Górnictwo i Geoin ynieria Rok 35 Zeszyt 2 2011 Marek Ca a*, Sebastian Olesiak* METODA WYZNACZANIA WYBRANYCH W A CIWO CI WYTRZYMA O CIOWYCH I ÓW GÓRNOMIOCE SKICH REJONU KRAKOWA NA PODSTAWIE BADA SOND WKR CAN WST** 1. Wprowadzenie Sonda wkr cana WST zosta a wynaleziona w departamencie geotechnicznym szwedzkich kolei w 1915 roku, a od 1917 roku zosta a uznana za jedno ze standardowych narz dzi badawczych w geotechnice. Na pocz tku wykorzystywana by a przewa nie tylko w badaniach gruntów s abych do oceny zagro enia osuwiskami [6, 24]. Obecnie wykorzystywana jest w badaniach wszystkich rodzajów gruntów, generalnie do oceny grubo ci nast puj cych po sobie warstw, ich zasi gu oraz do szacunkowej oceny wybranych w a ciwo ci gruntów dla celów projektowych [20, 22]. Najwi ksz popularno ci cieszy si w krajach skandynawskich oraz w Azji, gdzie wykorzystywana jest mi dzy innymi w badaniach geotechnicznych zwi zanych ze skutkami trz sie ziemi i towarzysz cemu im up ynnieniu gruntu [5, 11, 27, 28]. Pomimo wykorzystywania sondy od blisko 100 lat, do dzisiaj nie doczeka a si normatywnych danych interpretacyjnych z wyj tkiem w skiej grupy gruntów niespoistych [20, 22]. W zwi zku z du popularno ci sondy SPT i powszechnie stosowanymi normatywnymi informacjami dotycz cymi interpretacji uzyskiwanych wyników [20, 22], od lat 50-tych prowadzono w Japonii prace badawcze nad korelacj wyników z sondowania WST i SPT [9]. Prace te do dzisiaj s popularyzowane i unowocze niane [8, 25, 28, 29]. W Polsce w latach 70-tych podj to nieliczne próby badawcze dotycz ce kalibracji sondy WST [1 3], które niestety nie przynios y po danego efektu i nie znalaz y kontynuatorów. W pierwszej cz ci prac badawczych nad wykorzystaniem sondy wkr canej WST w badaniach gruntów spoistych skupiono si na przyporz dkowaniu laboratoryjnie wyznaczone- * Katedra Geomechniki, Budownictwa i Geotechniki, Wydzia Górnictwa i Geoin ynierii, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków ** Praca zosta a wykonana w ramach bada w asnych 10.10.100.491 139
go stopnia plastyczno ci i ów górnomioce skich do charakterystycznych parametrów uzyskiwanych w trakcie sondowania sond WST, takich jak obci enie lub liczba pó obrotów [13 15]. Na tej podstawie zaprojektowano nomogram do wyznaczania stopnia plastyczno ci i ów. Szacowanie wybranych w a ciwo ci i ów, np. w a ciwo ci wytrzyma o ciowych, mo e si odbywa w sposób po redni z wykorzystaniem Polskiej Normy PN-B03020:1981 zgodnie z metod B. W niniejszym artykule zaprezentowane zostan badania, na podstawie których opracowany zosta nomogram do bezpo redniego wyznaczania wybranych w a ciwo ci wytrzyma o ciowych i ów górnomioce skich rejonu Krakowa, takich jak k t tarcia wewn trznego i spójno. 2. Materia badawczy, próbnik NNS i aparat trójosiowego ciskania Badania wytrzyma o ciowe przeprowadzono na i ach górnomioce skich zapadliska przedkarpackiego z rejonu Krakowa. Praca dotyczy trzech lokalizacji tj. Zes awic, Mydlnik i Ruczaju [13 15]. Dla Mydlnik i Ruczaju próbki by y pobierane co 1 m, do g boko ci 5 m, z sze ciu otworów badawczych. Badania polowe i pobór materia u badawczego odbywa si na odpowiednio przygotowanych poletkach badawczych z powierzchni terenu. W kopalni i ów Zes awice próbki do bada pobierano