WYKORZYSTANIE KONSOLIDOMETRU UPC DO BADAŃ NIENASYCONYCH GRUNTÓW SPOISTYCH

Transkrypt

1 Marcin Biliniak * Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego WYKORZYSTANIE KONSOLIDOMETRU UPC DO BADAŃ NIENASYCONYCH GRUNTÓW SPOISTYCH 1. Wprowadzenie Stopień nasycenia porów wodą ma duży wpływ na parametry geotechniczne gruntu. Mimo to nie jest uwzględniany w powszechnej praktyce inżynierskiej. Korzystne zmiany parametrów wynikające ze zmiany stanu nasycenia gruntu ( S 1) w wielu przypadkach mogą być krótkotrwałe. Zakładając, że pory ośrodka gruntowego są w pełni wypełnione wodą ( S 1) przyjmujemy bezpieczne wartości parametrów. r Dlatego też pominięcie tego zjawiska w projektowaniu wydaje się być słuszne. W niektórych przypadkach, należy jednak uwzględnić specyficzne warunki pracy konstrukcji takich jak np.: zapory ziemne czy wały przeciwpowodziowe, które wykonuje się z gruntu o wilgotności bliskiej optymalnej, a więc w stanie niepełnego nasycenia [4]. Taki stan może utrzymywać się przez długi czas, w zależności od czynników meteorologicznych i hydrologicznych. Oprócz podstawowej funkcji polegającej na okresowym piętrzeniu oraz zabezpieczaniu terenów przed zalaniem, ww. obiekty kubaturowe poddawane są innym obciążeniom np. od ruchu kołowego pojazdów. Zatem w takich przypadkach poznanie jaki wpływ na parametry geotechniczne ma stan nasycenia gruntu jest zasadne, a nawet konieczne. Mechanika gruntów nienasyconych została wyodrębniona jako osobny dział mechaniki gruntów w latach osiemdziesiątych ubiegłego stulecia. Do jednoznacznego opisu stanu naprężenia gruntu nienasyconego wprowadzono dwie zmienne: naprężenie netto (1) oraz ssanie macierzyste (2) [1, 2]: (1) net u a s u a u w (2) r * Promotor: prof. dr hab. inż. Alojzy Szymański Promotor pomocniczy: dr inż. Zdzisław Skutnik

2 2 M. Biliniak gdzie: - naprężenie normalne, ua - ciśnienie powietrza w porach, u w - ciśnienie wody w porach. Badania ściśliwości gruntów w stanie niepełnego nasycenia można przeprowadzić w konsolidometrze UPC (Universitat Politècnica de Catalunya). Jest to zmodyfikowany edometr wyposażony dodatkowo w ceramikę o wysokim ciśnieniu wejścia powietrza (HAEV, z ang. High Air Entry Value). Urządzenie pozwala na wykonanie badania jednoosiowego ściskania z uniemożliwioną rozszerzalnością boczną przy danym ciśnieniu ssania. Konsolidometr UPC daje również możliwość wyznaczania zależności uwilgotnienia od ciśnienia ssania, podstawowej charakterystyki opisującej grunt nienasycony nazywanej krzywą retencji. Wyniki badań w konsolidometrze UPC pozwalają wyznaczyć parametry modelu stanu krytycznego BBM [7]. W dalszej części artykułu opisano metodykę przeprowadzania badań ściśliwości w konsolidometrze UPC, a także przedstawiono wyniki przeprowadzonych badań. 2. Opis konsolidometru UPC Konsolidometr UPC został zaprojektowany i wykonany w laboratorium geotechnicznym Politechniki Katalońskie w Barcelonie [3, 4]. Podczas badania próbka gruntu w kształcie walca, o średnicy Φ = 50 mm i wysokości h = 20 mm umieszczona w metalowym pierścieniu spoczywa na ceramicznym kamieniu, który stanowi podstawę próbki. Ceramiczna podstawa pozwala na swobodny przepływ wody (z próbki i do próbki), jednocześnie blokując przepływ powietrza do określonej wartości ciśnienia nazywanej ciśnieniem wejścia. Wartość ciśnienia wejścia dla zastosowanej w badaniach ceramiki HAEV wynosi 500 kpa. Obciążenie przykładane jest na górną powierzchnię próbki za pomocą tłoka oraz gumowej membrany oddzielającej ciśnienie powietrza w porach od ciśnienia obciążającego próbkę [7]. Źródłem ciśnienia powietrza w porach (u a ) oraz obciążenia pionowego (σ v ) jest zewnętrzna sieć pneumatyczna, z kolei ciśnienia wody w próbce (u w ) jest precyzyjny kontroler ciśnienia/objętości wody o dokładności 1 kpa/1 mm 3. Czujnik przemieszczeń zintegrowany z systemem rejestrującym umożliwia zapis zmian wysokości próbki z dokładnością do 0,001 mm w ustalonych odstępach czasu.

