NOWA METODA OCENY STANU PRZEKONSOLIDOWANIA GRUNTÓW

Transkrypt

1 GEOLOGIA IN YNIERSKA I HYDROGEOLOGIA NOWA METODA OCENY STANU PRZEKONSOLIDOWANIA GRUNTÓW Tomasz SZCZEPA SKI 1 1. WST P G ównym parametrem stosowanym w ocenie przekonsolidowania gruntów ilastych, powszechnie wyst puj cych na terenie naszego kraju, jest stopie prekonsolidacji OCR, bazuj cy w zakresie bada laboratoryjnych na napr eniu prekonsolidacji σ p okre lanym w badaniach ci liwo ci jednoosiowej. Autor w odr bnym artykule [9] proponuje, zgodnie z sugesti Burlanda [6] i trendami wiatowymi, aby zamiast OCR stosowa parametr YSR, b d cy szerszym poj ciowo i bardziej adekwatnym, odpowiednio napr enie σ p zast pi poj ciem napr enia uplastycznienia σ vy. Dyskutowane tam s czynniki wp ywaj ce na zjawisko prekonsolidacji z uwzgl dnieniem prekonsolidacji pozornej i procesów wzmocnienia strukturalnego jako wspó czesnych pogl dów na prekonsolidacj gruntów spoistych. Jako kontynuacj i rozwini cie tematyki wspomnianej powy ej, w niniejszym artykule autor chce przedstawi odr bny, nowy parametr, dodatkowo charakteryzuj cy stan przekonsolidowania gruntów ilastych, nazwany liczb przekonsolidowania (overconsolidation number OCN), b d cy w za o eniu komplementarnym do innych sposobów opisu. 2. TEORIA PARAMETRÓW INHERENTNYCH Aby przedstawi nowy parametr konieczne jest wprowadzenie w koncepcj w a ciwo ci inherentnych Burlanda (szczegó owo opisan w publikacjach [6, 9]), opieraj c si na indeksie porowato ci I v oraz referencyjnej krzywej ICL. A eby mie mo liwo porównania, uzyska swoisty punkt odniesienia dla w a ciwo ci gruntów ilastych w stanie naturalnym do modelowego materia u pozbawionego cech, które s wynikiem historii geologicznej, powsta a koncepcja okre lania inherentnych, wrodzonych w a ciwo ci danego gruntu (Intrinsic properties) [6]. Termin inherentne w a ciwo ci ma odnosi si do pasty gruntowej przygotowanej po dodaniu takiej ilo ci wody, aby wilgotno wynosi a pomi dzy w L a 1,5w L, a nast pnie skonsolidowanej, najlepiej w jednoosiowych warunkach. Chemizm wody u ytej powinien by zbli- ony do chemizmu wody porowej. Parametry inherentne otrzymane dla tak przygoto- 1 dr, Wydzia Geologii, Uniwersytet Warszawski

