Piotr Jermołowicz Inżynieria Środowiska BADANIA GRUNTÓW 1.! Analiza makroskopowa. Metoda makroskopowa jest uproszczonym badaniem rodzaju i stanu gruntów, a uzyskane wyniki mają charakter przybliżony. Najczęściej badania makroskopowe obejmują określenie: - rodzaju i nazwy gruntu, - stanu gruntu, - barwy, - wilgotności, - zawartości węglanu wapnia. Próbki do badań makroskopowych pobiera się z każdej warstwy gruntu różniącej się rodzajem lub stanem, lecz nie rzadziej niż co 1 m głębokości. Wyróżnia się trzy zasadnicze rodzaje pobieranych próbek gruntów: próbki o naturalnym uziarnieniu (NU), próbki o naturalnej wilgotności (NW) oraz próbki o naturalnej strukturze (NNS). Próbki o naturalnym uziarnieniu (NU) to próbki pobrane w sposób zapewniający zachowanie naturalnego uziarnienia gruntu. Próbki o naturalnej wilgotności (NW) próbki gruntu w stanie rzeczywistego zalegania, pobrane w sposób zapewniający zachowanie naturalnej wilgotności gruntu. Próbki o naturalnej strukturze (NNS) - próbki gruntu w stanie rzeczywistego zalegania, pobrane w sposób zapewniający zachowanie naturalnej struktury gruntu oraz naturalnej wilgotności. Wszystkie próbki powinny być zaopatrzone w zabezpieczoną przed uszkodzeniem kartkę (metryczkę) z opisem daty, miejsca i głębokości pobrania. 1.1. Oznaczanie rodzaju gruntu 1.1.1. Oznaczanie rodzaju gruntów spoistych Grunt należy określić jako spoisty, jeżeli po wyschnięciu do stanu powietrzno-suchego tworzy on zwarte grudki. Grunt należy określić jako niespoisty, jeżeli po wyschnięciu do stanu powietrzno-suchego stanowi on niezwiązane ze sobą cząstki lub grudki, rozpadające się pod wpływem lekkiego nacisku palcem. Jeżeli grunt jest w stanie wilgotnym, to rodzaj gruntu określa się na podstawie zdolności do formowania kulki. Grunt spoisty, w przeciwieństwie do sypkiego umożliwia uformowanie kulki. Rodzaj gruntów spoistych zależy przede wszystkim od zawartości w nich frakcji iłowej, a ponadto od zawartości frakcji pyłowej i piaskowej. Wyróżnia się 4 rodzaje gruntów spoistych (stopnie spoistości), przy czym spoistość nadaje gruntom frakcja iłowa (tab. 1). Rodzaje
gruntów makroskopowo określa się na podstawie próby wałeczkowania, a w przypadkach wątpliwych - uzupełnionej próbą rozmakania i rozcierania : a) Próba wałeczkowania 1. Z przeznaczonej do badań grudki gruntu usuwa się ziarna żwirowe i formuje palcami kulkę o średnicy 7 mm. 2. Z kuleczki formuje się wałeczek na wyprostowanej dłoni, prawą nieznacznie naciskając grunt i przesuwając wzdłuż lewej z szybkością około 2 razy na sekundę. 3. Czynność prowadzi się aż do uzyskania wałeczka o średnicy 3 mm na całej jego długości. 4. Jeżeli wałeczek nie wykazuje spękań i nie łamie się przy podniesieniu go w palcach do góry, zgniata się go, ponownie formuje kuleczkę i wałeczkuje od nowa. 5. Kolejne czynności wałeczkowania wykonuje się tak długo, aż wałeczek po uzyskaniu średnicy 3 mm rozsypie się lub zaczyna pękać 6. W czasie wałeczkowania gruntu obserwuje się: a. rodzaj spękań (podłużne czy poprzeczne), b. zmiany wyglądu powierzchni wałeczka (czy wałeczek pozostaje cały czas matowy, czy i kiedy nabiera połysku). 7. Rodzaj uszkodzeń i wygląd wałeczka określa rodzaj gruntu (tab. 1), 8. Próbę wałeczkowania przeprowadza się co najmniej na dwóch grudkach gruntu, a w przypadku wyraźnej niezgodności wyników dodatkowo na trzeciej kulce. b) Próba rozmakania 1. Próbkę umieszcza się na siatce o wymiarach boków oczek kwadratowych 5 mm i zanurza w całości w zlewce z wodą destylowaną 2. Mierzy się czas rozmakania grudki od chwili zanurzenia w wodzie, aż do momentu przeniknięcia jej przez oczka siatki w wyniku rozpadnięcia 3. Czas rozmakania, zależny od zwartości frakcji iłowej w próbce, pozwala na zaliczenie jej do odpowiedniego rodzaju gruntu. c) Próba rozcierania 1. Grudkę gruntu przeznaczonego do badań rozciera się między dwoma palcami zanurzonymi w wodzie. 2. Jeżeli podczas tego rozcierania pozostaje między palcami dużo ziarn piasku, grunt zalicza się do grupy pierwszej gruntów o największej zawartości piasku (tab. 1) 3. Jeżeli w palcach wyczuwa się pojedyncze ziarna piasku, grunt zalicza się do grupy drugiej gruntów o pośredniej zawartości piasku jak i pyłu (tab. 1) 4. Jeżeli miedzy palcami nie pozostają ziarna piasku, grunt zaliczamy do grupy trzeciej gruntów o minimalnej zawartości piasku, na korzyść zawartości pyłu.
Tab. 1. Oznaczanie rodzaju gruntów spoistych metodą makroskopową Wskaźnik plastyczności:! " #$% & '$% " Stopień plastyczności:! & # ( )*$( + (, *$( + 1.1.2. Przybliżone oznaczanie rodzaju gruntów niespoistych Do gruntów niespoistych (sypkich zalicza się grunty drobnoziarniste niespoiste oraz grunty gruboziarniste zawierające do 2% frakcji iłowej. Rodzaj gruntów niespoistych określa się zgodnie z tab. 2, na podstawie wielkości i zawartości ziarna poszczególnych frakcji lub ewentualnie za pomocą lupy z podziałką.
Tab. 2. Rodzaj gruntu niespoistych w zależności od zawartości poszczególnych frakcji (dla oceny makroskopowej) Zawartość frakcji % Nazwa gruntu > 2 mm > 0,5 mm > 0,25 mm Żwir > 50 - - Pospółka 50 10 >50 - Piasek gruboziarnisty < 10 > 50 - Piasek średnioziarnisty < 10 < 50 > 50 Piasek drobnoziarnisty Piasek pylasty < 10 < 50 < 50 6.1.3.! Oznaczanie stanu gruntów spoistych Stan gruntu zależy od ilości i właściwości zawartej w nim wody, a także od składu i właściwości cząstek stałych. Makroskopowo stan gruntów spoistych należy oznaczać na podstawie liczby kolejnych wałeczkowań tej samej kulki gruntu, biorąc pod uwagę ile razy uzyskano wałeczek o średnicy 3 mm bez jego uszkodzeń (tab. 3). Wałeczkowanie przeprowadza się na gruncie o wilgotności naturalnej, nie wolno zwilżać gruntu nawet jeśli jest suchy. Jeżeli z gruntu można uformować kulkę, lecz wałeczek pęka podczas pierwszego wałeczkowania, grunt znajduje się w stanie półzwartym. Wyróżnienie następnych stanów określa się na podstawie liczby wałeczkowań tej samej kulki (tab. 3). Tab. 3. Makroskopowe oznaczanie stanu gruntu 1.1.4.! Makroskopowe badania gruntów organicznych Grunty organiczne dzieli się w zależności od genezy oznaczonej podczas badań terenowych oraz zawartości części organicznych oznaczonych orientacyjnie w badaniach makroskopowych, wyróżniając grunt próchniczny, namuł, gytię i torf.! Grunty próchniczne różnią się od gruntów nieskalistych mineralnych zawartością części organicznych (2-5%). Oznaczeń ich rodzaju dokonuje się tak samo jak oznaczeń gruntów nieskalistych mineralnych (najczęściej są to grunty drobnoziarniste), dodając do nazwy takiego gruntu, że jest to grunt próchniczny (humusowy), np. piasek gliniasty, próchniczny.
