyskiwanych liczb półobrotów a jednocześnie wysokie wartości własności wytrzymałościowych mogą wynikać z dwóch powodów. Badania polowe prowadzono w sąsiedztwie byłej eksploatacji co mogło mieć wpływ na rozlźnienie strktry iłów. Dodatkowo w trakcie badań zaobserwowano że iły w złoż cechje bdowa blokowa z wyraźnymi spękaniami i rozwarstwieniami nie tylko w kiernk ławicenia. Natomiast próbki do laboratoryjnych Rys. 3. Nomogram do określania spójności c i kąta tarcia wewnętrznego f na podstawie badań sondą wkręcaną INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA nr 1/

5 badań wytrzymałościowych pobierano zawsze z materiał nie spękanego [8]. Dlatego przy opracowywani nomogram odrzcono wyniki z Zesławic zyskjąc w ten sposób nowe zależności dla naprężeń całkowitych: c = N r = 094 (3) f = r = (4) N gdzie: c spójność [kpa] f kąt tarcia wewnętrznego [ ] liczba półobrotów r współczynnik korelacji liniowej. Głównym elementem nomogram (rys. 3) są dwie półproste charakteryzjące zależność spójności i kąta tarcia wewnętrznego od liczby półobrotów lb obciążenia W. Na osi odciętych odczytjemy wartość liczby półobrotów lb obciążenia W. Odczyt wartości danego parametr odbywa się za pomocą odpowiedniej osi rzędnych: oś prawa półprosta A spójność (A) oś lewa półprosta B kąt tarcia wewnętrznego (B). Ostatecznie proste na nomogramach charakteryzjące zależności wybranych właściwości wytrzymałościowych od liczby półobrotów dla naprężeń całkowitych zdefiniowano w następjący sposób: c = N (5) lb bezpośrednio od obciążenia W i lb bezpośrednio od obciążenia W c = W (6) f = (7) N f = (8) W gdzie: c spójność [kpa] f kąt tarcia wewnętrznego [ ] liczba półobrotów W obciążenie (0; 025; 05; 075; 1 kn). Zaokrąglenie w dół współczynników fnkcji opisjących zależność wybranych właściwości wytrzymałościowych od liczby półobrotów do miejsc znaczących ma na cel wzrost zakres bezpieczeństwa przy określani tych właściwości ale również proszczenie i łatwienie korzystania z nomogramów. Na nomogramach na każdym pojedynczym wykresie (półprostej) wyróżniono trzy rodzaje linii: odcinek pierwszy (linia przerywana) dotyczy sytacji gdy sonda pogrąża się tylko pod przyłożonym obciążeniem obowiązją t dwie zależności: jedna przy mownej liczbie półobrotów lb drga przy obciążeni W odcinek drgi (linia ciągła) który odpowiada zakresowi liczby półobrotów od 0 do 14 czyli wartościom zyskanym w badaniach własnych [ ] odcinek trzeci (linia kropka-kreska) który jest prognozą i gdzie dla prawidłowej oceny wybranych właściwości obowiązją określone obostrzenia wymagające szerszego komentarza. Przy sondowani grntów spoistych przyjmje się graniczną wartość zyskiwanych półobrotów przy której należy przerwać badanie równą 50 półobrotów na 10 cm wpęd sondy [ ]. Nie dotyczy to sytacji gdy napotka się przeszkodę którą można pokonać np. derzając kilkkrotnie młotem w sondę. Oznacza to że maksymalna wartość spójności wyznaczona na podstawie nomogram dla 50 półobrotów wynosi 247 kpa a wyznaczona wartość kąta tarcia wewnętrznego wynosi 407. Dlatego określanie parametrów spójności i kąta tarcia wewnętrznego na podstawie proponowanego nomogram dla dżych wartości liczby półobrotów może prowadzić do poważnych błędów zwłaszcza przy określani wartości kąta tarcia wewnętrznego. W trakcie prac polowych dotyczących tej pracy [ ] ale również w trakcie prowadzenia innych badań polowych [ ] podczas sondowań sondą wkręcaną do 6 metrów głębokości zyskiwane liczby nigdy nie przekraczały 22 półobrotów. Należy zatem przyjąć że z proponowanego nomogram zyskje się poprawne rezltaty przy określani spójności i kąta tarcia wewnętrznego iłów mioceńskich przy założeni że: zyskiwane liczby nie przekraczają 22 półobrotów sondowania prowadzone