tylko z g boko ci 3 i 5 m. Pobór materia u odbywa si w s siedztwie prac polowych, ze skarpy w s siedztwie której prowadzono eksploatacj. Du ym problemem w badaniach wytrzyma o ciowych gruntów jest pobieranie próbek badawczych wiernie reprezentuj cych materia naturalny. Dla tego celu zaprojektowano i wykonano próbniki pozwalaj ce na pobieranie próbek o nienaruszonej strukturze (typ A, NNS). Pobieranie próbek odbywa si statycznie, za pomoc obci enia przy o onego w otworach badawczych z wykorzystaniem osprz tu sondy wkr canej WST (rys. 1). Konstrukcja próbnika, wyposa onego w nó o rednicy 38 mm i komory o rednicy 40 mm pozwala na pobieranie w trakcie prac polowych dowolnych ilo ci materia u badawczego o odpowiedniej rednicy. Zwi kszenie rednicy zewn trznej próbnika pozawala na atwiejsze wyci ganie go z otworu. Po pobraniu materia u by on odpowiednio zabezpieczany przed utrat wilgotno ci Rys. 1. Próbnik do pobierania próbek NNS 140
i dodatkowo przechowywany w hermetycznych tubach. Do momentu badania w aparacie trójosiowego ciskania tuby z materia em badawczym by y przechowywane w lodówce. Materia badawczy w laboratorium by przygotowywany do bada wytrzyma o ciowych, gdzie wykonywano próbki o rednicy 38 mm i smuk o ci 2. Wszystkie badania wytrzyma o ciowe wykonywane by y w aparacie trójosiowego ciskania firmy GDS Instruments Ltd. To nowoczesny, elektronicznie sterowany aparat w sk ad którego wchodz nast puj ce elementy: komora trójosiowa typu Bishop & Wesley o maksymalnym ci nieniu roboczym 17 000 kpa oraz trzy si owniki do zadawania i kontrolowania: ci nienia w komorze trójosiowej, ci nienia w komorze obci eniowej wymuszaj cej przemieszczenie próbki i ci nienia wody w porach gruntu. Dodatkowo aparat wyposa ony jest w trzy czujniki: do bezpo redniego pomiaru przemieszczenia osiowego próbki, do pomiaru si y osiowej i do pomiaru ci nienia wody w porach gruntu. Wszystkimi procesami steruje si za pomoc komputera PC z aplikacj GDSLAB poprzez elektroniczny uk ad nadawczoodbiorczy. Aparat trójosiowego ciskania GDS umo liwia badanie próbek cylindrycznych o rednicach 38 i 50 mm i maksymalnej wysoko ci 100 mm, przy maksymalnej sile osiowej 4 kn (rys. 2) [26]. Rys. 2. Widok na aparat trójosiowego ciskania GDS 3. Badania wytrzyma o ciowe Badania wytrzyma o ciowe prowadzone by y metod UU (unconsolidated undrained), czyli bez wst pnej konsolidacji i bez odp ywu wody w czasie cinania. Zawarto wody w próbce utrzymywana by a na sta ym poziomie. W trakcie badania dokonywano pomiaru ci nienia wody w porach gruntu u. Badania wykonywano dla trzech ci nie okólnych 3 = 50, 100 i 200 kpa, a dla i ów z Zes awic dodatkowo dla 3 = 300 i 400 kpa. Pr dko osiowych przemieszcze próbek (pr dko cinania v s ) wynosi a 0,01 mm/min. Dodatkowo przed i po badaniu okre lano wilgotno i ów. Z bada trójosiowych wyznaczono, dla napr e ca kowitych 1 i 3, k t tarcia wewn trznego u i spójno c u badanych gruntów. Dla okre lenia 141