3 Wykorzystanie konsolidometru UPC do badań gruntów nienasyconych 3 Konsolidometr UPC pozwala na wyznaczenie charakterystyk ściśliwości gruntów nienasyconych z kontrolowanym ciśnieniem ssania, dzięki wykorzystaniu techniki translacji osi. Zastosowana technika umożliwia wykonanie badania w warunkach bardzo dużych wartości ssania. Polega ona na translacji ciśnienia powietrza (u a ) i ciśnienia wody w porach (u w ) w zakresie wartości dodatnich, tak aby ssanie macierzyste (2) w próbce było stałe, niezależnie od ciśnienia atmosferycznego, od którego próbka jest szczelnie odgrodzona. Rys. 1. Widok stanowiska badawczego. Fig. 1. Experimental setup. 3. Procedura badania ściśliwości gruntów nienasyconych Badania jednoosiowego ściskania gruntów nienasyconych z uniemożliwioną rozszerzalnością boczną wykonano przy użyciu konsolidometru UPC w pracowni Monitoringu przepływu wód podziemnych w Centrum Wodnym SGGW. Badany materiał to ił pobrany próbnikiem typu Shelby z głębokości 2,0 m, jego wybrane właściwości fizyczne przestawiono w tabeli 1. Rodzaj gruntu Ił (saclsi) Ił (saclsi) Wybrane właściwości badanego gruntu ρ ρ Badanie d ρ s w n [Mg m -3 ] [Mg m -3 ] [Mg m -3 ] [%] UPC1 (s = 10 kpa) UPC2 (s = 100 kpa) w k [%] e 0 [-] Tabela 1 e k [-] 2,02 1,79 2,65 12,9 12,02 0,45 0,35 2,03 1,82 2,65 13,3 12,89 0,45 0,36

4 4 M. Biliniak Po umieszczeniu próbki w urządzeniu zadano początkowe wartości ciśnienia powietrza w porach (u a ) oraz ciśnienia wody w porach (u w ), tym samym wymuszając założone ssanie (2) wewnątrz próbki. W zależności od wilgotności początkowej, próbka pobiera wodę z kontrolera lub następuję odpływ wody z próbki. Zakończenie odpływu/dopływu wody oznacza stabilizację ciśnienia ssania wewnątrz próbki, po czym można rozpocząć proces obciążania. Należy zaznaczyć, że w trakcie stabilizacji ssania podczas badania UPC 1, na próbkę działało niewielkie naprężenie pionowe netto (1) przez co próbka minimalnie zwiększyła objętość (spęczniała). Zmianę wilgotności gruntu podczas badania UPC 1 przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Zmiana wilgotności gruntu podczas badania. Fig. 2. Change of sample moisture during test. Powszechnie stosowana procedura edometrycznego badania ściśliwości IL (incremental loading) zakłada dwukrotne zwiększenie obciążenia (LIR = 2) co 24h [5]. Podczas badania w edometrze UPC kolejne obciążenia przykładano po zakończeniu osiadania próbki oraz stabilizacji wilgotności na poszczególnych etapach co trwało od 20 do 150 godzin, wyniki przedstawiono na rysunku 3.

5 Wykorzystanie konsolidometru UPC do badań gruntów nienasyconych 5 Rys. 3. Zmiana wilgotności i wysokości próbki w trakcie badania. Fig. 3. Change of moisture and sample height during test. Na podstawie otrzymanych danych, można obliczyć zmianę wilgotności w trakcie badania edometrycznego, co jest istotną informacją [6], pozwala bowiem dokładnie określić zmianę stopnia wilgotności (S r ) zgodnie ze wzorem: gdzie: Vw - objętość wody, Vp - objętość porów, wn - wilgotność naturalna, e - wskaźnik porowatości, s - gęstość właściwa szkieletu gruntowego, w - gęstość wody. S V w w n s r (3) Vp e w Interpretację graficzną zmiany stopnia wilgotności przedstawiono na rysunku 4.

