REGIONALNA OCENA GEOTECHNICZNYCH WŁAŚCIWOŚCI GRUNTÓW POŁUDNIOWO-WSCHODNIEJ POLSKI NA PODSTAWIE SONDOWAŃ ORAZ KONTROLNYCH BADAŃ LABORATORYJNYCH Nr projektu rozwojowego NCBiR: N R09 0017 04 Sprawozdanie merytoryczne z wykonanych badań Obecne prace przy budowie krajowych dróg i autostrad stawiają pytania o sposoby, koszty i czas rozpoznania warunków geologiczno-inżynierskich i geotechnicznych podłoża tych dróg oraz budowli im towarzyszących (mosty, wiadukty itp.). Zakres i sposoby tego rozpoznania oprócz Rozporządzenia Ministerstwa Środowiska w sprawie sporządzania dokumentacji geologiczno-inżynierskich reguluje zwłaszcza Instrukcja badań podłoża gruntowego budowli drogowych i mostowych wydana przez Generalną Dyrekcję Dróg Publicznych. W obydwu wymienionych wyżej aktach prawnych, do rozpoznania podłoża gruntowego zaleca się między innymi różne sondowania na podstawie, których określa się charakter profilu gruntowego oraz niektóre cechy fizyczno-mechaniczne gruntów. Związki pomiędzy wynikami sondowań, a tymi cechami ustalane są empirycznie i często mają charakter regionalny, zależny od rodzajów i genezy badanych gruntów oraz historii geologicznej danego rejonu. Zamysłem, badań w ramach projektu rozwojowego było ustalenie tych związków poprzez porównanie własnych i archiwalnych wyników sondowań statycznych sondą CPTU, a dodatkowo sondą dynamiczną DPL i sondą obrotową FVT z laboratoryjnymi wynikami badań próbek gruntów pobranych z otworów badawczych w miejscach sondowań. Ma to na celu zwiększenie możliwości zastępowania rozpoznania podłoża gruntowego przy pomocy otworów badawczych oraz laboratoryjnych badań gruntów, szybszym i tańszym w wykonaniu sondowaniem. Zgodnie z wnioskiem o finansowanie projektu rozwojowego obszarem badań była południowo-wschodnia część kraju, a ściślej biorąc pas terenu w sąsiedztwie przebiegu autostrady A-4 na odcinku Kraków-Korczowa. Pod względem geograficzno-morfologicznym obszar badań położony jest głównie w południowej części makroregionu Kotliny Sandomierskiej przynależnej do podprowincji Północne Podkarpacie, a także do makroregionu Zewnętrzne Karpaty Zachodnie. Makroregiony te idąc od Krakowa w kierunku wschodnim składają się z kilkunastu mezoregionów, spośród których do badań wybrano tylko kilka z nich tj.: 1 Podgórze Wielickie (Wysoczyzna Wielicko-Gdowska) miejscowość Kłaj, 2 Dolina Raby miejscowość Ostra, 3 Wysoczyzna Szczepanowska miejscowość Szczepanów, 4 Dolina Uszwicy miejscowość Wokowice, 5 Wysoczyzna Tarnowska miejscowość Borowa, 6 Dolina Wisłoki miejscowość Zawierzbie, 7 Podgórze Rzeszowskie miejscowości Świlcza, Mirocin i Jankowice. W wymienionych wyżej mezoregionach fizyczno-geograficznych w strefie przypowierzchniowej terenu (do rozpatrywanej w badaniach głębokości 9 m, stanowiącej potencjalne podłoże budowlane budowli drogowych), występują różnorodne grunty. Są to głównie grunty czwartorzędowe oraz trzeciorzędowe. Miejsca badań dobrano tak, aby uwzględnić możliwie różne typy litogenetyczne gruntów. W efekcie badaniom poddano następujące typy litologiczno-genetyczne gruntów czwartorzędowych i trzeciorzędowych: I Osady rzeczne II Osady glacjalne, fluwioglacjalne, interglacjalne a) osady organiczne namuły, a) osady eoliczne lessy i osady lessopodobne, b) mady gliniaste, b) gliny zwałowe zlodowacenia południowo-polskiego, c) piaski rzeczne, c) piaski fluwioglacjalne i glacjalne, d) żwiry rzeczne, d) żwiry fluwioglacjalne, 1