k ta tarcia wewn trznego i spójno ci przebadano rednio 8 10 próbek dla ró nych ci nie bocznych 3, z jednej lokalizacji i dla jednej g boko ci. Przebadano zatem w sumie oko o 100 próbek. Dotychczasowa praktyka geotechniczna wskazuje, e w warunkach niskich ci nie (do 1 MPa [10]) wyniki bada w aparacie trójosiowego ciskania wystarczaj co poprawnie interpretuje si wed ug stanu granicznego Coulomba. Dla okre lenia momentu ci cia przyj to kryterium cie ki napr enia (trajektorii napr enia) a parametry równania linii wytrzyma o ci na cinanie w uk adzie q = f(p) zosta y wyznaczone ze sta ych równania prostej [4, 10, 12, 16, 18]. Przy doborze wyników przyj to kryterium wzoruj c si na Polskiej Normie PN-B-04481:1988, modyfikuj c je do przyj tej metodyki badania. Wynikiem badania okre- lonej grupy i ów by o co najmniej sze par warto ci p i q. Dla Zes awic dobierano wyniki uzyskane z bada odpowiadaj ce ci nieniu w komorze 50, 100, 200, 300 i 400 kpa (dla i ów z g boko ci 3 m i 3 = 50 kpa, oraz dla i ów z g boko ci 5 m i 3 = 300 kpa nie uzyskano zadowalaj cych wyników). Dla wyników z Mydlnik i Ruczaju dobierano zawsze po dwie pary reprezentuj ce ci nienie w komorze odpowiednio 50, 100 i 200 kpa. Wyznaczony wspó czynnik dopasowania R 2 dla liniowej zale no ci q = f(p) musia by wi kszy od 0,75. Próbki nie spe niaj ce przyj tego powy ej kryterium by y odrzucane, a badania wytrzyma o ciowe prowadzono do momentu uzyskania sze ciu wyników spe niaj cych przyj te kryterium. Wyniki z bada wytrzyma o ciowych i ów górnomioce skich zebrano w tabeli 1 oraz na rysunkach od 3 do 5, odpowiednio dla Zes awic, Mydlnik i Ruczaju. TABELA 1 Wyniki bada wytrzyma o ciowych i ów górnomioce skich Lokalizacja Zes awice Mydlniki Ruczaj G boko [m] p.p.t. rednia wilgotno w [%] Parametry równania prostej q = c T + tg T p c T [kpa] tg T T [ ] Wspó czynnik dopasowania R 2 Dla napr e ca kowitych Spójno c u [kpa] K t tarcia wewn trznego u [ ] 3 27,06 93,805 0,1329 7,57 0,8315 94,64 7,59 5 25,41 119,000 0,1489 8,47 0,8604 120,34 8,50 1 37,38 29,255 0,0479 2,74 0,7924 29,28 2,74 2 34,61 40,271 0,0439 2,51 0,8305 40,31 2,51 3 31,98 52,503 0,0804 4,60 0,7589 52,67 4,60 4 31,12 66,600 0,1559 8,86 0,8431 67,42 8,90 5 27,87 92,973 0,2434 13,68 0,9521 95,86 13,81 1 35,94 26,936 0,0469 2,69 0,8198 26,97 2,69 2 33,38 35,765 0,0474 2,71 0,7668 35,81 2,71 3 32,55 39,149 0,0762 4,36 0,9569 39,26 4,36 4 31,37 44,974 0,0799 4,57 0,7526 45,12 4,57 5 30,35 51,199 0,1475 8,39 0,8742 51,76 8,42 142
Rys. 3. Wyniki bada wytrzyma o ci na cinanie i ów górnomioce skich z Zes awic Rys. 4. Wyniki bada wytrzyma o ci na cinanie i ów górnomioce skich z Mydlnik Rys. 5. Wyniki bada wytrzyma o ci na cinanie i ów górnomioce skich z Ruczaju Próbki z g boko ci 1 i 2 m deformowa y si plastycznie ( beczki ) lub zniszczenie przebiega o po powierzchniach po lizgu ale ze znaczn deformacj plastyczn próbki i bez wyra nego spadku napr enia dewiatorowego wraz ze wzrostem odkszta cenia. Znaczna deformacja plastyczna próbek nie pozwala a na jednoznaczne okre lenie k ta ci cia próbek (oko o 26 do 60 stopni) jak i opisu makroskopowego powierzchni ci cia. Wraz ze spadkiem 143
