Górnictwo i Geoin ynieria Rok 35 Zeszyt 2 2011 Sebastian Olesiak* KALIBRACJA SONDY WKR CANEJ WST DO BADA GÓRNOMIOCE SKICH I ÓW ZAPADLISKA PRZEDKARPACKIEGO W REJONIE KRAKOWA** 1. Wst p Prace badawcze nad wykorzystaniem sondy wkr canej WST do bada gruntów spoistych zosta y zapocz tkowane w 2008 roku [16] a nast pnie by y kontynuowane w latach kolejnych [15]. Niniejszy artyku opisuje badania wykonane w 2010 roku i jest swego rodzaju raportem z trzeciego ju etapu bada kalibracyjnych sondy wkr canej WST. W pierwszej kolejno ci badania kalibracyjne prowadzone by y na w skiej grupie gruntów spoistych, górnomioce skich i ach zapadliska przedkarpackiego. Polskie Normy [21, 23] z zakresu geotechniki wspominaj o przydatno ci sondy wkr canej WST do bada gruntów spoistych, ale nie podaj adnych informacji dotycz cych interpretacji uzyskiwanych wyników. Najdalej o przydatno ci sondy wkr canej WST do bada gruntów spoistych mówi Polska Norma PN-B-04452:2002, gdzie znajduje si nast puj ca informacja: Badanie sond wkr can stosuje si do oceny zag szczenia gruntów niespoistych oraz do oceny wytrzyma o ci na cinanie bez odp ywu gruntów spoistych. Co do pierwszej cz ci zdania, w powy szej Polskiej Normie, mo na znale odpowiednie wytyczne do interpretacji wyników z bada gruntów niespoistych. Natomiast druga cz zdania, odnosz ca si do gruntów spoistych, przywodzi na my l sformu owanie dotycz ce raczej sondy skrzyde kowej FVT a nie sondy wkr canej WST. Niemniej, za powy szym sformowaniem i tak nie id adne informacje dotycz ce interpretacji uzyskiwanych wyników dla gruntów spoistych. Polskie podr czniki akademickie z zakresu geotechniki [11, 12, 18, 19, 25] podaj b dne informacje dotycz ce interpretacji uzyskiwanych wyników z bada sond WST dla grun- * Katedra Geomechniki, Budownictwa i Geotechniki, Wydzia Górnictwa i Geoin ynierii, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków ** Praca zosta a wykonana w ramach bada w asnych 10.10.100.491 463
tów organicznych a nie spoistych [15, 16]. Tylko w nielicznych podr cznikach zagranicznych pojawiaj si informacje na temat samej sondy wkr canej WST [10, 26]. Zawarte tam informacje dotycz ce interpretacji wyników bada sond WST dotycz piasków kwarcowych i skaleniowych ze Szwecji, podobnie jak ma to miejsce w Polskiej Normie PN-EN-1997-2 Eurokod 7, odwo uj c si do pracy [1]. Badania in situ dzi ki ich szybko ci, mo liwo ci wykrywania drobnych nieci g o ci i defektów w o rodku gruntowym oraz ni szej cenie zyskuj przewag nad badaniami laboratoryjnymi. Niemniej dla prawid owego prowadzenia bada polowych z u yciem sond geotechnicznych niezb dna jest ich prawid owa kalibracja. U ytkownik sondy powinien zosta wyposa ony w odpowiednie, wiarygodne i uniwersalne informacje dotycz ce interpretacji uzyskiwanych wyników, zarówno dla gruntów spoistych jak i niespoistych. Dotyczy to zarówno prostego sprz tu r cznego, jak i najbardziej zawansowanych techniczne sond mechanicznych. 