III Osady morskie a) iły mioceńskie. Archiwalne wyniki sondowań obejmują odcinek autostrady A-4 pomiędzy Przeworskiem, a wschodnią granicą kraju. Własną interpretację tych wyników zawartych w analizowanych dokumentacjach sprowadzono tylko do oceny średnich wartości oporów sondowań (q c ) i oporów tarcia na pobocznicy sondy (f s ) oraz zakresu zmian tych oporów dla poszczególnych typów litologiczno-genetycznych sondowanych gruntów. Do tego celu wykorzystano karty dokumentacyjne otworów wiertniczych (przy których wykonywano sondowania) z zaznaczoną litologią gruntów i ich stanem konsystencji (zagęszczenia) oraz same wykresy sondowań z zarejestrowanymi zmianami q c i f s z głębokością. Typy litologiczno-genetyczne gruntów przyjęto w oparciu o wydzielenia i opisy dokonane w analizowanych dokumentacjach geologiczno-inżynierskich oraz na podstawie map geologicznych. Uznano, że powiązanie oporów sondowań CPTU z typami litologicznogenetycznymi znanymi z tych map, a nie tylko rodzajami granulometrycznymi gruntów, jak to jest w interpretacji Robertsona (wg PN-B-04452; Geotechnika badania polowe) wzbogaci i ułatwi możliwości interpretacji tych sondowań w ujęciu terytorialnym. Jest to ważne, zwłaszcza dla dróg i autostrad, które jako budowle liniowe przebiegają przez duże obszary, często o znacznie zróżnicowanych typach gruntów, których charakter, lokalizacja i zasięg terytorialny jest przedstawiony na Szczegółowych Mapach Geologicznych Polski w skali 1:50 000, a także na mapach geologicznych w skali 1:200 000. Oceniając dane archiwalne można stwierdzić, że opory sondowań statycznych są wyraźnie powiązane z typami litologiczno-genetycznymi gruntów, a ściślej biorąc z ich rodzajem, miejscem i warunkami powstawania oraz historią geologiczną, co też wpływa na ich aktualne zawilgocenie i stan. Dla organicznych i spoistych gruntów dolin rzecznych (są to głównie namuły gliniaste i różne rodzaje glin, a zwłaszcza gliny pylaste) pozostających głównie w stanie plastycznym, w zdecydowanej większości przypadków opory sondowań q c < 2 MPa, w tym dla gruntów organicznych q c < 1 MPa. W rozbiciu na poszczególne stany konsystencji opory te rosną systematycznie od stanu miękkoplastycznego do półzwartego. W gruntach rzecznych sypkich (piaski, żwiry) opory sondowań CPT według badań archiwalnych są znacznie większe niż w gruntach spoistych. W piaskach wynoszą przeciętnie 11 MPa, a w żwirach powyżej 30 MPa, rosnąc od stanu luźnego do zagęszczonego. Grunty pochodzenia glacjalnego (fluwioglacjalnego) i interglacjalnego występowały w badanym obszarze głównie na wysoczyznach i podgórzach. Opory sondowania statycznego spoistych rodzajów tych gruntów są przeciętnie większe niż gruntów w dolinach rzek, co też wiąże się z ich przeważającym twardoplastycznym stanem konsystencji. Osady morskie miocenu występujące pod utworami rzecznymi w dolinach oraz pod gruntami pokrywającymi wysoczyzny, charakteryzują się oporami sondowań zbliżonymi do glin zwałowych. Z uwagi na historię geologiczną w obydwu przypadkach są to grunty przekonsolidowane, co uzasadnia ich większe opory sondowań, podczas gdy utwory eoliczne i grunty dolin rzecznych można zaliczyć do normalnie skonsolidowanych. Badania własne przeprowadzono