! Namuły - większe ilości części organicznych makroskopowo odróżniamy po gnilnym" zapachu, ciemnej barwie, a także dużej liczbie wałeczkowań, przy pozornie niewielkiej wilgotności gruntu. I om (5 30%).! Torfy mają charakterystyczną strukturę i teksturę włóknistą, porowatą, ze zmienną ilością nie rozłożonej substancji organicznej. I om > 30 %.! Gytia - jej właściwości zależą od stosunku ilościowego substancji organicznej, węglanu wapnia oraz części mineralnych bezwapiennych (piasku, pyłu lub iłu). W zależności od zawartości substancji organicznej wyróżnia się gytie:!! mineralne (do 10% części organicznych) - w zależności od ilości części węglanowych i bezwęglanowych oraz substancji organicznej makroskopowo mogą wykazywać cechy zbliżone do kredy jeziornej (dużą kruchość, jasne zabarwienie czasem o odcieniu różowym) lub do gruntów spoistych (większą spójność, szare, brunatne lub niebieskawe zabarwienie).!! organiczno-mineralne (10-30% części organicznych), - wł. podobne jak mineralne,!! organiczne (ponad 30% części organicznych) - w stanie wilgotnym stanowią substancję koloidalną, podobną do galarety, miękką w dotyku, sprężystą o barwach ciemnych szarych, brunatnych. Po wyschnięciu zmniejszają objętość i twardnieją. Oznaczanie zawartości części organicznych (I om ) polega na określaniu procentowej straty masy próbki gruntu (wysuszonej w temperaturze 105 110 o C) powstałej w wyniku utlenienia cząstek organicznych próbki 30 % roztworem wody utlenionej lub też w wyniku prażenia. Metoda utleniania jest metodą podstawową. Metody tej nie należy stosować w przypadku torfów i namułów oraz gdy badany grunt ma dostrzegalne części drewna, roślin, korzeni itp. Dla tych przypadków oraz dla gruntów małospoistych zawierających mniej niż 5 % CaCO 3 należy stosować metodę prażenia. Do analiz tych pobiera się próbki o minimalnej masie 300 g. 1.1.5. Określanie barwy gruntu Jedną z cech makroskopowych gruntu jest jego barwa, często ułatwiająca makroskopowe wydzielenie różnych rodzajów gruntów. Barwa w niektórych przypadkach jest wynikiem określonego składu mineralnego gruntu lub zawartych w nim domieszek. Tak na przykład, związki żelaza trójwartościowego nadają gruntom zabarwienie o odcieniach czerwonych lub brunatnych, natomiast związki żelaza dwuwartościowego zabarwienie o odcieniach zielonych i czarnych. Czarne zabarwienie gruntu może być wywołane także obecnością substancji organicznej, a zielone obecnością glaukonitu. Barwę gruntu określa się na przełamie bryłki gruntu o wilgotności naturalnej. Określenie barwy może być wyrazem kilkuczłonowym, przy czym najpierw podaje się intensywność i odcień barwy, a następnie barwę podstawową, dominującą (na przykład: barwa jasnozielonobrązowa). Przy określaniu barw używa się na ogół nazw kolorów podstawowych w skali barw. Należy unikać takich określeń, jak beżowy, amarantowy itp. Jeśli barwa gruntu nie jest jednorodna, określa się charakter tej niejednorodności podając barwy poszczególnych części,
na przykład: grunt o barwie jasnobrązowej z czerwonymi smugami. Należy jednocześnie pamiętać, że grunt może zmieniać barwę po wysuszeniu. Dlatego też określa się ją w gruncie o wilgotności naturalnej, a w przypadku określenia barwy gruntu wyschniętego fakt ten trzeba odnotować. 1.1.6.! Oznaczanie wilgotności gruntu Makroskopowo wilgotność gruntu określa się wyróżniając pięć stopni wilgotności gruntów spoistych. Grunt określamy jako: a) suchy, jeśli grudka gruntu przy zgniataniu pęka, a po rozdrobnieniu daje suchy proszek, b) mało wilgotny, jeśli grudka gruntu przy zgniataniu odkształca się plastycznie, lecz papier przyłożony do gruntu nie staje się wilgotny, c) wilgotny, jeżeli grudka gruntu przyłożona do papieru zostawia na nim wilgotny ślad, d) mokry, jeżeli przy ściskaniu gruntu w dłoni odsącza się woda, e) nawodniony, jeżeli woda odsącza się z gruntu grawitacyjnie. 1.1.7. Określanie zawartości węglanu wapnia Węglany wapnia mogą występować w gruntach bądź w stanie rozproszonym, bądź też w postaci większych lub mniejszych skupień, kryształków, kukiełek itp. Ilość węglanów w niektórych gruntach spoistych może dochodzić nawet do 30%. Obecność węglanów w gruntach powoduje ich silną agregację, co w zasadniczy sposób może mieć wpływ na inżyniersko-geologiczne właściwości tych gruntów. Tab.4. Oznaczanie klasy zawartości węglanów (20 % roztwór HCl): 1.2.! Badania według PN-EN ISO 14688 Większość gruntów to twory złożone, zbudowane z:!frakcji głównej (dominującej), od której pochodzi nazwa główna (symbol) pisana dużą literą np. Gr, Sa, Si! frakcji drugorzędnych, które są opisywane symbolami gruntu w postaci małych liter np. gr, sa, si, Grunty stanowiące przewarstwienia mogą być pisane małymi podkreślonymi literami, następującymi po głównej frakcji gruntu np. gr, sa, si.