2 448 wanej pasty oznaczane s przez dodanie gwiazdki () do symbolu parametru. Burland zaproponowa nowy parametr dotycz cy odkszta calno ci gruntów indeks porowato ci I v, wzgl dem którego mo na normalizowa krzywe ci liwo ci: I v e1000 e e = (1) e gdzie: e pocz tkowy wska nik porowato ci gruntu, e 100 wska nik porowato ci pasty gruntowej przy obci eniu 100 kpa, e 1000 wska nik porowato ci pasty gruntowej przy obci eniu 1000 kpa. Po znormalizowaniu wielu krzywych ci liwo ci past gruntów ilastych wzgl dem indeksu porowato ci Burland otrzyma w rezultacie jednolit krzyw ci liwo ci wrodzonej (w a ciwej) ICL (Intrinsic Compression Line), która mo e by u ywana jako referencyjna krzywa obrazuj ca zachowanie pasty gruntowej dowolnego i u. Krzywa ICL danego gruntu obrazuje graniczn najni sz warto porowato ci przy danym obci eniu dla gruntu normalnie skonsolidowanego. Poni ej krzywej znajduje si obszar gruntów przekonsolidowanych. Wzorcowa krzywa ICL dla past gruntowych ze zmianami Chandlera [7], który rozszerzy równanie na wi kszy zakres napr e pionowych (0,4 kpa 40 MPa), wyra- a si w przestrzeni I v σ' v zale no ci : I v,icl = 2,6 1,475 σ v + 0,075 σ v 2 + 0,0055 σ v 3 W przypadku braku badania konsolidometrycznego wykonanego na pa cie i okre- lenia krzywej ICL dla konkretnego gruntu, mo na skorzysta z nast puj cych korelacji z innymi parametrami: e 100 = 0, ,679e L 0,089 e L 2 + 0,016 e L 3 [6] (3) gdzie: e L wska nik porowato ci przy wilgotno ci granicy p ynno ci, który oprócz bezpo redniego oznaczenia mo emy obliczy ze wzoru: (2) e L = ρ s w L (4) e 100 = 0, ,581e L (regresja liniowa [7]) (5) C c = 0,256 e L 0,04 [6] (6) Inn pomocn korelacj, aczkolwiek, jak podkre la Chandler [7], zgrubn i czu na niedok adno ci pomiarów wilgotno ci, jest: I v = 2,0 I L 1,0 (7) Wst pnie opisana w rozdziale 1.1 koncepcja Burlanda okre lania inherentnych parametrów gruntu by a w odniesieniu do polskich warunków zastosowana w pracach [1, 2], gdzie przedmiotem zainteresowa by y normalnie skonsolidowane gliny lodowcowe z terenu P ocka (badania na ich pastach zanieczyszczonych ropopochodnymi i na tej podstawie prognozowanie jej zachowa ) oraz i y mio-plioce skie ze Stegien, a tak e i y serii pozna skiej okolic Wroc awia [8].

3 WYNIKI BADA I WNIOSKI Aby sprawdzi zgodno ci za o e przedstawianych w metodzie Burlanda wykonano badania trzech wyst puj cych w Polsce naturalnych utworów ilastych oraz jednego gruntu spoza terytorium kraju, a mianowicie: glin lodowcowych z Anielinka k/warszawy, i ów mio-plioce skich z Bydgoszczy (obszar B [10]), i ów mio-plioce skich ze Stegien (obszar A [10]), i ów eoce skich z Libii. Krzywe ci liwo ci past tych gruntów przedstawia rysunek 1. wska nik porowato ci e [-] 2,1 2 w L =87,7 1,9 glina lodowcowa z Anielinka 1,8 i mio-plioce ski z Bydgoszczy 1,7 i mio-plioce ski ze Stegien 1,6 1,5 w L =71,4 i eoce ski z Mabruku 1,4 1,3 w L =68,1 1,2 1,1 1 w L =42,5 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, pionowe napr enie efektywne ' σ' [kpa] Rys. 1. Krzywe ci liwo ci past badanych gruntów Widoczne jest charakterystyczne roz o enie krzywych zgodnie z wilgotno ci granicy p ynno ci. Gdy zamiast wska nika porowato ci u yjemy przedstawionego powy ej parametru normalizuj cego nazwanego indeksem porowato ci I v, otrzymujemy wykres do dobrze pokrywaj cych si krzywych, zbli onych do referencyjnej krzywej ICL (rys. 2). Niezale nie od sk adu mineralnego i parametrów wilgotno ciowych krzywe ci liwo ci past ró nych gruntów ilastych tworz w przybli eniu jednolit lini, je li wykre lone s w uk adzie wska nik porowato ci efektywne napr enie pionowe. Tak wi c mo na stwierdzi, e badane grunty wykazuj ogóln zgodno z za o- eniami teorii w asno ci inherentnych. Krzywa ICL mo e by wykorzystywana jako referencyjna linia w ocenie stanu skonsolidowania oraz wp ywu struktury. Bara ski [3] potwierdza równie zgodno teorii dla glin lodowcowych zlodowacenia pó nocnopolskiego z P ocka. Na sumarycznym wykresie (rys. 3) zosta y umieszczone punkty prezentuj ce pocz tkowy stan i ów (pocz tkowy indeks porowato ci I v0, pierwotne napr enie efektywne w gruncie σ v0 ) uzyskanych w wierceniach na Stegnach. Otrzymana w wyniku aproksymowania tych punktów (w ilo ci 30) linia odzwierciedla stan skonsolidowania danego profilu gruntowego. Lini autor proponuje nazwa diagenetyczn krzyw ci liwo ci (diagenetic compression curve DCC). Dla i u mio-plioce skiego ze Stegien równanie tej krzywej wyprowadzone z dost pnych danych ma posta :