są do głębokości 6 7 m lb przy prowadzeni sondowań na większych głębokościach nie obserwje się gwałtownego wzrost liczby półobrotów. PODSUMOWANIE Sonda wkręcana jest niwersalnym narzędziem które z powodzeniem może być wykorzystywane w badaniach natralnych grntów niespoistych i spoistych. Dobrze sprawdza się w grntach kamienistych (zwietrzeliny i rmosze) sondowani odpadów w tym odpadów komnalnych. Największym mankamentem sondy wkręcanej jest brak wiarygodnych danych do interpretacji wyników z badań w grntach spoistych w przeciwieństwie do grntów niespoistych. W tym drgim przypadk istnieje szereg wiarygodnych źródeł zawierających dane interpretacyjne takie jak: normy podręczniki i literatra fachowa. Sondowania należą do jednych z najtańszych i najszybszych metod badań in sit podłoża grntowego. Bardzo ważne jest wyposażenie przyszłych żytkowników sondy w niwersalne narzędzia możliwiające interpretację zyskiwanych wyników. Na podstawie przeprowadzonych badań terenowych i laboratoryjnych dla przypowierzchniowej warstwy iłów mioceńskich zapadliska przedkarpackiego określono zależności korelacyjne które w dalszej kolejności wykorzystano do opracowania nomogram do oceny spójności i kąta tarcia wewnętrznego. Nomogram można wykorzystać bezpośrednio w terenie w trakcie prowadzenia badań polowych. Użytkownik sondy wkręcanej tylko na podstawie jednego parametr jakim jest liczba półobrotów jest w stanie ocenić spójność i kąt tarcia wewnętrznego dla naprężeń całkowitych sondowanych grntów spoistych. 26 INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA nr 1/2015

6 LITERATURA 1. Bardet J. P.: Experimental soil mechanics. New Jersey 1997 Prentice Hall. 2. Borowczyk M. Frankowski Z.: Badania grntów statyczną sondą wkręcaną. Przegląd Geologiczny 6/ Cała M. Flisiak J. Olesiak S.: Analiza warnków stateczności wał oporowego składowiska odpadów komnalnych Zoniówka II w Zakopanem oraz propozycja jego stabilizacji. Akademia Górniczo-Htnicza Katedra Geomechaniki Bdownictwa i Geotechniki 2004 (praca niepblikowana). 4. Cała M. Flisiak J. Olesiak S.:Przyczyny powstania oswiska w miejscowości Gaj i propozycja jego zabezpieczenia. Akademia Górniczo-Htnicza Katedra Geomechaniki Bdownictwa i Geotechniki 2006 (praca niepblikowana). 5. Cała M. Flisiak J. Olesiak S.: Analiza stan wał oporowego wraz z analizą stateczności I kwatery składowiska odpadów komnalnych w Zakopanem w związk z końcem jej eksploatacji. Akademia Górniczo-Htnicza Katedra Geomechaniki Bdownictwa i Geotechniki 2007 (praca niepblikowana). 6. Cała M. Flisiak J. Olesiak S.: Analiza przyczyn szkodzenia wał oporowego II kwatery składowiska odpadów komnalnych w Zakopanem. Akademia Górniczo-Htnicza Katedra Geomechaniki Bdownictwa i Geotechniki 2008 (praca niepblikowana). 7. Cała M. Flisiak J. Olesiak S.: Analiza przyczyn powstania szkodzeń zachodniego obwałowania kwatery 4S składowiska odpadów paleniskowych Pióry. Akademia Górniczo-Htnicza Katedra Geomechaniki Bdownictwa i Geotechniki 2009 (praca niepblikowana). 8. Cała M. Olesiak S.: Metoda wyznaczania wybranych właściwości wytrzymałościowych iłów górnomioceńskich rejon Krakowa na podstawie badań sondą wkręcaną. Górnictwo i Geoinżynieria 2/ Das B. M.: Advanced soil mechanics. New York 2008 Taylor & Francis Grop. 10. Ddzikowski R. Fabianowski J.: Badania grntów alwialnych statyczną sondą (szwedzką) wkręcaną ręcznie. Technika Poszkiwań Geologicznych 1/ Flisiak J. Mazrek J. Olesiak S.: Ekspertyza w zakresie możliwości dalszej eksploatacji filara oporowego kopalni Zesławice. Akademia Górniczo- -Htnicza Katedra Geomechaniki Bdownictwa i Geotechniki (praca niepblikowana) Flisiak J. Mazrek J. Olesiak S.: Ekspertyza w sprawie możliwości dalszej eksploatacji filara oporowego w kopalni Zesławice. Akademia Górniczo-Htnicza Katedra Geomechaniki Bdownictwa i Geotechniki 2006 (praca niepblikowana). 