Prof. dr hab. iŝ. Zygmut eyer dr iŝ. ariusz Kowalów mgr iŝ. leksadra Plucińska Politechika zczecińska Katedra Geotechiki Geotechical Cosultig Office p.z o.o. Geotechical Cosultig Office p.z o.o. ODELOWNIE OIDŃ PODŁOś ŁBEGO W OPRCIU O BDNI IN ITU CEL I ZKRE PRCY W pracy przedstawioo zagadieie kosolidacji podłoŝa grutowego a podstawie modelu kosolidacji grutu Katedry Geotechiki Politechiki zczecińskiej, eyer []. Celem pracy było sformułowaie procedury obliczeiowej, która uwzględia obliczeia pierwotych parametrów mechaiczych grutów. odel grutu zakłada zajomość pierwotych parametrów grutu słabego przed pierwotym obciąŝeiem. Wielkości tych ie moŝemy uzyskać a podstawie badań tereowych dlatego obliczeia przeprowadzoo przy pomocy cytowaej procedury. Zakres pracy obejmował sformułowaie modelu osiadań w oparciu o badaia tereowe przeprowadzoe a Ostrowie Grabowskim w zczeciie. Jako przykład obliczeiowy przyjęto dae grutowe i obciąŝeie takie jak a NabrzeŜu Fińskim w Porcie zczecińskim. PRZEGLĄD LITERTURY W literaturze moŝa zaleźć szereg modeli opisujących kosolidację. Przegląd tych metod podao w pracy. Plucińskiej [5]. Pracę oparto a modelu opracowaym w Katedrze Geotechiki Politechiki zczecińskiej. W pracy eyera [] przedstawioo uproszczoy model kosolidacji torfów przy zmieym obciąŝeiu próbki. Przedstawioa metoda, zastosowaa do aalizy badań edometryczych torfów wstępie skosolidowaych, wskazuje, iŝ moduł ściśliwości musi być obliczay z uwzględieiem prekosolidacji oraz właściwości plastyczo-spręŝystych. Iy model do obliczeń ściaia grutów miękkoplastyczych i torfów zapropooway został przez De a a w artykule [5]. odel swój oparł o a relacjach pomiędzy apręŝeiami, odkształceiami i współczyikiem pełzaia, które określae są a podstawie badań uzyskaych z edometru. Istotą rolę w tym modelu odgrywa czyik czasu. Zjawiskiem kosolidacji pierwotej zajęli się G. erli, T.D. tark,.. jloui, C.. Che [8]. Według autorów kosolidacja pierwota w warukach polowych moŝe trwać tydzień lub miesiąc.
utorzy badając próbki grutu o iearuszoej strukturze w edometrze wyjaśili związki pomiędzy wskaźikiem porowatości a wtórym osiadaiem. alizą wpływu czasu zakończeia badaia a wartości parametrów rówaia empiryczego zajęli się eyer i Bedarek []. alizując powyŝsze zjawisko w zaleŝości od ilości puktów pomiarowych zaobserwowali zmiay parametrów rówaia empiryczego. Poza tym wg powyŝszej pracy ilość puktów pomiarowych podczas badaia wpływa a dokładość krzywej elemetarej przebiegu osiadaia w czasie. W artykule [7] Kozłowskiego opisao proces osiadaia próbki grutu orgaiczego z okolic brzegu przekopu ieleńskiego oddzielającego Wielką Kępę od Ostrowa Grabowskiego łączącego Odrę z kaałami portowymi i Regalicą, od mometu przyłoŝeia obciąŝeia do mometu zakończeia badaia. Do badaia uŝyto próbek grutu o kształcie walca średicy 65 mm i wysokości mm. Osiadaie zostało pomierzoe za pomocą idukcyjych czujików przemieszczeń. W badaiu uwzględioe zostały uzmieioe parametry krzywej elemetarej D i p, których ajwiększe zmiay zostały zaobserwowae w początku osiadaia próbki grutu. PowyŜsze parametry doskoale opisały przebieg osiadaia pomierzoego do obliczoego. W Katedrze Geotechiki Politechiki zczecińskiej wykoao badaia osiadaia torfów uwzględiając wspomiay model w róŝych źródłach w tym przy zmieym obciąŝeiu Bedarek [], [], Kozłowski [], eyer [9]. zerszej weryfikacji współczyików empiryczego modelu kosolidacji torfów dokoał Kowalów w pracy [6]. Empirycze zaleŝości pomiędzy parametrami D, p i α (wyzaczae a podstawie pomiarów edometryczych dla grutu orgaiczego, są tematem pracy eyera i rozińskiej [4]. Zapropoowae przez autorów [4] rówaia z róŝą dokładością opisują doświadczalą krzywą osiadaia. Występuje zacza zmieość parametrów obu rówań dla poszczególych prób grutu. utorzy podjęli próbę opisu zjawiska kosolidacji empiryczymi zaleŝościami. Coufal i Kopczyńska [3] skupili się a weryfikacji empiryczego modelu grutu orgaiczego w warukach częściowego odciąŝeia, przy relacji obciąŝeia osiadaia. Przedstawioo empirycze rówaie grutu orgaiczego pozwalające a obliczeie parametrów D, p i α a podstawie pomiarów edometryczych. Wyiki badań laboratoryjych wykazały, Ŝe po usuięciu części obciąŝeia, badaa próbka grutu odpręŝa się bardziej iŝ wskazuje a to wartość zdjętego obciąŝeie. Trwa to tylko przez chwilę i grut poowie powraca do poprzediej fazy osiadaia. aliza dostępej literatury wykazała brak literatury opisującej problem modelowań osiadań podłoŝa słaboośego dla celów iŝyierskich. W iiejszym opracowaiu wykorzystao modele kosolidacji grutu słabego do progozy osiadań grutu słabego.