2. Opis rejonu bada I y mioce skie w polskim zapadlisku przedkarpackim wyst puj powszechnie i praktyczne na ca ej jego powierzchni. Ich strop wyst puje czasem bezpo rednio na powierzchni terenu, przykryty tylko cienk warstw organiczn, cz ciej pod niewielkim nadk adem m odszych osadów czwartorz dowych [9]. Mi szo osadów ilastych w rejonie Krakowa jest bardzo zró nicowana, zredukowana na wyniesieniach pod o a i wi ksza, dochodz ca do kilkudziesi ciu metrów w jego obni eniach [24]. Ze wzgl dów praktycznych, zakres stosowalno ci sondy wkr canej w gruntach spoistych ograniczony jest do 6 7 metrów g boko ci. Zwi zane to jest ze zjawiskiem tarcia gruntu o erdzie co ma wp yw na zawy anie liczby pó obrotów powy ej tej g boko ci [2, 15, 16]. Dlatego przy wyborze kolejnych stanowisk badawczych starano si wybiera lokalizacje gdzie i y mioce skie wyst puj bezpo rednio na powierzchni terenu, ograniczaj c zakres sondowa i wierce do g boko ci 5 6 m. Pozyskanie nowych stanowisk badawczych nie jest spraw atw. Oprócz sprzyjaj cych warunków geologicznych, niezb dne jest zlokalizowanie i uzyskanie pozwolenia od w a ciciela terenu. W zwi zku z faktem e, badania kalibracyjne wykonywane s na niewielkim obszarze (rys. 1), dochodzi do powa nego naruszenia przypowierzchniowych warstw gruntu. Dlatego te badania te prowadzone mog by tylko na placach budowy lub nieu ytkach. W trzecim etapie bada kalibracyjnych sondy wkr canej WST by y one prowadzone w rejonie osiedla Ruczaj, w okolicy ulicy Pychowickiej. W trakcie prowadzenia budowy nowych budynków mieszkalnych zaobserwowano, e na tym terenie i y mioce skie wyst puj niemal bezpo rednio na powierzchni terenu. Po uzyskaniu zgody od prywatnego w a ciciela terenu wytypowano rejon do polowych bada kalibracyjnych. Omawiany teren jest p aski, ró nice wysoko ci nie przekraczaj 0,5 m. Strop i ów górnomioce skich zalega na g boko ci oko o 0,6 m p.p.t. pod warstw niekontrolowanej mieszaniny gruntów organicznych, py ów, glin i i ów. W trakcie bada polowych nie nawiercono sp gu i ów. 464
3. Geotechniczne badania polowe górnomioce skich i ów z rejonu osiedla Ruczaj Na omawianym powy ej terenie wytypowano prostok tne pole badawcze o szeroko ci 16 m, d ugo ci 20 m i powierzchni 320 m 2. W trakcie bada polowych wykonano 20 sondowa sond wkr can WST w siatce 4 4 m i 12 otworów badawczych. Schemat pola badawczego przedstawia rysunek 1. 20 m I 2, 8m II A 4m B C 4m D III E 5,6m IV F 16 m sondowanie WST wiercenie z sondowaniem FVT i z pobieraniem próbek typu B (NW) wiercenie z pobieraniem próbek typu A (NNS) V VI Rys. 1. Schemat pola badawczego W sze ciu otworach badawczych (I VI) o g boko ci do 5,5 m, wykonywano badania z wykorzystaniem sondy skrzyde kowej FVT, dokonuj c pomiaru wytrzyma o ci na cinanie bez odp ywu x max i wytrzyma o ci resztkowej x min, co 1 m g boko ci. Wyniki z bada sond skrzyde kow FVT zebrano w tabeli 1, gdzie przedstawiono warto ci rednie wytrzyma o ci z sze ciu otworów, wyznaczono stopie wra liwo ci gruntu i oszacowano stopie plastyczno ci na podstawie Polskiej Normy PN-B-04452:2002. Dodatkowo z tych samych otworów TABELA 1 Wyniki bada sond skrzyde kow FVT G boko 1 m 2 m 3 m 4 m 5 m Wytrzyma o na cinanie x max [kpa] Wytrzyma o resztkowa na cinanie x min [kpa] 64,4 98,2 122,8 152,2 193,0 20,0 33,3 41,6 43,3 55,0 Stopie wra liwo ci gruntu I R I xmax R = xmin 3,22 2,95 2,95 3,51 3,51 Stopie plastyczno ci I L 0,34 0,19 0,11 0,03 < 0,0 Stan gruntu pl tpl tpl pzw zw 465