w sześciu rejonach, z których trzy podzielono dodatkowo na dwie lokalizacje. Podstawowym obiektem badań był tzw. węzeł badawczy jako fragment terenu, na którym wykonano badawczy otwór wiertniczy do głębokości 9 m, a wokół tego otworu (w odległościach 1 2 m) wykonano po pięć sondowań statycznych (CPTU) oraz po dwa sondowania sondą dynamiczną i sondą obrotową do głębokości od kilku do 10 m. W danym rejonie lokalizowano z reguły cztery węzły badawcze (niekiedy trzy lub dwa) odległe od siebie o około 5 10 m i usytuowane najczęściej w linii prostej lub łamanej, zależnie od dostępności terenu. Ogółem wykonanych zostało 30 otworów o łącznym metrażu268,8 m, w których pobrano 157 prób typu NNS oraz 98 prób typu NW. Wokół otworów wykonano 148 sondowań CPTU o metrażu 1345,4 m, 2 sondowania CPT o metrażu 2
18 m, 60 sondowań DPL o metrażu 439,8 m, 9 sondowań sondą PSO o metrażu 43 m oraz 52 sondowania sondą FVT o metrażu 223 m. Wyniki badań terenowych przedstawiono w formie opisowej, graficznej i tabelarycznej na stronie internetowej http://www.giigs.agh.edu.pl. Badaniom laboratoryjnym poddano próbki gruntów spoistych, określając w różnym zakresie ilościowym takie ich cechy fizyczno-mechaniczne jak: wilgotność naturalną (W n 201 oznaczeń), gęstość objętościową (ρ d - 191), gęstość właściwą (ρ s - 91), zawartość frakcji ziarnowych (I,, P, Ż - 111), granice plastyczności i płynności (W P, W L 121), edometryczny moduł ściśliwości (M 0-36), wskaźnik przekonsolidowania (OCR - 36), całkowite i efektywne parametry oporu ścinania określone w aparacie trójosiowym (c u, u, c, - 72). Ponadto określano na rdzeniach gruntowych (w warunkach laboratoryjnych) opory penetracji penetrometrem kieszonkowym i ścinarką obrotową. Wyniki badań laboratoryjnych dla próbek z poszczególnych otworów i rejonów zestawiono tabelarycznie i graficznie na stronie internetowej http://www.giigs.agh.edu.pl. Wydzielone typy litologiczno-genetyczne gruntów mimo ogólnego podobieństwa w swoim wykształceniu i właściwościach określanych wstępnie (terenowo) na podstawie oceny makroskopowej, w świetle bardziej szczegółowych badań laboratoryjnych są mniej lub bardziej niejednorodne. Najbardziej jednorodnym typem litogenetycznym w danym obszarze w całym profilu pionowym, a także w rozprzestrzenieniu poziomym są lessy (grunty lessopodobne). Opory sondowania statycznego (CPTU), a także sondowań dynamicznych (DPL) i sondowań sondą obrotową (FVT/PSO) są w profilu pionowym lessów stosunkowo mało zmienne w porównaniu do innych typów litologiczno-genetycznych. Strefowe opory sondowań statycznych wahają się najczęściej w granicach około 1,50 4,50 MPa, zależnie od stanu konsystencji lessów. Przeciętne strefowe opory sondowań statycznych w lessach uwzględniając udziały procentowe poszczególnych stanów konsystencji lessów wynoszą 2,71 MPa. Zakres zmian wartości pikowych oporów sondowań statycznych jest większy i zawiera się w granicach około 0,5 10,0 MPa. Najbardziej niejednorodnymi typami litologiczno-genetycznymi, zarówno w profilu pionowym, jak i w rozprzestrzenieniu poziomym na badanym obszarze są gliny zwałowe oraz mady rzeczne. Niejednorodności wykształcenia glin zwałowych przedkłada się na zróżnicowanie ich oporów sondowań w profilu pionowym. Strefowe opory sondowań w profilu pionowym serii glin zwałowych (nie uwzględniając