3 NLIZ ZJWIK Jako podstawowy związek obciąŝeie osiadaie przyjęto ( E gdzie jest miąŝszością warstwy kosolidowaej. W rozpatrywaym przypadku moduł ściśliwości grutu słabego E jest fukcją osiadaia. Glazer [4] podaje związek pomiędzy zmiaą wskaźika porowatości a zwiększeiem się modułu w postaci E( s E e [ ] ( e Z rówaia tego moŝa wyprowadzić zaleŝość a osiadaie wywołae obciąŝeiem [,]. W ogólym przypadku potęga występująca w rówaiu ( moŝe zmieiać się w zaleŝości od rodzaju próbki. Badaia wykazały, Ŝe potęga dla próbek zawiera się w graicy,75,. W celu przejrzystości obliczeń oraz mając a względzie przedstawieie metody w dalszej części pracy, przyjęto potęgę rówą,. chematyczie proces osiadaia przedstawia wykres. Zgodie z tym rysukiem moŝemy opisać poszczególe stay. Wykres. ZaleŜość osiadaia od obciąŝeia grutu Osiadaie wywołae obciąŝeiem pierwotym (3 3
4 Osiadaie pod wpływem pierwszego obciąŝeia warstwą przeciąŝającą (4 Osiadaie pod wpływem kolejego obciąŝeia (5 Przedstawioa metoda zakłada, Ŝe zae są parametry grutu ieobciąŝoego. Wielkości tych ie zamy i dlatego musimy je obliczyć z późiejszych badań i situ. zukamy, i z rówań (, (3 i (4. amy (6 (7 W rówaiach (6 i (7 ie zamy pierwotego poziomu tereu czyli ie zamy. zukamy rówań, aby zaleźć,. To prowadzi do astępujących rozwaŝań: Ogólie porowatość defiiujemy jako V V P (8 dla torfu ieobciąŝoego mamy: V V P (9 JeŜeli próbki pobieramy po zakończeiu obciąŝeń to moŝemy apisać: V P ( oraz astępie: V P (
5 a po kolejej zmiaie obciąŝeia V P ( W dalszej pracy przyjęto, Ŝe porowatość pierwota jest tą która była przed pierwotym obciąŝeiem. JeŜeli rówaie obciąŝeie osiadaie odiesiemy do torfu ieobciąŝoego to otrzymamy: (3 oraz (4 Z rówaia (3 obliczamy i podstawiamy do zaleŝości (4. Otrzymamy jedo rówaie z dwiema iewiadomymi (, w postaci (5 Za iloczy podstawiamy : * (6 Po podstawieiu mamy ( ( ( (7 oraz astępie ( (8 Po obliczeiu moŝliwe jest obliczeie ze wzoru (5. amy ( (9 Do opisaia modułu,, oraz 3 zmieego wraz z obciąŝeiem wykorzystujemy zaleŝości:: dla obciąŝeie od do ( (
dla obciąŝeie od do dla obciąŝeie od do ( ( ( 3 ( oŝemy rówieŝ powiedzieć jak zmieiają się moduły pomiędzy kolejymi obciąŝeiami ( 3 ( 3 ( (3 (4 (5 W badaiach i situ określamy module ściśliwości po zakończeiu kolejych przeciąŝeń kosolidacyjych. Zając lub moŝemy zaleźć, a stąd uzyskamy wszystkie parametry modelu:, oraz, bo * (6 4 ODEL OIDŃ GRUNTU Weryfikację modelu przeprowadzoo a przykładzie kosolidacji grutu słabego a NabrzeŜu Fińskim w zczeciie. W wyiku przeprowadzoych badań polowych podłoŝe grutowe a Ostrowie Grabowskim rozpozao poprzez odwierty, sodowaie CPTU oraz badaia presjometrycze. Lokalizację obszaru, a którym przeprowadzoo badaia pokazao a rysuku. 6
7