pobierano co 1 m g boko ci materia badawczy (próbki typu B, NW) do dalszych bada laboratoryjnych. Z kolejnych sze ciu otworów (A F), co 1 m g boko ci pobrano próbki do bada wytrzyma o ciowych (próbki typu A, NNS). W trakcie bada polowych wykonywano badania makroskopowe gruntu, przede wszystkim pod k tem oceny stanu i ów. Wyniki z bada makroskopowych zosta y dla porównania do czone do tabeli 3. W ramach bada kalibracyjnych sondy wkr canej WST wykonano 20 sondowa do g boko ci 7 m. Podobnie jak mia o to miejsce w pracach [8, 15, 16] zliczano pó obroty na ka de 10 cm wp du sondy. Jest to podej cie bardziej uniwersalne ni to prezentowane w Polskich Normach, gdzie dla gruntów niespoistych zaleca si zliczanie pó obrotów na ka de 20 cm wp du sondy. Dla zag biania si sondy przy obci eniach mniejszych ni 1 kn, przyj to nast puj ce wagi liczbowe: 1 dla 0,75 kn, 2 dla 0,50 kn, 3 dla 0,25 kn. Identyczne podej cie mia o miejsce w pracach wcze niejszych [15, 16] dotycz cych bada kalibracyjnych sondy wkr canej WST. Wyniki z sondowa WST przedstawiono na rysunku 2. Na wykresach, oprócz krzywej przedstawiaj cej u rednione wyniki z 20 sondowa, przedstawiono krzywe obrazuj ce warto minimaln i maksymaln uzyskan w trakcie sondowania (rys. 2a) i warto odchylenia redniego (rys. 2b). Liczba pó obrotów na 10 cm wp du sondy WST a) b) Liczba pó obrotów na 10 cm wp du sondy WST rednia rednia Odchylenie rednie G boko G boko Rys. 2. Wykres sondowania i ów górnomioce skich sond wkr can WST : a wraz z warto ci minimaln i maksymaln uzyskanych pó obrotów, b wraz z wyznaczonym odchyleniem rednim liczby pó obrotów 4. Badania laboratoryjne i ów górnomioce skich Badania kalibracyjne polegaj na precyzyjnym okre laniu w a ciwo ci i ów na podstawie bada laboratoryjnych i przyporz dkowywaniu tych w a ciwo ci do charakterystycznych wielko ci (obci enie lub liczba pó obrotów) uzyskiwanych w trakcie bada sond wkr can WST. W tym celu wykonano oznaczenia w a ciwo ci zgodnie PN-B-04481:1988 oraz na podstawie literatury fachowej [13, 14, 17], tj.: wilgotno naturaln w, g sto obj to ciow t, granic plastyczno ci wp, granic p ynno ci w L, zawarto frakcji ilastej f i, 466
pylastej f r i piaskowej f p. Dla porównania wyników laboratoryjnych i polowych wyznaczono stopie plastyczno ci I L. Wyniki z bada laboratoryjnych zebrano w tabeli 2, gdzie przedstawiono warto ci rednie z pi ciu otworów. TABELA 2 Wyniki bada laboratoryjnych i ów górnomioce skich G boko 1 m 2 m 3 m 4 m 5 m Wilgotno naturalna, w [%] 43,26 37,19 34,04 30,23 28,05 G sto obj to ciowa, r [g/cm 3 ] 1,84 1,88 1,91 1,91 1,94 Granica plastyczno ci, w p [%] 30,50 30,53 30,97 28,79 30,03 Granica p ynno ci, w L [%] 83,00 82,03 87,27 88,18 87,40 ilastej f i [%] 24 36 40 44 39 Zawarto frakcji pylastej f r [%] 67 64 60 56 59 piaskowej f p [%] 9 0 0 0 2 Stopie plastyczno ci, I L 0,24 0,13 0,05 0,02-0,03 Stan gruntu pl/tpl tpl tpl tpl/pzw pzw 5. Propozycja nomogramu do okre lania stopnia plastyczno ci i ów górnomioce skich rejonu Krakowa na podstawie bada sond wkr can WST Na tym etapie bada kalibracyjnych, nomogram dla sondy wkr canej WST odnosi si tylko do stopnia plastyczno ci. Wyznaczanie pozosta ych w a ciwo ci i ów, np. w a ciwo ci wytrzyma o ciowych mo e odbywa si poprzez badania laboratoryjne lub na podstawie Polskiej Normy PN-B-03020:1982, zgodnie z metod B. Dla pe nego porównania uzyskanych warto ci stopnia plastyczno ci i odpowiadaj cych im warto ci liczby pó obrotów uzyskanych w trakcie bada sond wkr can WST, w tabeli 3 zebrano: badania laboratoryjne, badania makroskopowe i badania z u yciem sondy skrzyde kowej FVT. Wyniki jako ciowo (ocena stanu