przewarstwień i skupień piasku) wahają się w granicach q c = 1,17 23,0 MPa (średnio 3,98 MPa), najczęściej jednak około 2 8 MPa zależnie od stanu konsystencji oraz rodzaju granulometrycznego i domieszek żwirku oraz kamieni. Wartości pikowe oporów sondowań statycznych wahają się w nieco szerszym zakresie niżeli opory strefowe. Osady rzeczne (namuły, mady gliniaste, piaski i żwiry, a także iły mioceńskie) z uwagi na mniejszą liczbę badań nie są dokładniej analizowane pod względem zmienności strefowych oporów sondowania statycznego zarówno w profilach pionowych, jak i rozprzestrzenieniu poziomym. Ogólnie tylko stwierdza się, że zmienności te są w osadach rzecznych (zwłaszcza w madach gliniastych) procentowo większe niżeli w innych osadach. Średnie różnice oporów sondowania statycznego wokół pojedynczych otworów wynoszą tu około 25 100 % wartości średnich oporów w danej strefie, zaś różnice te w danym rejonie, uwzględniając 2 3 otwory wynoszą około 60 142 %. Pojedyncze sondowanie w takich osadach jest, więc stosunkowo mało reprezentatywne, jeśli chodzi o przestrzenną charakterystykę (w profilu pionowym i rozprzestrzenieniu poziomym) oporów sondowań i cech geotechnicznych takich osadów. 3
Uzyskane wyniki badań terenowych i laboratoryjnych nie są łatwe do interpretacji, a zwłaszcza porównań między sobą. Wynika to ze zmienności gruntów, zwłaszcza w profilu pionowym, wyrażającej się zmianami wilgotności, składu granulometrycznego (przewarstwienia, skupienia piaszczyste, pylaste), stanu konsystencji, ale także wpływem czynników mających wpływ np. na cechy wytrzymałościowo-deformacyjne badanych próbek (naruszenia struktury gruntu, orientacja lamin i warstwowania, obecność w próbce ziaren żwirku i kamieni itp.). Odnosząc wyniki przeprowadzonych sondowań statycznych do stosowanych w naszym kraju diagramów interpretacyjnych wiążących opory całkowite stożka sondy (q c ) lub opory netto stożka (q n ) z wartościami stopnia plastyczności (I L ) sondowanych gruntów spoistych można stwierdzić, że związki te dla badanych typów litologiczno-genetycznych gruntów bardzo dobrze wpasowują się w te diagramy. Lepsze dopasowanie występuje na diagramie wg Wiłuna niż wg normy PN-B-04452/2002. Dla sondowanych gruntów przyjęto tu średnie wartości stopnia plastyczności dla danego typu litologiczno-genetycznego uzyskane z badań laboratoryjnych i średnie wartości oporów sondowań. Interpretację pozwalającą określać rodzaje sondowanych gruntów, opartą na diagramie wartości współczynnika tarcia R f = f t /q t i wartości skorygowanego oporu (q t ) są generalnie zgodne z makroskopowymi i laboratoryjnymi ocenami rodzaju granulometrycznego badanych gruntów. Wykonując, więc sondowania statyczne (CPTU) w danym typie litologiczno-genetycznym gruntów w obszarze południowo-wschodniej części kraju można też wykorzystywać dotychczasowe diagramy do zgeneralizowanej oceny stanu konsystencji (stopnia plastyczności) badanych gruntów. Wyniki sondowań sondą dynamiczną DPL i obrotową FVT pozwalają stwierdzić, że i tutaj, podobnie jak w sondowaniach sondą statyczną CPTU opory sondowań związane są nie tylko ze stanami konsystencji gruntów, lecz częściowo i ich typem litologiczno-genetycznym, a zatem warunkami i środowiskiem ich powstawania, stopniem skonsolidowania itp. Dla tych samych stanów konsystencji gruntów