W przypadku gruntów gruboziarnistych (niespoistych) należy precyzować ich opis poprzez dodanie pierwszych liter przymiotników określających wielkość frakcji: C (coarse - gruby), M (medium - średni), F (fine drobny) pisanych dużymi literami. Nazwę gruntu tworzy kombinacja powyższych terminów np.:! piasek gruby ze żwirem drobnym (fgrcsa)! pył z piaskiem grubym z domieszką żwiru drobnego (fgrcsasi)! glina ilasta (sasicl)! ił pylasty przewarstwiony piaskiem (siclsa). Rys.5. Fragment schematu blokowego do oznaczania i opisu gruntów wg PN-EN ISO 14688-1[34] 1.2.1. Metody oznaczania i opisu gruntu Oznaczanie składu granulometrycznego: w celu oznaczenia rozkładu wielkości cząstek próbkę należy rozłożyć na płaskiej powierzchni lub na dłoni. Wymiary cząstek próbki należy porównać ze standardami uziarnienia obejmującymi wydzielenia zawierające materiał o różnych przedziałach wymiarów cząstek zgodnie z Tab.14. PN-EN ISO 14688. Ponieważ poszczególne cząstki pyłu i iłu nie są widoczne gołym okiem, do oznaczenia cech takiego gruntu należy stosować następujące metody:
! oznaczanie drobnych cząstek! oznaczanie wytrzymałości w stanie suchym! oznaczanie dylatancji pyłu i iłu! oznaczanie plastyczności. Oznaczanie kształtu cząstek: w przypadku grubych frakcji, opisuje się kształt cząstek w nawiązaniu do ich stopnia obtoczenia (który wskazuje na stopień zaokrąglenia krawędzi i naroży), ich ogólny kształt i charakter powierzchni. Tab.6. Terminy określające kształt cząstek. Parametr OSTROŚĆ KRAWĘDZI STOPIEŃ OBTOCZENIA Kształt cząstki Bardzo ostrokrawędzisty Ostrokrawędzisty Słabo ostrokrawędzisty Słabo obtoczony Obtoczony Dobrze obtoczony FORMA CHARAKTER POWIERZCHNI Sześcienna Płaska Wydłużona Szorstka Gładka Oznaczanie drobnych cząstek: przy oznaczaniu składu gruntu drobne frakcje występujące w małej ilości w próbce należy wypłukać, a grubszą pozostałość opisać na podstawie wymiarów i kształtów cząstek, rodzaju materiału i innych specyficznych składników. Czas trwania i dokładność procesu przemywania oraz badanie otrzymanego osadu wskazują na rodzaj i zawartość procentową frakcji drobnych. Oznaczanie barwy gruntu: Barwa gruntu często wskazuje na skład materiału i jego rozkład. Barwa pozwala rozróżnić grunty mineralne i organiczne. Z uwagi na fakt, iż wiele gruntów zmienia szybko swoją barwę na powietrzu, ważne jest, aby barwy określać na świeżo odsłoniętej powierzchni przy pełnym świetle dziennym. Zaleca się, aby zawsze odnotowywać takie zmiany barwy, jak te w następstwie utleniania bądź wysuszania. Tab.7. Oznaczanie wytrzymałości w stanie suchym:
Oznaczanie plastyczności (zwięzłości): W celu oznaczenia plastyczności (zwięzłości) wilgotną próbkę gruntu należy, wałeczkować na gładkiej powierzchni, aby otrzymać wałeczek o średnicy około 3 mm, następnie zlepić go z powrotem i powtarzać wałeczkowanie do chwili, kiedy na skutek utraty wody nie daje się wałeczkować, a tylko zlepiać. Osiąga się w ten sposób granicę plastyczności. Tab.8. Oznaczanie plastyczności (zwięzłości): Tab.9. Oznaczanie zawartości piasku, pyłu i iłu w gruncie: Uwaga! Gruby pył może być szorstki w dotyku, lecz poszczególne ziarna nie są widoczne gołym okiem. Tab.10. Oznaczanie dylatancji pyłu i iłu:
Tab.11. Oznaczanie zawartości węglanów: zawartość węglanów oznaczana jest na podstawie reakcji gruntu na kroplę 10-procentowego lub rozcieńczonego wodą w proporcji 3:1 roztworu kwasu solnego. Tab.12. Oznaczanie konsystencji: Rys. 1. Trójkąt ISO krajowy do określania symboli gruntów wg [1, 2].
Przykładowy formularz badań : Opis badanych próbek: Wyniki analizy makroskopowej:
1.2.3. Analiza makroskopowa według PN-EN ISO 14688 Analiza makroskopowa gruntów gruboziarnistych wg PN-EN ISO 14688 :
Analiza makroskopowa gruntów drobnoziarnistych wg PN-EN ISO 14688 :
1.3.! Uwagi krytyczne Podstawą do wyboru metody wzmacniania podłoży gruntowych lub projektowanego sposobu posadowienia obiektu jest jego szczegółowe rozpoznanie. Powinno ono uwzględniać w szczególności lokalne warunki i specyficzne niejednokrotnie potrzeby na rzecz wyselekcjonowania metody wzmocnienia.
!"#$%&'()*'+,-&*'("./&0/ 123/)&4(7')8(9(6-:8 123/)&4(56*.26'! Rys. 2. Porównanie efektywności technologii wzmacniania podłoży.
Badania podłoża powinny być wykonane 2 3 etapowo: etap 0 wstępne w fazie studiów do wyboru lokalizacji trasy lub budowli i oceny wykonalności ( w tej fazie często można uniknąć sytuowania obiektów na słabych gruntach lub ograniczyć ich wpływ), etap I podstawowe do uzyskania decyzji lokalizacyjnej albo do projektu budowlanego - służą one do zaprojektowania konstrukcji oraz do wstępnego wyboru metod budowy, etap II uzupełniające lub kontrolne w fazie projektowania lub budowy obiektu, uściślające zakres terenowy lub przedmiotowy badań, m.in. właściwości słabych warstw pod kątem ich wzmocnienia oraz gruntów przydatnych do użycia jako materiału do robót ziemnych. Ogólnie zakres badań powinien umożliwiać określenie na ich podstawie warstw geotechnicznych z dokładnością odpowiadającą wymaganiom obliczeń nośności i stateczności budowli. Podłoże powinno być rozpoznane do głębokości strefy aktywnej oddziaływania budowli i zakończyć się w warstwie gruntów nośnych. Cechy podłoża należy ustalić na podstawie wierceń lub wykopów badawczych, sondowań i innych badań polowych, badań makroskopowych oraz szczegółowych badań laboratoryjnych. W każdym przypadku należy zwrócić uwagę na :! budowę geologiczną i właściwości geotechniczne podłoża, a szczególnie miąższość i rodzaj warstw słabych oraz poziom stropu podłoża nośnego,! niejednorodności budowy podłoża i występowanie lokalnych gniazd lub soczewek słabych gruntów,! rodzaj i uziarnienie gruntów, parametry geotechniczne, szczególnie słabych warstw wymagających wzmocnienia lub ulepszenia,! prognozowane zmiany właściwości gruntów w wyniku ich wzmocnienia,! warunki hydrologiczne: poziomy wód gruntowych, nawierconych i ustabilizowanych, kierunek ich przepływu, prognoza zmian stanów wód,! właściwości chemiczne, zanieczyszczenia gruntu i wód gruntowych oraz ich agresywność,! przeszkody w podłożu mogące utrudnić roboty. Badania powinny wyjaśnić, czy wzmocnienie rzeczywiście jest potrzebne? Jeśli tak, to należy możliwie dokładnie ustalić zakres występowania słabych gruntów, by uniknąć zbędnych robót wzmacniających. Należy pamiętać, że wiercenia i sondowania są zawsze tańsze od samego wzmacniania. Dokładnego rozpoznania wymagają szczególnie warstwy określane zwykle jako nienośne, gdyż ich właściwości fizyko mechaniczne decydują o wyborze zabiegów oraz o ich efektach.