gruntu) dobrze do siebie pasuj, niezale nie od metody badawczej. Ilo ciowo, najwi ksze ró nice w wyznaczeniu stopnia plastyczno ci dotycz sondy skrzyde kowej. Na rysunku 3 przedstawiono wyniki z dotychczasowych bada dotycz cych kalibracji sondy wkr canej WST. Na rysunku 3 umieszczono cztery linie odpowiadaj ce nast puj cym pracom badawczym: linia A, (przerysowana z pracy [8]) przedstawia znan zale no pomi dzy liczb pó obrotów a stopniem plastyczno ci dla wybranych gruntów organicznych, linia B, to zale no pomi dzy liczb pó obrotów a stopniem plastyczno ci dla i ów z Zes awic [16], linia C, obrazuje wyniki bada uzyskane dla i ów z Mydlnik [15], linia D, obrazuje wyniki bada uzyskane w ramach tej pracy dla i ów z osiedla Ruczaj. 467
TABELA 3 Zestawienie wyników bada G boko 1 m 2 m 3 m 4 m 5 m BADANIA LABORATORYJNE Stopie plastyczno ci, I L 0,24 0,13 0,05 0,02-0,03 Stan gruntu pl/tpl tpl tpl tpl/pzw pzw BADANIA MAKROSKOPOWE Liczba wa eczkowa 5/6 3/4 1/2 0/1 0/1 Stopie plastyczno ci, I L 0,25 0,15 0,05 0,00 0,00 Stan gruntu pl/tpl tpl tpl tpl/pzw tpl/pzw SONDOWANIE VFT Stopie plastyczno ci, I L 0,34 0,19 0,13 0,03 < 0,00 Stan gruntu pl tpl tpl pzw zw SONDOWANIE WST rednia liczba pó obrotów 0 1 3 5 9 p³ 1,0 STAN GRUNTU 0,75 0,50 0,25 0,0 mpl pl tpl pzw zw 0,60 0,24 0,05 0,02 0,13 0,25 kn 0,50 kn 0,75 kn 1 kn 0 3 6 A 10 15 B C D TYLKO OBCI ENIE OBCI ENIE LICZBA PÓ OBROTÓW PÓ OBROTÓW NA NA 10 10 CM CM WP DU WPÊDU Rys. 3. Nomogram do okre lania stopnia plastyczno ci gruntów: A grunty organiczne [8], B i y Zes awice [6], C i y Mydlniki [15], D i y Ruczaj Na podstawie dalszej analizy, maj cej na celu uproszczenie oraz zwi kszenie bezpiecze stwa stopnia plastyczno ci, okre lanego na podstawie bada sond wkr can WST, na rysunku 4 zaproponowano nomogram dla i ów górnomioce skich rejonu Krakowa. Uwzgl dniono tak e wyniki innych prac naukowo badawczych w gruntach spoistych i na koluwiach osuwisk, gdzie grunty by y w stanach p ynnych i mi kkoplastycznych [3 7]. Na kolejnym nomogramie (rys. 4) przyj to, e dla i ów górnomioce skich w stanach plastycznym, mi kkoplastycznym i p ynnym, pogr anie sondy odbywa si tylko przy udziale przy o onego obci enia bez wykonywania ruchu obrotowego, odpowiednio 1 kn, 0,75 kn, 0,5 kn i 0,25 kn. Dla stanu twardoplastycznego liczba wykonywanych pó obrotów jest w zakresie od 1 do 6. Powy ej 6 pó obrotów mamy do czynienia z i ami w stanie pó zwartym. 468
6. Podsumowanie TYLKO OBCI ENIE LICZBA PÓ OBROTÓW NA 10 CM WP DU Rys. 4. Nomogram do okre lania stopnia plastyczno ci krakowieckich i ów mioce skich Badania laboratoryjne s czasoch onne i kosztoch onne, co powoduje, e projektanci cz sto z nich rezygnuj na korzy szybszych, a niekiedy ta szych bada polowych. Dla w a ciwego prowadzenia bada w terenie, z wykorzystaniem tylko sprz tu polowego, istnieje potrzeba jego poprawnego wykalibrowania, a co za tym idzie posiadania odpowiednich interpretacji dla wyników uzyskiwanych z sondowa. Dotyczy to zarówno urz dze mechanicznych, które znajduj szerokie zastosowanie w trudnych warunkach geotechnicznych dla wa nych obiektów budowlanych, ale tak e urz dze r cznych wykorzystywanych w prostszych przypadkach lub w miejscach gdzie wprowadzenie sprz tu mechanicznego jest nie mo liwe [15]. Przedstawiona na rysunku 4, propozycja interpretacji wyników z bada sond wkr can WST dla i ów