Piotr Jermołowicz Inżynieria Środowiska Szczecin Grunty organiczne W artykule przedstawiono charakterystykę gruntów organicznych kryteria podziału oraz wymogi ich ulepszenia wzmocnienia lub modyfikacji przekroju poprzecznego nasypów wraz z technologią ich wznoszenia pojawiające się w konkretnych sytuacjach. Zapraszamy również do zapoznania się z innymi zagadnieniami dotyczącymi gruntów na stronę internetową Inżynierii Środowiska do zakładki Baza Wiedzy. Znajdująca się tam Encyklopedia autorstwa Piotra Jermołowicza jest zbiorem cennych informacji z zakresu geotechniki hydrotechniki posadawiania obiektów stosowania geosyntetyków itd. (www.inzynieriasrodowiska.com. pl/encyklopedia). 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. Zgodnie z normą PN-86/B-02480 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. Poprzez swoją złożoność struktury grunty te nie są w żaden sposób znormalizowane tj. nie ma zestawień ich parametrów Nazwa gruntu Symbol Edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej [MPa] Grunt próchniczy H >15 Namuł Nm 05 50 Gytia Gy 05 50 Torf T ~ 02 (dla torfów holoceńskich) Tab. 1. Typowe wartości modułów ściśliwości M o dla wybranych gruntów organicznych a badając należy każdorazowo wykonać pełny zakres badań terenowych jak i laboratoryjnych. W podziale gruntów organicznych przyjmowane są kryteria: zawartość części organicznych I om zawartość CaCo 3 siedlisko i geneza powstania. Według normy klasyfikacyjnej PN-86/B-02480 oraz Instrukcji badań podłoża gruntowego (1998) wyróżnia się: grunty próchniczne (2% < I om < 5%) grunty nieskaliste w których zawartość części organicznych jest wynikiem wegetacji roślinnej oraz obecności mikroflory i mikrofauny grunty mineralno-organiczne (5% < I om < 15%) powstałe w zagłębieniach poza dolinami rzek namuły (5% < I om %) 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% < I om % 12% < CaCO 3 < 80%) namuły z zawartością węglanu wapnia > 5% gytie organiczne (I om > 30% 20% < CaCO 3 < 80%) kreda jeziorna (CaCO 3 > 80%) torfy (I om > 30%) grunty powstałe z obumarłych i podlegających stopniowej karbonizacji części roślin. Wyróżnia się wśród torfów: torfy słabo rozłożone (stopień rozkładu torfu wg skali van Posta: H 1 -H 3 ) torfy średnio rozłożone (stopień rozkładu torfu wg skali van Posta: H 4 -H 6 ) torfy silnie rozłożone (stopień rozkładu torfu wg skali van Posta: H 7 -H 10 ) torfy zamulone węgle brunatne i węgle kamienne grunty skaliste powstałe w wyniku silnej karbonizacji substancji roślinnych. Dodatkowym kryterium podziału na grunty mineralne i organiczne może być zawartość części mineralnych wyrażonych przez Nazwa gruntu Symbol Zawartość części organicznych Grunt próchniczy H 2 < I om < 5 Namuł Nm 5 < I om Torf T 30 < I om Tab. 2. Podział gruntów nieskalistych organicznych ze względu na zawartość części organicznych 24 Magazyn Autostrady 8-9/2017
Parametry określające Stopień zagrożenia korozyjnego własności korozyjne gruntu Mały Średni Duży Odczyn ph gruntu > 85 45-8 < 45 Substancja organiczna w % < 10 1-15 > 15 Azotany w % < 1 x 10-4 1 x 10-4 -1 x 10-3 > 1 x 10-3 Tab. 3. Własności korozyjne gruntu w zależności od składu chemicznego i domieszek organicznych wg normy BN-66/2330-01 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 van Posta gęstości: objętościowej i właściwej wilgotności naturalnej (wg PN-88/B-04481). Cechami charakterystycznymi nieskonsolidowanych gruntów organicznych są: ich prawie zawsze duża wilgotność w n = 100 2000% 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. 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 C v C h parametrów ciśnienia wody porowej. 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 Fot. 1. Widok próbnika rdzeniowego 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 min 250 mm. 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 należy zwrócić szczególną uwagę 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. www.autostrady.elamed.pl 25