wilgotno ci gruntu, który ma miejsce od 3 m g boko ci, generalnie próbki niszcz si po wyra nych powierzchniach po lizgu. Powierzchnie by y nierówne, liskie i b yszcz ce z wyra nymi rysami po lizgowymi. W zale no ci od ci nienia bocznego 3, k t ci cia próbek by bardzo ró ny i waha si w zakresie od 38 do 70 stopni. 4. Propozycja nomogramu do wyznaczania wybranych w a ciwo ci wytrzyma o ciowych i ów górnomioce skich rejonu Krakowa Kalibracja sondy wkr canej WST do wyznaczania wybranych w a ciwo ci wytrzyma- o ciowych i ów górnomioce skich polega na porównaniu i przyporz dkowaniu wyznaczonych laboratoryjnie warto ci k ta tarcia wewn trznego u i spójno ci c u, do podstawowych parametrów uzyskiwanych w trakcie sondowania sond wkr can WST czyli obci enia lub liczby pó obrotów N WST (tabela 2 i rys. 6 i 7). Podobnie, jak mia o to miejsce w pracach [13 15], dla zag biania si sondy przy obci eniach mniejszych ni 1 kn przyj to dla N WST nast puj ce wagi liczbowe: 1 dla 0,75 kn, 2 dla 0,5 kn i 3 dla 0,25 kn obci enia. TABELA 2 Zestawienie wyników sondowa sond wkr can WST i wybranych w a ciwo ci wytrzyma o ciowych i ów górnomioce skich Lokalizacja Zes awice Mydlniki Ruczaj G boko [m] p.p.t. Obci enie lub liczba pó obrotów NWST Dla napr e ca kowitych Spójno c u [kpa] K t tarcia wewn trznego u [ ] Opór cinania f [kpa] 3 3 94,64 7,59 102,29 5 6 120,34 8,50 134,75 1 0 29,28 2,74 30,15 2 2 40,31 2,51 41,92 3 4 52,67 4,60 57,13 4 6 67,42 8,90 79,03 5 11 95,86 13,81 118,75 1 0 26,97 2,69 27,82 2 1 35,81 2,71 37,54 3 3 39,26 4,36 43,47 4 5 45,12 4,57 51,04 5 9 51,76 8,42 65,52 Cz wyników z bada polowych i laboratoryjnych i ów z Zes awic odbiega zasadniczo od wyników uzyskanych dla Mydlnik i Ruczaju. Badania polowe i laboratoryjne w Zes awicach prowadzone by y bezpo rednio w z o u, na materiale pochodz cym z g boko ci oko o 20 30 m p.p.t., co znacz co ró ni je od warunków w jakich wykonywano badania w Mydlni- 144
Rys. 6. Zestawienie wyników sondowa sond wkr can WST i warto ci k ta tarcia wewn trznego badanych i ów Rys. 7. Zestawienie wyników sondowa sond wkr can WST i warto ci spójno ci badanych i ów kach i Ruczaju [13 15]. Badany materia by w stanie pó zwartym i zwartym dlatego warto ci liczby pó obrotów wydaj si zbyt niskie. Mo e to wynika z dwóch powodów. Badania polowe powadzone by y w s siedztwie aktualnej eksploatacji, co mog o mie wp yw na rozlu nienie struktury i ów. Dodatkowo w trakcie bada zaobserwowano, e i y w z o u cechuj si budow blokow. By y bardzo sp kane nie tylko w kierunku u awicenia, natomiast próbki do laboratoryjnych bada wytrzyma o ciowych pobierane by y zawsze z materia u nie sp kanego. Po odrzuceniu trzech skrajnych wyników z Zes awic znacznie odbiegaj cych od warto ci redniej (rys. 8 i 9), opracowano nomogram do wyznaczania wybranych w a ciwo ci wytrzyma o ciowych i ów górnomioce skich rejonu Krakowa (rys. 10). Rys. 8. Skorygowane zestawienie wyników sondowa sond wkr can WST i warto ci k ta tarcia wewn trznego badanych i ów Rys. 9. Skorygowane zestawienie wyników sondowa sond wkr can WST i warto ci spójno ci badanych i ów 145
Rys. 10. Nomogram do wyznaczania wybranych w a ciwo ci wytrzyma o ciowych i ów górnomioce skich rejonu Krakowa Równanie prostej opisuj cej zale no spójno ci cu i charakterystycznych parametrów z sondowania WST jak obci enie lub liczba pó obrotów NWST przyjmuje posta (1): cu = 5$ NWST + 25 6 kpa@ (1) Krzywa charakteryzuj ca zale no k ta tarcia wewn trznego u i obci enia lub liczby pó obrotów N WST sk ada si z trzech odcinków A, B i C. Przyj to, e dla i ów w których pogr enie si sondy odbywa si tylko na skutek przy o onego obci enia do 0,75 kn, warto k ta tarcia