górnomioce skich rejonu Krakowa zwi ksza mo liwo ci wykorzystania tego sprz tu w gruntach spoistych. LITERATURA [1] Bergdahl U., Ottosson E., Malmborg, B.S.: Plattgrundläggning (Spread foundations) (in Swedish). Stockholm, AB Svensk Byggtjänst, 1993 [2] Borowczyk M., Frankowski Z.: Badania gruntów statyczna sond wkr can. Przegl d Geologiczny, nr 6, 1978, s. 374 380 [3] Ca a M., Flisiak J., Olesiak S.: Analiza przyczyn powstania uszkodze zachodniego obwa- owania kwatery 4S sk adowiska odpadów paleniskowych Pióry. AGH KGBiG, Kraków, 2009 (praca niepublikowana) [4] Ca a M., Flisiak J., Olesiak S.: Analiza przyczyn uszkodzenia wa u oporowego II kwatery sk adowiska odpadów komunalnych w Zakopanem. AGH KGBiG, Kraków, 2008 (praca niepublikowana) [5] Ca a M., Flisiak J., Olesiak S.: Analiza stanu wa u oporowego wraz z analiz stateczno ci i kwatery sk adowiska odpadów komunalnych w Zakopanem w zwi zku z ko cem jej eksploatacji. AGH KGBiG, Kraków, 2007 (praca niepublikowana) [6] Ca a M., Flisiak J., Olesiak S.: Analiza warunków stateczno ci wa u oporowego sk adowiska odpadów komunalnych Zoniówka II w Zakopanem oraz metody jego stabilizacji. AGH KGBiG, Kraków, 2004 (praca niepublikowana) 469
[7] Ca a M., Flisiak J., Olesiak S.: Przyczyny powstania osuwiska w miejscowo ci Gaj i propozycja jego zabezpieczenia. AGH KGBiG, Kraków, 2006 (praca niepublikowana) [8] Dudzikowski R., Fabianowski J.: Badania gruntów aluwialnych statyczn sond (szwedzk ) wkr can r cznie. Technika Poszukiwa Geologicznych, nr 1, 1974, s. 30 35 [9] Grabowska-Olszewska B.: Geologia stosowana. W a ciwo ci gruntów nienasyconych. PWN Warszawa, 1998 [10] Hartlen J., Wolski W.: Embankments on organic soils. Amsterdam, Elsevier, 1996 [11] Ignut R., K bek A., Puchalski R.: Terenowe badania geologiczno in ynierskie. WG Warszawa, 1973 [12] Kostrzewski W.: Mechanika gruntów. Parametry geotechniczne gruntów budowlanych oraz metody ich wyznaczania. PWN, Warszawa, 1980 [13] My li ska E.: Laboratoryjne badania gruntów i gleb. Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa, 2010 [14] My li ska E.: Laboratoryjne badania gruntów. PWN, Warszawa, 2001 [15] Olesiak S.: Sonda wkr cana WST w badaniach mioce skich i ów krakowieckich. Górnictwo i Geoin ynieria, zeszyt 2, Kraków, 2010, s. 501 507 [16] Olesiak S.: Wykorzystanie sondy wkr canej WST w badaniach mioce skich i ów krakowieckich. Górnictwo i Geoin ynieria, zeszyt 1, Kraków, 2009, s. 467 473 [17] Pa ka J., Sanecki L.: Grunty budowlane. Cz. 2, Laboratoryjne badania fizycznych cech gruntów. Wydawnictwo PK, Kraków, 1986 [18] Pisarczyk S., Rymsza B.: Badania laboratoryjne i polowe gruntów. OWPW Warszawa, 1993 [19] Pisarczyk S.: Gruntoznawstwo in ynierskie. PWN Warszawa, 2001 [20] Polska Norma PN-B-03020:1981 Grunty budowlane. Posadowienie bezpo rednie budowli. Obliczenia statyczne i projektowanie [21] Polska Norma PN-B-04452:2002 Geotechnika. Badania polowe [22] Polska Norma PN-B-04481:1988 Grunty budowlane. Badania próbek gruntu [23] Polska Norma PN-EN-1997-2 Eurokod 7. Projektowanie geotechniczne. Cz 2: Rozpoznanie i badanie pod o a gruntowego [24] 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 [25] Sanecki L.: Geotechniczne badania polowe. Wydawnictwa AGH, Kraków, 2003 [26] Smoltczyk U.: Geotechnical engineering handbook. Vol. 1, Fundamentals. Berlin, Ernst & Sohn Verlag, 2002