Rodzaj gruntu Popielność (bez CaCo 3 ) Zawartość CaCo 3 Stopień rozkładu Namuły 80-95 Muły 25-80 Torfy zamulone 25-80 Torfy niezamulone: amorficzne amorficzno-włókniste włókniste Gytie: organiczne węglowe mineralne 0-25 < 65 < 60 < 65 0-20 20-90 30-60 > 60 Mursze 20-98 0-90 Tab. 4. Podział gruntów organicznych Rys. 1. Schemat odkształcenia słabego podłoża pod nasypem Natomiast kwasy humusowe związane z procesami zachodzącymi w substancji organicznej mają wpływ na korozyjność w stosunku do konstrukcji budowlanych. Dla większości gruntów organicznych naturalnym środowiskiem sedymentacyjnym są jeziora i bagna. Wśród osadów jeziornych dominują: biogeniczne hydrogeniczne mineralne. 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 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) Typ torfowiska Źródło informacji Niski Przejściowy Wysoki 55-80 35-55 32-42 Literatura tematu 55-65 40-50 25-40 70-80 60 50-69 35-45 Tab. 5. Zakresy wartości ph dla wybranych typów torfów węglany 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. We frakcji ilastej obok minerałów ilastych grupują się związki żelaza i glinu oraz krzemionka bezpostaciowa mająca również znaczny wpływ na właściwości gruntu a także w niewielkich ilościach inne składniki. Rozpoznanie składu mineralnego frakcji ilastej 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). Gradacja Stopień rozkładu Cechy rozpoznawcze H 1 0 10 Torf nierozłożony bez cząstek rozłożonych przy wyciskaniu wydziela się woda czysta bezbarwna H 2 10 20 Torf prawie nierozłożony przy wyciskaniu wydziela się woda lekko żółtawa H 3 20 30 Torf mało rozłożony z niewielką zawartością humusu. Woda wyciskana jest brunatnoszara mętna torf nie przechodzi między palcami H 4 30 40 Torf słabo rozłożony zawierający niewiele humusu. Woda wyciskana jest bardzo mętna torf nie przechodzi między palcami H 5 40 50 Torf dostatecznie rozłożony. Struktura roślinna jeszcze widoczna nie zamulona wyciska się mętną brunatną wodę i trochę masy torfowej H 6 50 60 Torf dobrze rozłożony z dostateczną ilością humusu struktura roślinna niewyraźna wyraźniejsza po wyschnięciu. Wyciska się do 1/3 rozł. masy H 7 60 70 Torf silnie rozłożony z dużą ilością humusu. Struktura roślinna jest widoczna wyciska się 1/2 masy torfowej H 8 70 80 Torf silnie rozłożony z dużą ilością humusu i bardzo niewyraźną strukturą roślinną. Wyciska się 2/3 masy torfowej H 9 80 90 Torf zupełnie rozłożony z dużą zawartością humusu bez widocznej struktury roślinnej wyciska się prawie całą masę torfową H 10 90 100 Zupełnie rozłożony torf bez struktury roślinnej między palcami przeciska się cała masa torfowa Tab. 6. Skala van Posta 26 Magazyn Autostrady 8-9/2017
Rys. 2. Podział gruntów organicznych (PN-86/B-02480) Sapropele dzielą się z kolei na: dy gytię. Gytia może dodatkowo przechodzić w kredę jeziorną jeżeli zawartość CaCO 3 przekroczy 80% masy. Podstawowe określenia gruntów organicznych: Dy osady zbiorników dystroficznych o zawartości (przekraczającej 50 % masy) substancji organicznej podobnej do torfu. Gytia jest to podstawowa masa osadów sapropelowych. Dominuje w jeziorach z wodą bogatą w tlen i substancję organiczną plankton. Charakterystyczną cechą jest obecność nanosów 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 uznaje się muły jako utwór organiczny pośredni między torfem a gytią. Namuły są to grunty facji powodziowej z nanosem piaszczystym lub gliniastym. 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) gytia namuł i torf. Występowanie torfów na świecie związane jest głównie 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. 