Tab. 13. Zalecane metody badań podłoża i określenia parametrów gruntu Główny cel badań Zalecane rodzaje badań układ i rodzaj słabych warstw -wiercenia, pobranie i badania próbek, uziarnienia itp.; orientacyjnie : sondowania, zwł. statyczne CPT warunki wodne - wiercenia, pomiary w piezometrach, sonda CPT-U rodzaj gruntu, uziarnienie - badania próbek gruntu, uziarnienia, części organiczne ściśliwość słabego podłoża - presjometr, próbne obciążenie płytą 0,5 1 m 2, wielkowymiarowe 4 10 m 2, M, M 0 wytrzymałość na ścinanie - ścinanie obrotowe VT, sonda CPT, presjometr, Ø, C stan zagęszczenia - sondy statyczne CPT, dynamiczne SD przepuszczalność gruntu - pomiar współczynnika frakcji k 10, próbne pompowania czas konsolidacji - współczynnik filtracji k 10, współczynnik konsolidacji, - próbne obciążenie wytrzymałość i trwałość mieszanek - próbne mieszania (laboratoryjne, terenowe), badania próbek, sondowania kolumn, próbne obciążenia wytrzymałość gruntu nośnego - sondy CPT, SD, presjometr Kilka uwag praktycznych Na terenie Polski, w przeszłości geologicznej mieliśmy 4 okresy zlodowaceń i odwilży. Doprowadziło to do zdeformowania istniejącego układu warstw geologicznych i powstania zaburzeń podłoża zwanych deformacjami glacitektonicznymi.wiąże się to bezpośrednio z genezą i skonsolidowaniem gruntów. W grupie gruntów spoistych (zgodnie z normą PN-81/B-03020) wydzielono 4 genezy dla gruntów spoistych: A-! grunty spoiste morenowe skonsolidowane, B-! inne grunty spoiste skonsolidowane oraz grunty spoiste morenowe nieskonsolidowane, C-! inne grunty spoiste nieskonsolidowane, D-! iły niezależnie od genezy. Grunty gliniaste Zmieniają swoją wytrzymałość głównie wskutek procesów fizycznego i chemicznego wietrzenia, co ujawnia się po wcięciu w podłoże i odsłonięciu go wzdłuż powierzchni skarpy. Proces ten intensyfikuje się, gdy nie wykonano odpowiedniego odprowadzenia wód podziemnych i powierzchniowych. Szczególnie intensywnie występuje wówczas ich odprężenie. Wiązać je należy z odciążeniem glin np. wskutek obniżenia zwierciadła wody. Ogólnie można stwierdzić, że odprężenie związane jest z filtracją wody, gdyż pod wpływem sił hydrodynamicznych występuje zwiększenie porowatości glin. Ujawnia się ono szczególnie w dolnej partii warstwy glin. Ponieważ proces odprężenia związany jest z filtracją wody, najbardziej intensywnie zachodzi on w glinach piaszczystych i pylastych, najmniej
intensywnie w glinach bez zawartości frakcji piaszczystych i pylastych. Prędkość odprężenia wzrasta przy tym ze wzrostem spadków hydraulicznych. Bardzo intensywne odprężenie występuje przy spływie wód powierzchniowych po skarpie, gdy woda porowa znajduje się pod działaniem sił kapilarnych. Proces odprężenia intensyfikuje się, gdy składowe naprężenia stycznego zbliżają się do wartości granicznych. Gliny zalegające powyżej zwierciadła wody w przypadku gdy zachodzi ich zawilgocenie, zawsze zmniejszają swoje właściwości wytrzymałościowe wskutek odprężenia, rozpuszczania związków cementujących i utraty napięcia powierzchniowego. Piaski / żwiry Praktycznie nie zmieniają swych własności wytrzymałościowych na ścinanie pod wpływem nawodnienia lub odwodnienia. Natomiast ciśnienie hydrodynamiczne może powodować zmniejszenie sił tarcia wewnętrznego tych gruntów, co mylnie bywa utożsamiane z występowaniem kurzawek (tzw. płynny piasek). W istocie tylko niektóre piaski pylaste i pyły piaszczyste mają sposobność do tworzenia kurzawek. Obniżenie wytrzymałości piasków może wystąpić w wyniku sufozji mechanicznej. Właściwość ta ujawnia się przy wskaźniku różnoziarnistości U > 15 20, a równocześnie spadek hydrauliczny wynosi około 0,5 1,0 a nawet więcej. Takie przypadki dla skarp są mało prawdopodobne z uwagi na małe gradienty hydrauliczne. Z tego powodu procesy sufozyjne przy projektowaniu skarp nie muszą być brane pod uwagę. Ograniczone wymywanie piasków z najdrobniejszymi frakcjami nie przekracza 1 2% i nie jest niebezpieczne dla stateczności skarpy. Gliny Podlegają intensywnemu odprężeniu jedynie w pobliżu powierzchni skarp, gdyż siła odprężenia ujawniająca się w nich nie jest wielka. Odprężenie to powoduje jednakże utratę spójności i przejście w stan płynny, co w efekcie prowadzi do spływów warstwy o grubości 15 20 cm już przy kącie nachylenia skarpy 18 o 20 o. Gliny piaszczyste i piaski pylaste Posiadają swoją specyfikę, gdyż wokół cząsteczek pyłów wykształca się otoczka dipolowo zorientowanych molekuł silnie związanej wody, co prowadzi do procesów tiksotropowego zwiększenia wytrzymałości. Piaski pylaste w odróżnieniu od piasków drobnych po wyschnięciu tworzą lekko spojone grudki, które po dotknięciu palcem rozsypują się pozostawiając na palcu jasną mączkę. Przykłady przeoczeń geotechnicznych gruntów słabych lub mocnych. A.! W przypadku posadowień obiektów inżynierskich (mosty, wiadukty itd.) rozpoznaniu powinno polegać podłoże pod każdą przyszłą podporą. Ograniczenie zakresu badań prowadzi u dokumentatora dokonanie czynności interpolowania wyników badań terenowych pomiędzy odległymi otworami, nierzadko nawet o 1000 m!
Jest to niebezpieczne nie tylko w przypadkach posadawiania mostów w sąsiedztwie cieków wodnych, gdzie zmienność warstw gruntowych jest często znaczna. Przekonano się o tym projektując, a następnie wykonując podpory palowe w ciągu obwodnicy Międzyzdrojów. Zaprojektowane pale o max. długości 15 m okazały się niewystarczające na odcinku 800 m, gdzie nie wykonano wystarczającego rozpoznania podłoża. Na tym odcinku, rzeczywiste warunki geotechniczne były odmienne. Do głębokości 40 m ppt zarejestrowano w trakcie wykonawstwa zaleganie pyłów w stanie miękkoplastycznym. Wymusiło to zatrzymanie prac i przedłużenie pali zastosowano pale segmentowe ze złączami stalowymi do ponad 42 m długości. B.! Odmienny problem napotkano przy budowie autostrady A2. Pale zaprojektowane jako 12 metrowe, po zabiciu na ok. 7 m ppt napotkały na opór podłoże skalne!!! Podpory osiągnęły wymaganą nośność, ale obcięto blisko połowę długości z zakontraktowanych pali. C.! Odrębnym problemem jest wykazywanie gruntów znacząco odmiennych do warunków rzeczywistych. Straty finansowe, problemy organizacyjne, narażanie się na odpowiedzialność w trakcie kontroli i rozliczania budowy w przypadku dofinansowania ze środków UE, zatrzymanie budowy, wydłużenie robót o czas potrzebny na podjęcie stosownych kroków po opracowaniu szeregu opinii, ekspertyz i projektów zamiennych, to tylko część efektów, która towarzyszy niefrasobliwości i źle pojętej oszczędności. A przecież w każdym projekcie budowlanym piszemy klauzulę wymaganą art. 20 ust. 4 (P.B.). Narażeni na odpowiedzialność cywilno-prawną i roszczenia z tytułu gwarancji i rękojmi, projektanci są niejednokrotnie przekonani o swej słuszności. D.! Częstym przypadkiem jest niewychwycenie na odcinku np. 800 1000 m! zalegania starego składowiska odpadów, zamkniętego bez żadnych dokumentacji lub ewidencji pod koniec lat 70-tych ub. wieku. Zatrzymanie budowy to tylko jeden z wielu problemów. Obecnie większość miast organizując obwodnicę w swoich granicach może mieć podobne problemy. W tym miejscu powinno pojawić się pytanie kto zezwolił lub wykonał tego typu badania w terenie? W przypadku rozmieszczenia otworów co 100 lub 200 m (dla obiektów liniowych) [7] tego typu przypadki nie wystąpiłyby. W trakcie projektowania byłaby możliwość zmiany nawet trasy drogi lub ulicy bez narażania się na dodatkowe koszty. Po zaistnieniu takiego przypadku, pozostaje niezwłocznie rozpoznać głębokość i rozległość starego składowiska i wykonać badania. Każde rozwiązanie umożliwiające kontynuowanie robót wiąże się z koniecznością poniesienia dodatkowych kosztów, o których istnieniu w momencie przekazywania dokumentacji projektowej, zespół autorski nawet nie wiedział. Poniżej przedstawiam dwa warianty umożliwiające kontynuowanie robót po napotkaniu w podłożu starego składowiska.