4 450 I v,dcc = 0,2381 ln(σ v ) + 0,0048 R 2 = 0,6 (8) Krzyw, z powodu zastosowania w analizie wy cznie lokalnych danych, nale y tymczasem traktowa lokalnie. Uderzaj ce jest jej prawie równoleg e u o enie wzgl dem ICL. Indeks porowato ci I v [-] 0,4 0,3 0,2 0,1 0-0,1-0,2-0,3-0,4-0,5-0,6-0,7-0,8-0,9-1 -1,1-1,2-1,3-1,4-1,5 glina lodowcowa z Anielinka i mio-plioce ski z Bydgoszczy i mio-plioce ski ze Stegien i eoce ski z Mabruku ogólna krzywa ICL wg Burland'a Pionowe napr enie efektywne σ v '' [kpa] Rys. 2. Krzywe ci liwo ci past znormalizowane wzgl dem I v, na tle ICL indeks porowato ci I v [-] 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0 I y mio-plioce skie Stegny (dane z [4]) I y mio-plioce skie Stegny i y mio-plioce skie z Bydgoszczy i y londy skie DCC dla i u ze Stegien y= -0,5482Log(x) + 0,0048 R 2 =0,63 DCC dla i ów serii pozna skiej y = -0,8041Log(x) + 0,5953 R 2 =0,8 DCC dla i u londy skiego y=-0,1269log(x) - 0,8545 R 2 =0,34-1,5 DCC ICL=>OCN=0 OCN=12 OCN=11 OCN=10 OCN=9 OCN=8 OCN=7 OCN=6 OCN=5 OCN=4 OCN=3 OCN=2-2, napr enie efektywne ' σ v ' [kpa] Rys. 3. Proponowana krzywa DCC, w przestrzeni I v, oraz przedstawienie graficzne parametru OCN "liczba przekonsolidowania" Umieszczone na wykresie punkty obrazuj ce stan i ów mio-plioce skich z Bydgoszczy wydaj si znajdowa w strefie na przed u eniu krzywej DCC dla i ów stegie skich, co mo e sugerowa szersz korelacj, mog c by charakterystyczn dla utworów serii pozna skiej. W czenie do analizy trzech bada i ów z Bydgoszczy daje w wyniku krzyw DCC o przebiegu bardziej równoleg ym do krzywej ICL (linia przerywana OCN=1