wewn trznego jest sta a i równa 0 (2). Dla zakresu pomi dzy 1 kn obci enia a 11 pó obrotów odcinek opisuje zale no (3), a powy ej 11 pó obrotów zale no (4). Zgodnie z [13, 14] zag bianie sondy o 10 cm pod wp ywem 0,75 kn obci enia, odpowiada i om znajduj cym si na granicy stanu plastycznego i mi kkoplastycznego. Natomiast 11 pó obrotów wypada w po owie przyj tego w pracach [13, 14] zakresu dla i ów w stanie pó zwartym. A U u = 0c U B u = ^NWST + 1hc (2) (3) U C u = ^025, $ NWST + 925, h c (4) I y górnomioce skie zapadliska przedkarpackiego charakteryzuj si du ym zakresem zmienno ci wybranych w a ciwo ci wytrzyma o ciowych. Na podstawie bada laboratoryjnych w aparacie trójosiowego ciskania, wyznaczona dla tych i ów maksymalna warto spójno ci dla napr e ca kowitych przekracza 300 kpa a warto k ta tarcia wewn trznego osi ga 24 [10, 17, 23]. Na tej podstawie zdecydowano o zmianie nachylenia krzywej do wyznaczania k ta tarcia wewn trznego w jej górnej cz ci. Przy 50 pó obrotach warto k ta 146
tarcia wewn trznego, wyznaczona na podstawie nomogramu, wynosi 21,75. Pi dziesi t pó obrotów na 10 cm wp du sondy przyjmowane jest jako warto graniczna przy sondowniu WST, za po jej przekroczeniu nale y przerwa badanie [2, 7, 16, 17]. 5. Podsumowanie Badania sond wkr can WST nale do najta szych i najszybszych metod bada in-situ pod o a gruntowego. Dlatego tak wa ne jest wyposa enie przysz ych u ytkowników sondy w uniwersalne narz dzia umo liwiaj ce interpretacj uzyskiwanych wyników. Na podstawie przeprowadzonych bada terenowych i laboratoryjnych, dla przypowierzchniowej warstwy i ów górnomioce skich zapadliska przedkarpackiego rejonu Krakowa, opracowano nomogram do wyznaczania wybranych w a ciwo ci wytrzyma o ciowych w oparciu o badania sond wkr can WST. LITERATURA [1] Borowczyk M., Frankowski Z.: Badania gruntów statyczna sond wkr can. Przegl d Geologiczny, nr 6, 1978, s. 374 380 [2] Dudzikowski R., Fabianowski J.: Badania gruntów aluwialnych statyczn sond (szwedzk ) wkr can r cznie. Technika Poszukiwa Geologicznych, nr 1, 1974, s. 30 35 [3] Dudzikowski R.: Badania gruntów zmechanizowan statyczn sond wkr can (szwedzk ). Technika Poszukiwa Geologicznych, nr 3, 1975, s. 26 30 [4] Glazer Z.: Mechanika gruntów. Wydawnictwa Geologiczne, 1977 [5] Habibi M., Cheshomi A., Fakher A.: A Case Study of Liquefaction Assessment Using Swedish Weight Sounding. 4 th International Conference on Earthquake Engineering. Taipei, Taiwan October 12 13, 2006. Paper No. 038, 2006 [6] Hartlen J., Wolski W.: Embankments on organic soils. Amsterdam, Elsevier, 1996 [7] Ignut R., K bek A., Puchalski R.: Terenowe badania geologiczno-in ynierskie. WG Warszawa, 1973 [8] Ikegame A., Suemasa N., Tanaka T., Yamato S., Katada T.: A New Operation System for Swedish Weight Sounding Test Deducting a Rods Friction. The Proceedings of the Twentieth (2010) International Offshore And Polar Engineering Conference. Beijing, China, June 20 25, 2010. Cupertino, International Society of Offshore and Polar Engineers 2010, pp. 570 575 [9] Inada M.: Interpretation of Swedish Weight Sounding Test. Monthly Magazine of Japanese Geotechnical Society, vol. 8(1), 1960, pp. 13 18 [10] Kaczy ski R.: Wytrzyma o i odkszta calno górnomioce skich i ów zapadliska