Rys.3. Schemat wzmocnienia podłoża kolumnami żwirowymi i poduszką z geotkaniny Rys. 4. Schemat wzmocnienia podłoża poduszką z geotkaniny E.! Te same procedury dotyczą problemu ze stwierdzeniem w podłożu gruntów organicznych. Raczej trudno wyobrazić sobie, że na odcinku 600-800 m geotechnik nie wykonuje wierceń i badań terenowych, skoro w innych miejscach robił to prawidłowo. W większości przypadków wiąże się to z próbą ominięcia problemów z finansowymi na czele. Po pierwsze wjazd sprzętem ciężkim na taki teren wiąże się z trudnościami i stosowaniem, np. materacy drewnianych lub drogami tymczasowymi, a na to nie ma zgody i funduszy od zlecającego. Po drugie, wykonanie tego typu wierceń w gruntach bagiennych wiąże się z problemami pobierania próbek gruntów i drogimi badaniami laboratoryjnymi. Pozostawienie odcinka, np. 800 m w ciągu trasy bez rozpoznania jest w rozumieniu wielu wykonawców mniejszym złem. W konsekwencji zmartwienie spada na Inwestora, który przyjął dokumentację do realizacji. Projektowanie przez ekstrapolację (bo taniej) warunków gruntowych prowadzi do:
! przechodzenia palami przez nawodnione warstwy lub soczewki i w konsekwencji otrzymywanie rozluźnionego gruntu w otoczeniu pobocznicy pala,! braku wymaganej nośności podłoża, przyjętej w projekcie,! nieuzyskiwania wymaganej nośności podłoża poprzez zastosowanie rozwiązań przyjętych w projekcie,! zatrzymania budowy,! zwiększenia kosztów realizacji,! sporów pomiędzy stronami. Podsumowując dotychczasowe zapisy należy wyraźnie podkreślić, że koszty badań geologicznych powinien ponieść bezpośrednio inwestor, nie zaś wybrany w przetargu projektant. Takie podejście jest ze wszechmiar korzystne. Inwestor zyskuje najwięcej, ale i o to chodzi. Zakres rozpoznania geotechnicznego będzie zawsze zgodny z charakterem inwestycji, gdyż na linii Inwestor Przedsiębiorstwo geologiczne będzie osiągnięty konsensus co do ilości robót terenowych i laboratoryjnych poparty doświadczeniem i odpowiedzialnością za opracowanie bez znamion wadliwości. 2.! Badanie uziarnienia Badanie uziarnienia (składu granulometrycznego) gruntu polega na określeniu zawartości poszczególnych frakcji w pobranej próbce. Badanie uziarnienia gruntów niespoistych wykonuje się metodą sitową, która polega na przesiewaniu wysuszonego gruntu przez sita o określonych wymiarach oczek i obliczaniu procentowej zawartości ziarn pozostających na kolejnych sitach, w stosunku do całkowitej masy badanej próbki. Dla gruntów spoistych najczęściej stosuje się metodą areometryczną. Metoda ta polega na określaniu prędkości opadania cząstek gruntowych (o średnicy zastępczej mniejszej niż 0,06 mm lub 0,074 mm) w wodzie. Podczas badania dokonuje się pomiaru zmiany gęstości zawiesiny w czasie za pomocą areometru. Za pomocą analizy areometrycznej nie wyznacza się rzeczywistych wymiarów cząstek gruntu, lecz średnice zastępcze, to jest średnice kul o tej samej gęstości właściwej szkieletu gruntowego co badany grunt i opadających w wodzie z tą samą prędkością co cząstki rzeczywiste. Analizie areometrycznej poddaje się grunty spoiste zawierające nie więcej niż 2,0 % części organicznych. Wykonanie analizy granulometrycznej pozwala na wykreślenie krzywej uziarnienia, ustalenie rodzaju i nazwy badanego gruntu. Znajomość rodzaju badanego gruntu pozwala na prognozowanie jego właściwości oraz ustalenie zakresu dalszych badań. Analiza granulometryczna jest jednym z najczęstszych badań w budownictwie. Ze względu na szerokie możliwości jest wykorzystywana do wielu zagadnień. Na podstawie znajomości krzywej z badania analizy sitowej lub areometrycznej możemy wnioskować o wielu
wskaźnikach rozstrzygających niejednokrotnie problematyczne sytuacje na budowie lub podejmować szybkie decyzje. Rys.5. Krzywe uziarnienia z analizy sitowej. Wykres uziarnienia jak mało który nomogram, służy do rozwiązywania wielu zadań praktycznych:! umożliwia sklasyfikowanie gruntu,! obliczenie współczynników filtracji k 10 = cd 2 10 [cm/s]! doboru uziarnienia na filtry odwrotne,! wyboru najodpowiedniejszego gruntu np. do nasypów! podziału gruntu pod względem wysadzinowości (grunty wątpliwe 20 30 % cząstek mniejszych od 0,05 mm i 3 10 % cząstek mniejszych od 0,002 mm),! wskaźnik różnoziarnistości i krzywizny: -#. /0 2. 3 #. 5 40 10. 10 6$. /0 2.1.! Podział gruntów Grunty rodzime nieskaliste mineralne, do których zalicza się grunty o zawartości części organicznych I om <2,0%, dzieli się biorąc pod uwagę ich uziarnienie na:! grunty kamieniste (symbol K) o zawartości ziarn o średnicach większych od 40 mm stanowiącej więcej niż 50% ( d 50 > 40 mm),
! grunty gruboziarniste o zawartości ziarn o średnicach mniejszych od 40 mm stanowiącej więcej niż 50% oraz o zawartości ziarn o średnicach większych od 2 mm stanowiącej więcej niż 90% ( d 50 40 mm oraz d 90 > 2mm),! grunty drobnoziarniste o zawartości ziarn o średnicach mniejszych od 2 mm stanowiącej więcej niż 90% (d 90 2 mm). Do określenia rodzaju gruntów nie skalistych mineralnych potrzebna jest znajomość zakresu średnic zastępczych charakterystycznych dla poszczególnych frakcji. Poszczególne frakcje gruntów oraz odpowiadający im zakres średnic zastępczych przedstawiono w tablicy 14. Tab.14. Zestawienie frakcji gruntów nieskalistych. Podział gruntów kamienistych ze względu na uziarnienie z jednoczesną ich charakterystyką przedstawiono w tablicy 15. Tab.15. Podział gruntów kamienistych.