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 części mineralnych bezwęglanowych. W zależności od przewagi jednego z tych składników wydziela się różne odmiany gytii. Obszary torfowisk i 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. Ko- Typ osadów A organiczne B węglanowe C mineralne Tab. 7. Podział gytii Rodzaj osadów Gytia glonowa Gytia grubodetrytusowa Gytia drobnodetrytusowa Kreda jeziorna Gytia wapienna Gytia detrytusowa-wapienna Gytia ilasto-wapienna Gytia ilasta Gytia piaszczysto-ilasta Gytia okrzemkowo-ilasta CaCo 3 Bardzo mała > 80 50 80 20 50 20-50 Zawartość substancji organicznej > 80 60-90 35-75 5-35 5-35 5-35 części mineralnych bezwapiennych < 65 < 60 > 65 > 65 > 65 Typ gytii Rodzaje Popielność (bez CaCo 3 ) Zawartość CaCo 3 ph Zawartość N ogólnego Organiczna detrytowa 8-37 41-72 07-34 ilasto-detrytowa Mineralno-organiczna wapienno-detrytowa wapienno-ilasta wapienna Mineralna ilasta Tab. 8. Klasyfikacja osadów jeziornych 53-68 65-77 79-83 86-94 88-95 8 27-48 31-53 60-67 66-75 75 77-78 74-75 12-31 28 04 08 www.autostrady.elamed.pl 27
Rys. 3. Ogólna klasyfikacja osadów [9] nieczność 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 do rodzaju gruntów i uziarnienia wskaźnika zagęszczenia I s modułu odkształcenia E 2 oraz stosunku modułów E 2 / E 1 w podłożu budowli ziemnych zalegają grunty bardzo ściśliwe o małej lub nietrwałej wytrzymałości oraz niestabilnej strukturze grunty o małej wytrzymałości (c u 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 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. W przypadku gruntów organicznych gdy dochodzi dodatkowo reologia i konsolidacja (przyśpieszenie drenażem pionowym) należy wykonać badania: kąta tarcia wewnętrznego i kohezji Rys. 4. Zasięg maksymalnego zlodowacenia w Europie (str. WWW z internetu) wilgotności naturalnej modułów odkształcenia współczynników konsolidacji dla przepływów pionowych i poziomych C v C h parametrów ciśnienia wody porowej 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). 28 Magazyn Autostrady 8-9/2017
Rys. 5. Przekrój podłoża bagiennego Budowie nasypu na gruntach organicznych zawsze towarzyszy intensywne osiadanie niespotykane przy gruntach mineralnych. Przebieg charakter i zakres odkształceń zależą 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 (Ø u 0 ) wynosi: q f = 514 c u + Dγ D gdzie: D zagłębienie nasypu poniżej poziomu terenu m γ D ciężar objętościowy gruntu w strefie D kn/m 3. 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 i determinuje wybór technologii uzdatnienia lub wzmocnienia podłoża. q Piśmiennictwo 1. Borys M.: Metody modernizacji obwałowań przeciwpowodziowych z zastosowaniem nowych technik i technologii. Falenty 2006. 2. Bzówka J. i in.: Geotechnika komunikacyjna. Gliwice 2013. 3. Dębski W. Sokalski K.: Materiałoznawstwo drogowe z geologią i petrografią. Warszawa 1967. 4. Ignut R. i in.: Terenowe badania geologiczno-inżynierskie. Warszawa 1973. 5. Jermołowicz P.: Nasypy na gruntach słabonośnych optymalizacja przekroju poprzecznego oraz określanie stref naprężeń w podłożu. Szczecin 2010. 6. Jermołowicz P.: Wykonywanie robót ziemnych na gruntach słabych wysadzinowych i podmokłych. Lublin 2013. 7. Kostrzewski W.: Mechanika gruntów. Parametry geotechniczne gruntów budowlanych oraz metody ich wyznaczania. Warszawa 1980. 8. Molisz R. Baran L. Werno M.: Nasypy na gruntach organicznych. Warszawa 1986. 9. Myślińska E.: Grunty organiczne i laboratoryjne metody ich badania. Warszawa 2001. 10. Poradnik wzmocnienia podłoża gruntowego dróg kolejowych. Pod red. Z. Biedrowskiego. Poznań 1986. 11. Wiłun Z.: Zarys geotechniki. Warszawa 2013. 12. Wytyczne wzmacniania podłoża gruntowego w budownictwie drogowym. IBDiM Warszawa 2002. 13. PN-86/B-02480. 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. www.autostrady.elamed.pl 29