przedkarpackiego. Biuletyn Geologiczny, t. 29, 1981, s. 105 193 [11] Kim C., Tei K., Fujii M.: Measuring the Groundwater Level Using a Hole of the Swedish Weight Sounding Test. The Proceedings of the Twentieth (2010) International Offshore and Polar Engineering Conference. Beijing, China, June 20 25, 2010. Cupertino, International Society of Offshore and Polar Engineers 2010, pp. 789 792 [12] Lambe T.W., Whitman R.V.: Mechanika gruntów. Arkady, 1977 [13] Olesiak S.: Kalibracja sondy wkr canej WST do bada górnomioce kich i ów zapadliska przedkarpackiego w rejonie Krakowa. Górnictwo i Geoin ynieria, 2011 (publikacja w tym samym numerze czasopisma) [14] Olesiak S.: Sonda wkr cana WST w badaniach mioce skich i ów krakowieckich. Górnictwo i Geoin ynieria, zeszyt 2, 2010, s. 501 507 147
[15] Olesiak S.: Wykorzystanie sondy wkr canej WST w badaniach mioce skich i ów krakowieckich. Górnictwo i Geoin ynieria, zeszyt 1, 2009, s. 467 473 [16] Pisarczyk S., Rymsza B.: Badania laboratoryjne i polowe gruntów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 1993 [17] Pisarczyk S.: Gruntoznawstwo in ynierskie. PWN Warszawa, 2001 [18] Pisarczyk S.: Mechanika gruntów. Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej, 1992 [19] Polska Norma PN-B-03020:1981 Grunty budowlane. Posadowienie bezpo rednie budowli. Obliczenia statyczne i projektowanie [20] Polska Norma PN-B-04452:2002 Geotechnika. Badania polowe [21] Polska Norma PN-B-04481:1988 Grunty budowlane. Badania próbek gruntu [22] Polska Norma PN-EN-1997-2 Eurokod 7. Projektowanie geotechniczne. Cz 2: Rozpoznanie i badanie pod o a gruntowego [23] Rybicki S., Lenduszko P.: Warunki in yniersko-geologiczne w utworach mioce skich pod o- a Krakowa. Konferencja Naukowo-Techniczna. Budowa geologiczna, warunki hydrogeologiczne i geotechniczne pod o a Krakowa. Wydawnictwo AGH Kraków, 1991, s. 59 67 [24] Smoltczyk U.: Geotechnical engineering handbook. Vol. 1, Fundamentals. Berlin, Ernst & Sohn Verlag 2002 [25] Suemasa N., Shinkai K., Suzawa T., Tamura M.: A Plasticity Model for Swedish Weight Sounding Test. Proceedings of the Fifth Workshop on Safety and Stability of Infrastructures against Environmental Impacts. December 5-6, 2005, De La Salle University, Manila, Philippines, 2005, pp. 132 139 [26] The GDS Laboratory Users Handbook. GDSLAB v2. GDS Instruments Ltd, 2003 [27] Towhata I., Ghalandarzadeh A., Shahnazari H., Mohajeri M., Shafi ee A.: Seismic Behavior of Local Soil and Foundations in Bam City During the 2003 Bam Earthquake in Iran. Tokyo, Bull. Earthq. Res. Inst. Vol. 13, 2004, pp. 69 80 [28] Towhata I.: Geotechnical earthquake engineering. Springer Berlin, 2008 [29] Tsukamoto Y., Ishihara K.; Sawada S.: Correlation Between Penetration Resistance of Swedish Weight Sounding Tests and SPT Blow Counts in Sandy Soils. Tokyo, Soils and Foundations, Japanese Geotechnical Society, vol. 44, No. 3, 2004, pp 13 24 [30] Yamamoto A., Hirata S., Tamura M.: Geotechnical Investigation for Housing Construction by Swedish Ram Sounding in Japan. The Proceedings of The Seventeenth (2007) International Offshore and Polar Engineering Conference. Lisbon, Portugal, July 1 6, 2007. Cupertino, International Society of Offshore and Polar Engineers 2007, pp. 1248 1253