Podział gruntów niespoistych, (sypkich) w zależności od ich uziarnienia (składu granulometrycznego) przedstawiono w tablicach 16 i 17. W tablicy 26 podano natomiast podział gruntów spoistych ze względu na uziarnienie, co można przedstawić również w formie graficznej za pomocą trójkąta Fereta (rys.6). Tab.16. Podział gruntów gruboziarnistych ze względu na uziarnienie Tab.17. Podział gruntów drobnoziarnistych ze względu na uziarnienie
Tab.18. Podział gruntów spoistych ze względu na uziarnienie Rys.6. Trójkąt Fereta
2.2.! Uwagi praktyczne 2.2.1. Oznaczanie składu ziarnowego Uziarnienie gruntów sypkich (niespoistych), z wyjątkiem piasku pylastego, określa się za pomocą analizy sitowej, natomiast gruntów spoistych w tym również piasku pylastego - za pomocą analizy areometrycznej. W niektórych przypadkach stosuje się również analizę pipetową. 2.2.2. Analiza sitowa Analiza sitowa polega na wydzieleniu poszczególnych frakcji gruntu za pomocą jego przesiania przez komplet ośmiu sit. Stosuje się sita o następujących wymiarach oczek kwadratowych: 25; 10; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,10; 0,071 lub 0,063 mm. Dopuszcza się stosowanie zamiast sit o wymiarach oczek 0,071 i 0,063 mm sit o wymiarach oczek 0,074 oraz 0,06 mm. Próbki gruntu pobrane do analizy sitowej nie powinny zawierać ziarn o wymiarach większych niż 40 mm. Stała masa próbek gruntu wysuszonych w temperaturze 105 110 C powinna wynosić:! dla piasku drobnego 200 250 g,! dla piasku średniego 50 500 g,! dla piasku grubego, pospółki i żwiru 500 5000g Próbkę gruntu przesiewa się przez komplet sit ustawiając je na wstrząsarce którą uruchamia się na 5 min. Po obliczeniu procentowej pozostałości Z i ziarn gruntu na poszczególnych sitach wykreśla się krzywą uziarnienia gruntu, ustala się procentową zawartość ziarn gruntu w poszczególnych frakcjach (z krzywej uziarnienia) oraz określa się rodzaj gruntu korzystając z tablic 14 i 15. Z krzywej uziarnienia możemy odczytać:! procentowe zawartości poszczególnych frakcji pozwoli to na określenie rodzaju i nazwy badanego gruntu,! średnice cząstek d 10 i d 60 - średnice cząstek, których wraz z mniejszymi w gruncie jest 10% lub 60% (masy) - pozwoli to na określenie C u (U) - czyli wskaźnika jednorodności uziarnienia (wskaźnika różnoziarnistości) badanego gruntu.! W zależności od wielkości C u badany grunt możemy zaliczyć do jednej z trzech grup:! grunt równoziarnisty - C u 5 (np. piaski wydmowe i lessy),! grunt różnoziarnisty - C u 15 (np. gliny holoceńskie),! grunt bardzo różnoziarnisty - C u > 15 (np. pospółki i gliny zwałowe). Określenie wskaźnika jednorodności uziarnienia może mieć zastosowanie np. do oceny właściwości filtracyjnych danego gruntu, możliwości jego zagęszczania.
Rys. 7. Przykładowe krzywe uziarnienia 3.! Znaczenie wilgotności optymalnej Wilgotnością optymalną ( w opt ) gruntu nazywamy taką wilgotność, przy której grunt daje się najbardziej zagęścić. Parametrem decydującym o jakości zagęszczenia gruntu jest w tym przypadku gęstość objętościowa szkieletu gruntowego ρ d. Zatem wilgotność optymalna to taka wilgotność, przy której gęstość objętościowa szkieletu gruntowego ρ d jest największa i zależy od uziarnienia gruntu. Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego posłużyć może do wyznaczenia innego bardzo ważnego parametru - wskaźnika zagęszczenia I s, charakteryzującego jakość zagęszczenia gruntu w nasypie. Wskaźnik zagęszczenia I s to stosunek gęstości objętościowej szkieletu gruntowego w nasypie ρ d do maksymalnej wartości gęstości objętościowej szkieletu gruntowego ρ ds, uzyskanej w warunkach laboratoryjnych. Porównujemy tutaj zagęszczenie gruntu w nasypie do maksymalnego zagęszczenia tego samego gruntu, uzyskanego w warunkach laboratoryjnych. Wartość I s zbliżona do jedności świadczy o dobrej jakości zagęszczenia nasypu. Wilgotność optymalną w opt i maksymalną gęstość objętościową szkieletu gruntowego ρ ds. oznacza się w aparacie Proctora, polegających na ubijaniu kilku warstw gruntu w cylindrze określoną energią. Ważne jest, aby warunki zagęszczenia w aparacie Proctora odpowiadały warunkom zagęszczania nasypu w skali naturalnej. W tym celu należy wybrać najbardziej odpowiednią metodę zagęszczania gruntu w laboratorium. Wg normy PN-88/B-04481 przewiduje się cztery metody określania wilgotności optymalnej w opt i maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego ρ ds. Warianty oznaczania tych parametrów przedstawia tabela 19.
Tabela 19. Metody określania wilgotności optymalnej wg PN-88/B-04481 Rys.8. Schemat aparatu Proctora Badanie kończy się wykonaniem wykresu z krzywą zagęszczenia gruntu. Rys. 9. Krzywa zagęszczalności gruntu
4.! O niektórych metodach oceny zagęszczenia podłoża budowlanego Zastosowanie coraz nowszych materiałów i rozwiązań konstrukcyjnych wymaga dostosowania metod badawczych, zwłaszcza in situ, zapewniających nie tylko szybkość, ale i jakość pomiarów, także w geotechnice. W budownictwie liniowym, gdzie oddziaływanie konstrukcji ma stosunkowo mały zasięg ( 2 3 m ppt.), główną cechą badaną bezpośrednio w terenie jest zagęszczenie gruntu. W tym celu określa się wskaźnik zagęszczenia I s oraz wtórny moduł odkształcenia E 2. Zagęszczenie gruntu można też oceniać na podstawie wskaźnika odkształcenia I 0. Najczęściej są stosowane dwie metody pomiarów: statyczna próbnych obciążeń oraz dynamiczna. 4.1.! Badania statyczne płyta VSS Nasyp, stanowiący stabilne podłoże nawierzchni, powinien posiadać odpowiednią nośność i zagęszczenie. Wymagania w tym zakresie reguluje norma PN-S-02205:1998. Według wyżej wymienionej normy miarodajne dla oceny jakości nasypu są dwa parametry: w zakresie zagęszczenia - wskaźnik zagęszczania (I s ), a w zakresie nośności - wtórny moduł odkształcenia (E 2 ) uzyskany z badania płytą VSS. Wartość wskaźnika zagęszczenia (I s ) na powierzchni robót ziemnych nasypów autostradowych powinna wynosić I s = 1,03, zaś wtórnego modułu odkształcenia (E 2 ) co najmniej 120 MPa. Ocena zagęszczenia nasypów jest podstawowym badaniem w czasie realizacji inwestycji drogowych. Tradycyjnie dokonuje się jej na podstawie oceny wskaźnika zagęszczenia I s otrzymywanego z badania Proctora. Ze względu na specyfikę wykonywania badanie to nie nadaje się jednak do określenia zagęszczenia gruntów, zawierających w swoim składzie znaczną ilość frakcji żwirowej. W takim przypadku norma sugeruje stosowanie wartości wskaźnika odkształcenia (I 0 ) jako zastępczego kryterium oceny wymaganego zagęszczania nasypów. Wskaźnik odkształcenia (I 0 ) jest uzyskiwany z badania płytą VSS i wyraża się stosunkiem modułu odkształcenia wtórnego (E 2 ) do pierwotnego (E 1 ). Norma podaje, że dla piasków, pospółek i żwirów wskaźnik odkształcenia I 0 powinien wynosi co najwyżej 2,2. Oceny zagęszczenia i nośności nasypów z gruboziarnistych kruszyw naturalnych dokonuje się na podstawie parametrów uzyskiwanych z badania płytą VSS. Zgodnie z normą przy jednoczesnym spełnieniu obu warunków tzn. E 2 120 MPa i I 0 2,2, nasyp uważa się za odpowiednio zagęszczony oraz posiadający wystarczającą nośność. Bardzo często zdarza się, że w wyniku przeoczenia lub braku odpowiedniej staranności, w wyniku prac terenowych powstaje dokumentacja nieodzwierciedlająca rzeczywistych warunków gruntowych. Wówczas również z pomocą przychodzi nam, ale już w trakcie wykonawstwa, metoda VSS. Tak też stało się w miejscach natrafienia w trakcie robót liniowych na zalegające w podłożu składowiska odpadów komunalnych. Pozostawienie tego typu kwiatków przyszłym wykonawcom robót niesie straty również dla Inwestorów nieświadomych tego typu niespodzianek.