5 451 (rys 3)), jednak takie regionalne uogólnienia nie maj na tym etapie bada wystarczaj cego uzasadnienia. Tym bardziej, e ze wzgl du na p ytkie wyst powanie (pobrano z g boko ci oko o 1,3 m, osuwisko przy ulicy Toru skiej) i y z Bydgoszczy mog by wyra nie zmienione nie tylko przez odpr enie, ale te procesy wietrzeniowe, oraz ze wzgl du na blisko strefy ci cia osuwiska. Na wykresie umieszczono równie dost pne w literaturze [5] dane na temat i ów londy skich eoce skich utworów pochodzenia morskiego. S to jedne z najszerzej opisywanych w literaturze gruntów na wiecie. Podobnie jak i y serii pozna skiej s silnie przekonsolidowane. A eby sparametryzowa przestrze gruntów przekonsolidowanych i umo liwi ilo ciow ocen ich stanu skonsolidowania przy wykorzystaniu teorii w asno ci inherentnych, autor stworzy nomogram (rys. 3) oparty na wykresie I v σ v, proponuj c wprowadzenie parametru nazwanego liczb przekonsolidowania (overconsolidation number) OCN: OCN = (I v,icl I v )/0,25 (9) gdzie: I v,icl indeks porowato ci z krzywej ICL odczytany dla danego napr enia pionowego, indeks porowato ci gruntu. I v Ca kowite warto ci parametru OCN zobrazowane s liniami równoleg ymi do ICL, przesuni tymi wzgl dem niej w dó o warto 0,25 I v. ICL ma przypisan warto OCN = 0, kolejne linie odpowiadaj warto ciom 1, 2, 3 itd. I y stegie skie przyjmuj warto ci tego parametru w przedziale 2,71-4,64. Parametr napr enia uplastycznienia σ vy (czy te dotychczas stosowany napr - enie prekonsolidacji σ p ) informuje o napr eniu netto, jakie oddziela jego stan aktualny od punktu uplastycznienia. Nale y podkre li, e nie informuje on wprost o historycznym obci eniu, ani o potencjalnym sposobie odkszta cenia po przekroczeniu napr enia uplastycznienia [9]. Dopiero zestawienie takich danych, jak napr enie pierwotne, napr enie uplastycznienia i OCN w przestrzeni I v σ v pe niej charakteryzuje stan skonsolidowania gruntu. Parametr OCN mo e by bardzo przydatny praktycznie przy szacowaniu przekonsolidowania, nawet w sytuacji braku próbek NNS. Je li warunki gruntowo-wodne pozwalaj na za o enie pe nego nasycenia porów, wystarczaj c jest wiedza o naturalnej wilgotno ci, g sto ci w a ciwej i granicy p ynno ci gruntu, aby za pomoc opisywanych na pocz tku artyku u zale no ci umiejscowi grunt w przestrzeni I v σ v wzgl dem krzywej referencyjnej ICL i obliczy OCN, co daje pogl d na temat stanu jego skonsolidowania. Autor jest przekonany, e zgromadzenie wi kszej ilo ci danych z ró nych profili gruntów ilastych pozwoli w przysz o ci na usystematyzowanie rozk adu krzywych DCC i parametru OCN w polskich gruntach i tym samym pozwoli na ich szerokie zastosowanie i g bsz interpretacj wynikaj cych z nich informacji. LITERATURA [1] Bara ski M., Wytrzyma o i odkszta calno glin lodowcowych zanieczyszczanych ropopochodnym benzenem na terenie Petrochemii P ock S.A. Rozprawa doktorska, Wydzia Geologii Uniwersytetu Warszawskiego.

6 452 [2] Bara ski M., Kaczy ski R., Borowczyk M., Krau lis K., Trzci ski J., Wójcik E., Granacki W., Szczepa ski T., Zawrzykraj P., Ocena zachowania si i ów plioce skich ze Stegien w warunkach napr e efektywnych. Sprawozdanie z PB KBN Nr 5 T12B [3] Bara ski M., The mechanical behaviour of normally consolidated tills with reference to their structure. Proc. Skempton Memorial Conference, London, Advanced in Geotechnical Engineering 1, [4] Bara ski M., The interplay between geological history and the geotechnical properties of overconsolidated Mio-pliocene clays. Proc. Skempton Memorial Conference, London, Advanced in Geotechnical Engineering 2, [5] Bishop A.W., Webb D.L., Lewin P.I., Undisturbed samples of London clay from the Ashford Common shaft: strength-effective stress relationships. Géotechnique 15, [6] Burland J.B., On the compressibility and shear strength of natural clays. Géotechnique 40(3), [7] Chandler R.J., Clay sediments in depositional basins: the geotechnical cycle. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology 33, [8] Stró yk J., Izbicki R.J., Wp yw historii geologiczno-in ynierskiej na w asno ci i ów formacji pozna skiej. Geotechnika w Budownictwie i Górnictwie. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wroc awskiej, [9] Szczepa ski T., OCR a YSR, czyli klasyczne i wspó czesne pogl dy na prekonsolidacj gruntów ilastych. Przegl d Geologiczny 55(5), [10] Wichrowski Z., Studium mineralogiczne i ów serii pozna skiej. Arch. Miner. XXXVII(2), NEW METHOD TO ASSES OVERCONSOLIDATION STATE OF SOIL Article presents new parameter OCN (overconsolidation number), which is proposed as a supplementary way to describe overconsolidation state of soil, with use of the Burland intrinsic properties of soils theory, as an addition to yield pressure vy and yield stress ratio YSR (or alternatively overconsolidation pressure p and overconsolidation ratio OCR). Also diagenetic compression curve called DCC is suggested for Warsaw miopliocene clays, as possibly characteristic of that sediment.