13. Flisiak J. Olesiak S.: Analiza warnków stateczności wał oporowego składowiska odpadów komnalnych oraz propozycje jego stabilizacji. Górnictwo i Geoinżynieria 3/ Glazer Z.: Mechanika grntów. Wydawnictwa Geologiczne Warszawa Ignt R. Kłębek A. Pchalski R.: Terenowe badania geologiczno-inżynierskie. Wydawnictwa Geologiczne Warszawa Kaczyński R.: Wytrzymałość grntów na ścinanie w warnkach wysokich ciśnień. Przegląd Geologiczny 8-9/ Kaczyński R.: Wytrzymałość i odkształcalność górnomioceńskich iłów zapadliska przedkarpackiego. Biletyn Geologiczny 29/ Kaczyński R.: Table of engineering-geological properties of miocene clays of the Carpathian Foredeep. W: Anagnostopolos A. Frank R. Kalteziotis N. Schlosser F. (red.) Geotechnical engineering of hard soils - soft rocks: Proceedings of an International Symposim Under the Aspices of the International Society for Soil Mechanics and Fondation Engineering (ISSMFE): Athens Greece September Vol. 1 Geological featres investigation and classification mechanical properties. Rotterdam 1993 Balkema Kot S. M. Jakbowski J. Sokołowski A.: Statystyka. Difin. Warszawa Lambe T. W. Whitman R. V.: Mechanika grntów. Arkady Warszawa Olesiak S.: Przyczyny powstania oswiska w miejscowości Gaj i propozycja jego zabezpieczenia. Materiały Krakowskiej Konferencji Młodych Uczonych 2006 Kraków września Akademia Górniczo-Htnicza im. Stanisława Staszica Grpa Nakowa Pro Ftro Kraków Olesiak S.: Składowisko odpadów komnalnych w Zakopanem od awarii do zamknięcia I kwatery. Materiały Krakowskiej Konferencji Młodych Uczonych 2007 Kraków września Akademia Górniczo-Htnicza im. Stanisława Staszica Grpa Nakowa Pro Ftro Kraków Olesiak S.: Analiza przyczyn szkodzenia wał oporowego II kwatery składowiska odpadów komnalnych w Zakopanem. Materiały Krakowskiej Konferencji Młodych Uczonych 2008 Kraków września 2008 Kraków. Kraków 2008 Akademia Górniczo-Htnicza im. Stanisława Staszica Grpa Nakowa Pro Ftro Olesiak S.: Wykorzystanie sondy wkręcanej w badaniach mioceńskich iłów krakowieckich. Górnictwo i Geoinżynieria 1/ Olesiak S.: Sonda wkręcana w badaniach mioceńskich iłów krakowieckich. Górnictwo i Geoinżynieria 2/ Olesiak S.: Kalibracja sondy wkręcanej do badań górnomioceńskich iłów zapadliska przedkarpackiego w rejonie Krakowa. Górnictwo i Geoinżynieria 2/ Olesiak S.: Możliwość wykorzystania sondy wkręcanej do badań wybranych grntów spoistych w rejonie Krakowa. Inżynieria Morska i Geotechnika 6/ Olesiak S.: On the possibility of testing Miocene clay from Cracow area sing Weight Sonding Test (). Stdia Geotechnica et Mechanica No Olesiak S.: Ocena stopnia plastyczności iłów mioceńskich na podstawie badań sondą wkręcaną. Inżynieria Morska i Geotechnika nr 2/ Pisarczyk S.: Grntoznawstwo inżynierskie. Warszawa 2001 Wydawnictwo Nakowe PWN. 31. Pisarczyk S. Rymsza B.: Badania polowe i laboratoryjne grntów. Warszawa 1993 Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. 32. Polska Norma PN-B-04452:2002 Geotechnika. Badania polowe. 33. Polska Norma PN-B-04481:1988 Grnty bdowlane. Badania próbek grnt. 34. Polska Norma PN-EN :2009 Erokod 7. Projektowanie geotechniczne. Część 2: Rozpoznanie i badanie podłoża grntowego. 35. Sikora Z.: Sondowanie statyczne. Metody i zastosowanie w geoinżynierii. Warszawa 2006 Wydawnictwa Nakowo-Techniczne. 36. Stanisz A.: Przystępny krs statystyki z zastosowaniem STATISTICA PL na przykładach z medycyny. Tom 1. Statystyki podstawowe. StatSoft Polska. Kraków Praca powstała w ramach badań stattowych realizowanych na Wydziale Górnictwa i Geoinżynierii AGH o nmerze INŻYNIERIA MORSKA I GEOTECHNIKA nr 1/