Z reguły wiąże się to z podjęciem szybkich kroków proceduralnych wobec projektanta i koniecznością opracowania projektu zamiennego umożliwiającego kontynuację przerwanych robót na określonym odcinku. Grunty antropogeniczne, odpady bytowe, wysypy gruzu oraz zaleganie gruntów organicznych przykrytych warstwami gruntów nawierzchniowych będą stanowiły coraz częstszy obraz na budowach. Uzyskiwane wyniki z pomiarów nośności podłoża gruntowego po wykorytowaniu na słabonośnych odcinkach wymuszają zastosowanie różnych technik wzmocnienia nasypów lub uzdatnienia podłoży. Przykłady w tym zakresie można mnożyć w nieskończoność. Przykład I: odcinek 400 m obwodnicy drogowej z niespodzianką na trasie nowoprojektowanej drogi w postaci starego składowiska odpadów Tab.20. Pomiary modułów na trasie zalegania odpadów
Rys. 10. Obszar zalegania starego składowiska odpadów Przykład II: odcinek ok. 1000 m obwodnicy miejskiej z niezinwentaryzowanym składowiskiem odpadów komunalnych z lat 70-tych ub. wieku. Tab. 21. Pomiary modułów płytą VSS i płytą obciążaną dynamicznie Nr pktu Pomierzone moduły E [MPa] Wskaźnik odkształcenia I 0 =E 2 /E 1 E vd E 1 E 2 wyznaczony wymagany MPa 1 A 2 3 B 4 5 C 6 7 D 8 6,07 5,82 14,37 5,69 3,07 16,38 25,28 37,13 28,55 5,79 5,38 5,88 13,06 9,05 25,77 14,28 5,63 32,37 51,34 72,58 64,29 12,98 10,15 11,24 2,15 1,55 1,79 2,50 1,83 1,98 2,03 1,95 2,25 2,24 1,89 1,91 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 4,1 6,7 14,5 6,9 5,3 20,6 22,5 44,3 24,9 5,4 6,1 6,4
Rys. 11. Trasa drogowa na obszarze składowiska z punktami badawczymi i strefami nośności podłożą 4.1.1. Metodyka badań Rys.12. Aparat VSS Badanie płytą!vss polega na pomiarze odkształceń!pionowych (osiadań) badanej warstwy pod wpływem nacisku statycznego. Obciążenia są realizowane skokowo podobnie jak w przypadku badania edometrycznego. Przyrost obciążeń następuje co 50 kpa aż do osiągnięcia wartości 350 kpa, po czym następuje
odciążanie i ponowne zadawanie obciążeń. Moduły odkształceń dla nasypów wyznacza się dla zakresu 150 250 kpa. Odkształcenia powstałe w wyniku zadawanych obciążeń są odkształceniami trwałymi, związanymi z przemieszczeniami cząstek gruntu względem siebie na skutek poślizgu bądź toczenia oraz kruszeniem i pękaniem ziarn w miejscach styków, oraz sprężystymi polegającymi na odkształceniach poszczególnych cząstek. Jak wynika z doświadczeń, poślizg międzycząsteczkowy, powodujący przegrupowanie ziarn w masie gruntowej, wpływa w największej mierze na całkowite odkształcenia. Sprężysta praca materiału staje się istotna, gdy na skutek przemieszczeń ziarn (zagęszczania) masa gruntowa nabiera sztywności. Nieulepszone grunty spoiste, nawet w stanie zwartym, wykazują wtórny moduł odkształcenia, zazwyczaj poniżej 50 MPa (np. ił mioceński - E2~38 MPa, glina zwałowa - E2~27 MPa, mada pylasta - E2~14 MPa), przy wskaźniku odkształcenia poniżej 2,0. Piaski średnie w stanie zagęszczonym (ID~0,7) wykazują wartości wtórnego modułu odkształcenia z przedziału 78,9 112,5 MPa, przy wskaźniku odkształcenia często poniżej 2,2. Piaski pomimo nawet dobrego zagęszczenia nie posiadają odpowiednio wysokiej nośności. Pospółki i żwiry, ze względu na znaczną zawartość frakcji żwirowej, osiągają nośność znacznie wyższą od piasków. Przeprowadzone na przestrzeni ostatnich 10 lat badania płytą VSS wskazują, że pospółki i żwiry mogą osiągać moduł odkształcenia wtórnego E 2 nawet ponad 200 MPa. Dla tego typu materiałów szczególnie istotnymi cechami są: kształt ziarn oraz uziarnienie. Wykazano, że dla danego stopnia zagęszczenia moduł odkształcenia materiału o ziarnach kanciastych będzie mniejszy niż takiego o ziarnach obtoczonych. Ziarna dobrze obtoczone (szczególnie kuliste) są bowiem znacznie mniej podatne na pękanie i kruszenie ich krawędzi. Grunty o nierównomiernym uziarnieniu zagęszczają się znacznie lepiej niż grunty równomiernie uziarnione, gdyż drobniejsze cząstki wnikają pomiędzy grubsze, wypełniając wolne przestrzenie W praktyce okazuje się, że skład petrograficzny żwirów i pospółek staje się bardzo istotny przy wykonywaniu pomiarów odkształceń płytą VSS. Otoczaki skał krystalicznych oraz kwarcytów wykazują znaczną kulistość względem dyskoidalnych i wrzecionowatych otoczaków piaskowcowych. Przyjęcie w normie jednego kryterium wskaźnika odkształcenia I 0 2,2 oraz wtórnego modułu odkształcenia E 2 120 MPa wspólnie dla piasków, pospółek i żwirów sprawia w praktyce duże trudności wykonawcom robót ziemnych w zakresie możliwości jednoczesnego dotrzymania wymaganych wartości obu wymienionych parametrów.