6 stopień wilgotności, S r [-] 6 M. Biliniak 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0, składowa pionowa naprężenia netto, σ v netto [kpa] Rys. 4. Zmiana stopnia wilgotności w trakcie badania. Fig. 4. Change of degree of saturation during test. Podstawową charakterystyką otrzymaną z badania w edometrze UPC jest krzywa ściśliwości gruntu nienasyconego (rysunek 5). Na jej podstawie można oszacować parametry odkształceniowe badanego gruntu takie, jak wskaźniki ściśliwości (C c ) i (C r ) oraz edometryczne moduły ściśliwości (M) i (M 0 ).

7 Wykorzystanie konsolidometru UPC do badań gruntów nienasyconych 7 Rys. 5. Krzywe ściśliwości badanych próbek przy różnych ciśnieniach ssania. Fig. 5. Compressibility curves of tested soil samples for different suction value. Wartości wskaźnika ściśliwości (C c ) dla próbek iłu badanego przy ciśnieniu ssania równym 10 kpa oraz 100 kpa przedstawiono na rysunku 6. Rys. 6. Zmiany wskaźnika ściśliwości w trakcie badań. Fig. 6. Changes of compression index during tests.

8 8 M. Biliniak Aby określić pełny wpływ stanu nasycenia gruntu na parametry odkształceniowe, należy wykonać szereg badań zgodnie z opisaną procedurą, za każdym razem definiując różne wartości ssania macierzystego. 4. Podsumowanie W artykule opisano zasadę działania konsolidometru UPC, a także przedstawiono metodykę badania ściśliwości gruntu nienasyconego, która nieznacznie odbiega od tradycyjnego badania edometrycznego. Znajomość charakterystyk ściśliwości gruntów nienasyconych jest niezbędna do prognozowania deformacji i osiadań podłoża gruntowego o zmiennym stanie nasycenia oraz budowli ziemnych. Prawidłowo przeprowadzone badanie oraz właściwa interpretacja wyników są niezwykle istotne podczas wyznaczania parametrów do obliczeń. Badania potwierdziły, że dla większych wartości ssania macierzystego charakterystyki odkształceniowe są łagodniejsze, co oznacza większą sztywność badanego gruntu. BIBLIOGRAFIA 1. Bishop A.W., G.E. Blight: Some Aspects of Effective Stress in Saturated and Partly Saturated Soils. Geotechnique, vol. 13, 1963, p Fredlund D.G., Morgenstern N.R.: Stress state variables for unsaturated soils. Canadian Geotechnical Journal, vol. 15, 1977, p Lendo M., Skutnik Z.: Badanie współczynnika konsolidacji cv nienasyconych iłów warszawskich. Przegląd Naukowy nr 32, 2005, s Skutnik Z.: Weryfikacja parametrów geotechnicznych rdzenia zapory nasypowej na podstawie badań prowadzonych podczas budowy. Praca doktorska, Head K.H.: Manual of Soil Laboratory Testing Vol John Wiley and Sons, New York Toronto. 6. Wdowska M.: Wpływ zmiany stopnia wilgotności na charakterystyki ściśliwości w badaniach edometrycznych. ACTA Scientiarum Polonorum, Architectura nr 12(2), 2013, s Garbulewski K., Skutnik Z.: Badania gruntów nienasyconych w konsolidometrze UPC. Inżynieria Morska i Geotechnika, nr 3-4, 2003, s

9 Wykorzystanie konsolidometru UPC do badań gruntów nienasyconych 9 WYKORZYSTANIE KONSOLIDOMETRU UPC DO BADAŃ NIENASYCONYCH GRUNTÓW SPOISTYCH Streszczenie W artykule przedstawiono wykorzystanie konsolidometru UPC do badań gruntów nienasyconych. Podano metodykę badania ściśliwości w zmodyfikowanym edometrze wyposażonym w ceramikę o wysokim ciśnieniu wejścia powietrza (HAEV). Do wytworzenia ssania w próbce gruntu zastosowano technikę translacji osi. Zaprezentowano wyniki przykładowych badań ściśliwości dla dwóch wartości ciśnienia ssania. USE OF SUCTION CONTROLLED UPC OEDOMETER TO UNSATURATED COHESIVE SOIL RESEARCH Summary The paper presents application of suction controlled UPC oedometer in unsaturated soil researches. Presents the methodology of research with the use of modified oedometer provided with high air entry value (HAEV) ceramic disc. The axis translation technique was used to apply matric suction to soil specimens. Presents the results of the compressibility tests for two values of the suction pressure.