spoistych (przy niewielkich różnicach średnich wartości ich stopnia plastyczności) największe opory sondowań sondą udarową (DPL), a także obrotową (FVT) wykazują iły mioceńskie oraz gliny zwałowe, odpowiednio mniejsze opory dają lessy i mady gliniaste, najmniejsze zaś namuły rzeczne. Dobre korelacje mierzonych wartości oporów sondowań dla niektórych typów gruntu umożliwiają ewentualnie stosowanie zamiennych rodzajów sondowania w zależności od posiadanego sprzętu. Dysponując stosunkowo licznymi wynikami badań dla lessów sporządzono diagram zależności średniej wartości (wg badań laboratoryjnych) stopnia plastyczności tych gruntów (w poszczególnych stanach konsystencji), a uśrednionymi dla tych konsystencji wartościami dynamicznego oporu sondowania DPL (N 10L ) i wartościami oporów sondowania sondą obrotową FVT (τ max, kpa). Wykres ten pozwala na przybliżone określanie stopnia plastyczności lessów w badanym obszarze, przy zastosowaniu sondowań dynamicznych (DPL) lub obrotowych (FVT). Podsumowując przeprowadzone badania można stwierdzić, że: 1 W dokumentowaniu warunków geotechnicznych podłoża budowli drogowych winno się szerzej wykorzystywać istniejące arkusze Szczegółowej Mapy Geologicznej Polski w skali 1:50 000 i pomocniczo mapy geologiczne w skali 1:200 000. Pozwalają one na wstępną ocenę spodziewanych warunków geotechnicznych podłoża drogi na trasie jej przebiegu. Ocena ta może być dalej udokładniona przy wykorzystaniu stwierdzonych związków pomiędzy danym typem litologiczno-genetycznym gruntu, a laboratoryjnie określonymi wartościami danej cechy geotechnicznej. Związki takie dotyczą w zasadzie obszaru badań, na którym je ustalono, lecz jak wynika z porównania diagramu normowego z wynikami własnych badań mają one też charakter bardziej uniwersalny. 2 Średnie wartości stopnia plastyczności (lub ogólnie stanu konsystencji) dla danych typów litogenetycznych badanych gruntów spoistych można szacować w oparciu o wyniki 4
sondowań ma podstawie danych z tabel i wykresu (http://www.giigs.agh.edu.pl), oraz dodatkowo dla lessów w oparciu o dane z sondowań dynamicznych (DPL) i obrotowych (FVT). 3 W zdecydowanej większości przypadków opory sondowania statycznego CPTU wszystkich spoistych gruntów czwartorzędowych na badanym terenie nie przekraczają wartości około 3 MPa (spoiste utwory miocenu około 5 7 MPa), co może pozwalać na ich odróżnienie w profilu sondowania od gruntów sypkich (piaski, żwiry), których opory sondowania są wyraźnie większe i zawierają się na ogół w granicach około 3,5 25 MPa, a najczęściej około 7 14 MPa. 4 Grunty spoiste, bez względu na typ litologiczno-genetyczny na badanym terenie, charakteryzujące się oporem sondowania CPTU poniżej około 1,8 MPa, a zwłaszcza poniżej 1,0 MPa, należy uznać za bardzo słabe lub słabe podłoże budowli drogowych, wymagające wymiany lub wzmocnienia (przy miąższościach przekraczających około 0,2 0,3 m). Za słabe podłoże zbudowane z gruntów spoistych należy też uznawać takie, gdzie opory sondowania sondą dynamiczną DPL wynoszą N 10L < 10 15, a opory sondowania sondą obrotową FVT wynoszą τ f < 60 80 kpa. 5 Nie uzyskano zadowalających wyników z porównania określonych laboratoryjnie parameterów wytrzymałościowo-deformacyjnych z oporami poszczególnych sondowań. Możliwe jest tu tylko określenie ogólnych związków pomiędzy nimi. 5