Rys.13. Zależność!wskaźnika odkształcenia (I0) od wtórnego modułu odkształcenia (E2) dla nasypów z materiału dunajcowego. Obszar czerwony obejmuje wyniki spełniające kryteria normowe (E 2 120 MPa i I 0 2,2).Obszar zielony obejmuje wyniki dla przyjętych kryteriów (E 2 145 MPa i I 0 2,8) [27] Mechanizm odkształceń! nasypów poddanych obciążeniu jest zagadnieniem złożonym, zależnym od wielu czynników (rodzaj podłoża, miąższość! nasypu, znaczna zmienność materiału, nawet w obrębie jednego złoża). Znaczny rozrzut wyników wskaźnika odkształcenia wskazuje, że zachowanie się! nasypów pod obciążeniem, dla różnych materiałów, jest zmienne, pomimo że badania wykonywano na nośnym podłożu rodzimym. Obecnie stosowane przepisy i normy nie dopuszczają! możliwości indywidualnego doboru wielkości parametrów zagęszczenia i nośności nasypu w zależności od użytego kruszywa i jego cech jakościowych. Wydaje się, że celowe byłoby rozważenie dopuszczenia możliwości wyznaczania określonych parametrów jakości nasypów (np. I0) w odniesieniu do danego materiału. Jest to szczególnie istotne w przypadku, gdy określony materiał ze względu np. na skład petrograficzny, kulistość! ziarn lub inne specyficzne cechy odróżnia się! od większości kruszyw stosowanych w Polsce. 4.2.! Płyty obciążane dynamicznie Płyta obciążana dynamicznie jest przeznaczona do badania nośności nie związanych warstw nośnych jako alternatywa lub uzupełnienie badania przyrządem VSS (badanie statyczne). Płyta dynamiczna spełnia wymogi technicznych przepisów kontrolnych dotyczących badań gruntu i skał w budownictwie drogowym. Przyrząd ten pozwala na szybkie ustalenie dynamicznego modułu odkształcenia Evd [MN/m 2 ] wierzchniej warstwy nośnej. Ocenę nośności można przeprowadzać dla gruntów o wielkości ziaren do 63mm i dynamicznym
module odkształcenia równym Evd 125 MN/m 2. Szczególną zaletą płyty dynamicznej jest to, że w przeciwieństwie do aparatu VSS nie wymaga ona zastosowania statywu i samochodu ciężarowego jako przeciwwagi. Z tego powodu płytę można stosować w trudniej dostępnych miejscach, takich jak odwierty, rowy, nasypy. Płyta znajduje zastosowanie w drogownictwie, kolejnictwie oraz budownictwie sieci kablowych, gazowych, wodno-kanalizacyjnych. 4.2.1. Metodyka badań Przed przystąpieniem do pomiarów płytę obciążającą należy starannie liczyć na badanej powierzchni i połączyć z elektronicznym rejestratorem. Prowadnicę z ciężarkiem należy umieścić centralnie na kuli centrującej płyty. Przed opuszczeniem ciężarka należy podnieść go na wyznaczoną wysokość i zablokować mechanizmem spustowym znajdującym się w górnej części prowadnicy. Przed właściwym pomiarem należy wykonać trzy uderzenia wstępne zapewniające właściwy kontakt płyty z podłożem. Seria pomiarowa składa się z trzech kolejnych uderzeń. W czasie pomiaru na ekranie wskazywane są poszczególne amplitudy osiadania w mm. Następnie zostaje obliczona i wyświetlona wartość średnia z trzech kolejnych pomiarów oraz moduł odkształcenia dynamicznego. Rys. 14. Widok płyty obciążanej dynamicznie [50]
4.3.! Sondowanie statyczne CPTU Identyfikacja rodzaju gruntu pod względem uziarnienia zazwyczaj prowadzi do wyboru miarodajnej cechy wskaźnikowej służącej charakterystyce gruntów z uwagi na ich stan. W przypadku gruntów niespoistych identyfikatorem stanu jest najczęściej stopień zagęszczenia, podczas gdy dla gruntów spoistych powszechnie stosuje się! stopień! plastyczności. Sytuacja niejednoznacznej oceny właściwej cechy wskaźnikowej pojawia się!w tak zwanych gruntach przejściowych gruntach o uziarnieniu z pogranicza spoistych i niespoistych. Do grupy tej doskonale wpisują się! grunty potocznie określane w opisie makroskopowym jako zaglinione piaski, czy silnie spiaszczone pyły. Charakterystyczną!cechą!tych gruntów jest to, że z jednej strony wykazują!cechy spoistości, z drugiej zaś! są!na tyle mało spoiste, że często nie kwalifikują!się do próby wałeczkowania. Bardzo niska wartość wskaźnika plastyczności sprawia, że niewielka nawet zmiana wilgotności gruntu jest przyczyną!dużych niepewności oszacowania stopnia plastyczności w standardowej procedurze oceny tego parametru. W tej sytuacji quasi-ciągłe badanie in situ, w którym rejestruje się! zmiany oporów stożka może być z powodzeniem wykorzystane do określenia stanu konsystencji gruntów spoistych. Warunkiem miarodajnej oceny stopnia plastyczności na podstawie oporu stożka, szczególnie w przypadku gruntów mało spoistych, jest uwzględnienie kilku czynników związanych z uziarnieniem i pochodzeniem gruntu, stanem naprężenia oraz warunkami drenażu. Do oceny tych czynników wykorzystać!można pozostałe parametry penetracji badania CPTU. Dokumentacja standardowych badań! geotechnicznych, bazujących na wynikach analizy makroskopowej i badań laboratoryjnych próbek gruntów pobranych z otworów badawczych, obejmuje w zakresie ustalenia stanu gruntów spoistych, jakościową! lub ilościową! ocenę! stopnia plastyczności. Formalnie, w celu ustalenia wartości tego parametru, wystarczy odnieść!wilgotność!naturalną!gruntu do granic konsystencji, zgodnie z równaniem:! & # % 7'% 8 % & '$% 8 # % 7'% 8! 8 gdzie: - w n jest wilgotnością!naturalną!gruntu, - w L i w p są!granicami konsystencji odpowiednio granicą płynności i granicą!!!!!plastyczności, a I p jest wskaźnikiem plastyczności. W przypadku gruntów, charakteryzujących się bardzo niską wartością wskaźnika plastyczności, kłopotliwa może okazać się procedura oznaczenia granicy plastyczności na podstawie próby wałeczkowania. Zdarza się bowiem, że w celu niedopuszczenia do zniszczenia wałeczka przed osiągnięciem wymaganej normą średnicy, próbę wałeczkowania kończy się przedwcześnie, co prowadzi do oznaczenia granicy plastyczności o wartości większej niż rzeczywista. Skutkiem takiego postępowania jest zazwyczaj niedoszacowanie wartości wskaźnika i stopnia plastyczności. Wysokie niepewności pomiarowe związane z wyznaczeniem granicy plastyczności mogą być wyeliminowane wówczas, gdy standardowe oznaczenia granic Atterberga zastąpi się badaniem stożkiem opadowym. Wynikiem takiego badania jest określenie wskaźnika
konsystencji parametru, który zastępuje granice konsystencji w ocenie stopnia plastyczności. Najbardziej ogólną! z omawianych, metodą! umożliwiającą! określenie stanu konsystencji gruntów!spoistych jest metoda bazująca na próbie wałeczkowania,!stosowana powszechnie w ramach analizy!makroskopowej. Podstawą, jakościowej oceny stanu konsystencji gruntu jest określenie liczby cykli kulka wałeczek w próbie wałeczkowania, do momentu gdy po osiągnięciu przez wałeczek średnicy 3 mm ulega on zniszczeniu.! O szczególnie niskiej skuteczności tej metody świadczyć!może fakt, że w przypadku gruntów mało spoistych! pomyłka w wynikach próby o jeden tylko cykl! wałeczkowania zmienia jakościowo kwalifikację, przesuwając wynik oceny do innego stanu. W standardowym badaniu sondowania statycznego (CPTU) rejestrowane są w sposób quasi-ciągły, z przyrostem głębokości sondowania trzy charakterystyki penetracji: opór stożka q c, tarcie na tulei ciernej f s i nadwyżka ciśnienia wody w porach u c. Rejestrowane parametry testu wymagają stosowania współczynników korelacyjnych dla danego terenu i gruntów. Rys.15. Przykładowe wykresy rejestrowane w badaniu sondowania statycznego CPTU Istotność! normalizacji tego parametru sondowania ma tym większe znaczenie im niższe są! mierzone wartości oporów stożka oraz im wyższe są! nadwyżki ciśnienia wody w porach. Zazwyczaj normalizacja oporu stożka ze względu na wpływ nadwyżki ciśnienia wody w porach może być!pominięta w gruntach niespoistych.