Rys. Przekrój geotechiczy W badaym podłoŝu według ormy PN 8/B 3 wyszczególioo dziesięć warstw geotechiczych, które róŝią się rodzajem oraz staem. Podział geotechiczy dotyczy grutów rodzimych, a takŝe asypowych (mieralych i orgaiczych. Podział geotechiczy ie obejmuje rzadko występujących asypów ŜuŜlowych i gruzowych. Podział grutów iespoistych dokoao dzięki ustaloemu ormowo metodą zgodie z ormą PN-8/B-3 stopiu zagęszczeia I D w oparciu o wyiki przeprowadzoych sodowań CPTU. Badaia presjometrycze piasków asypowych warstw Ia i Ib, w oparciu o metodę dały uśredioe wartości modułu presjometryczego presjometryczej ośości graiczej E p i p l. Właściwości fizycze pobraych próbek grutu (torfów i amułów z rejou badań charakteryzują się gęstością objętościową ρ w graicy od,88g/cm 3 do,35g/cm 3 oraz wilgotością w w zakresie od 4,3% do 39%. W laboratorium echaiki Grutów i Fudametowaia Katedry Geotechiki dodatkowo przeprowadzoe zostały badaia edometrycze próbek pobraych z odwiertów. Próbki w edometrze poddawae były ormatywym obciąŝeiom, astępie przeciąŝae obciąŝeiem dwukrotie większym po czym odciąŝae stopiowo do ormatywych wartości. 8
Wykres. Krzywe ściśliwości dla B [8,5 8,7] uzyskae a podstawie badań w edometrze Próbki torfów i amułów charakteryzują się odmieymi parametrami fizyczymi i wytrzymałościowymi. Wpływa to a zacze róŝice osiadań. NaleŜy pamiętać o tym, Ŝe badaia ściśliwości grutu w edometrze ie odzwierciedlają w pełi zachowaia się grutów orgaiczych w warukach aturalych (moŝe to prowadzić do róŝic w osiadaiach asypu. 5 PRZYKŁD OBLICZENIOWY DL OTROW GRBOWKIEGO PodłoŜe orgaicze odkształca się i zmieia swoją budowę towarzyszy temu zjawisku proces zmiejszaia się porowatości grutu powiązay z wyciskaiem wody z porów. Przy ieduŝym obciąŝeiu uzyskuje się zacze odkształceia (zaleŝość obciąŝeia osiadaie według badań przeprowadzoych w KG P charakteryzuje się silią ieliiowością. WydłuŜeie czasu kosolidacji spowodowae jest zmiejszeiem współczyika filtracji, który z kolei wywołay jest zmiaą porowatości podłoŝa grutowego. ZałoŜeia przyjęte w celu ocey osiadań grutów orgaiczych a Ostrowie Grabowskim: kosolidacji ie podlegają asypy stare (zalegający dłuŝej iŝ dwa lata, obciąŝeie podłoŝa orgaiczego istiejącym asypem ie powoduje dalszego osiadaia, jedyie obciąŝeie podłoŝa orgaiczego owym asypem powoduje jego osiadaie, owy asyp po wykoaiu i odpowiedim zagęszczeiu ie będzie osiadał gdy posiada miąŝszość wyikającą z projektowaej iwelety i istiejących rzędych tereu. 9
Do obliczeia osiadaia po zwiększeiu obciąŝeia od zera do stosujemy wzór: ( (7 Natomiast do obliczaia modułu ściśliwości zastosowao poiŝszy wzór: ( (8 ( Obliczeie kolejych obciąŝeń oraz wielkości i przeprowadzoo a podstawie posiadaych profili grutowych. oduły ściśliwości i obliczoo a podstawie badań i situ oraz badań laboratoryjych grutu. Na podstawie aalizy zjawiska przeprowadzoej a poprzedim rozdziale moŝa przeprowadzić poiŝsze obliczeia osiadań. Profil grutu schematyczie pokazao a rysuku 3. h h Rys. 3 chemat procesu osiadaia pod wpływem obciąŝeń Na podstawie obliczeń mamy: 6 kpa (osiadaia ie zamy, 83kPa oraz osiadaie, 75m, poadto kpa, oraz osiadaie, 4m. Dla tych wielkości moŝemy obliczyć a podstawie wzoru (8:,483 (83 34kPa stąd 34 6 74kPa,75,483 Następie obliczamy osiadaie ze wzoru (9: 6(6 83 74,75, 59m 8374 Następie sprawdzamy moduły ściśliwości w poszczególych fazach obciąŝeń. amy:
6 ( 3,8 ; 74 6 83 ( 8,6 ; 74 6 83 ( 74 3 PoiewaŜ zamy moduł : 9,65 obliczyć porowatość pierwotą. amy: 74 74kPa stąd, 4 83 6kPa dlatego 83kPa 6 oraz astępie moŝemy 3,8 PoiewaŜ obliczyliśmy wszystkie parametry pierwotego torfu ieobciąŝoego moŝemy apisać Ŝe: 83kPa ;, 4; 8, 78m, a poadto zamy moduły po kaŝdym obciąŝeiu: 6kPa ; 57kPa ; 3 359kPa. oŝemy teraz sprawdzić osiadaie po kaŝdej fazie obciąŝeia. Po pierwszym obciąŝeiu będziemy mieli: (7 7, 9m stąd, 59m. Po drugim obciąŝeiu będziemy mieli: 6, 44m oraz, 33m oraz odpowiedio (8 3 6, 3m wtedy, 74m 3 a stąd, 75m oraz, 4m WaŜym czyikiem wpływającym a kosolidację grutów orgaiczych jest połoŝeie zwierciadła wody grutowej. Torfy o duŝej miąŝszości zazwyczaj zajdują się w sąsiedztwie zbiorików wodych lub rzek. ąsiedztwo to powoduje wahaia zwierciadła wody grutowej. Podczas wysokich staów wód grutowych część asypów obciąŝających połoŝoa jest poiŝej zwierciadła wody co jest powodem występowaia siły wyporu. W aalizowaym przypadku pomiięto wypór. alizując jaki wpływ ma połoŝeie zwierciadła wody a obciąŝeie kosolidacyje trzeba pamiętać o astępujących załoŝeiach: koluma torfu posiada miąŝszość pierwotą, koluma ta posadowioa jest a warstwie ieodkształcalej, zwierciadło wody grutowej zajduje się poiŝej pierwotego poziomu tereu, ściskaie torfu wywołae jego cięŝarem własym jest pomijale.
W praktyce zmiaa poziomu wody grutowej o,5 m powoduje osiadaie ie przekraczające kilku cetymetrów. Wartość ta zaleŝa jest od objętości grutu wchodzącego w skład asypu oraz modułu ściśliwości grutu orgaiczego (torfu po kosolidacji. 6 WNIOKI Celem pracy była aaliza waruków kosolidacji podłoŝa asypem z refulatu a NabrzeŜu Fińskim. W pracy szczegółowo przedstawioo zjawisko kosolidacji podłoŝa grutowego w oparciu o badaia i situ. W pracy podao przegląd literatury dotyczący właściwości fizyczych, mechaiczych torfów, matematyczy opis ściskaia, a takŝe mechaizmy kosolidacji. W pracy szczególą uwagę poświęcoo aalizie waruków geotechiczych w rejoie NabrzeŜa Fińskiego, jak rówieŝ kosolidacji grutów słaboośych asypem z refulatu oraz obliczeiom wartości,,. etoda obliczeiowa moŝe być zastosowaa do praktyczych obliczeń iŝyierskich. Z powyŝszej pracy asuwają się astępujące szczegółowe wioski: Na obszarze badań występują dwa rodzaje grutów orgaiczych (torfy i amuły o róŝych właściwościach fizyczych i mechaiczych. Warstwy grutów orgaiczych charakteryzuje się duŝą zróŝicowaą miąŝszością od, m,8 m. Warstwy słaboośe w iektórych rejoach Ostrowa Grabowskiego przykryte są refulatem o róŝej miąŝszości i właściwościach fizyczych oraz mechaiczych. Zalegający refulat spowodował częściową kosolidację słaboośych grutów zalegających w iŝszych warstwach geotechiczych. Przedstawioy w iiejszym opracowaiu przykład obliczeiowy miał a celu przedstawieie moŝliwości metody. W praktyczych obliczeiach kiedy miąŝszość warstw zmieia się i zmieiają się parametry grutowe obliczeia aleŝy przeprowadzić dla kaŝdego z profilów pioowych. Wtedy moŝe się okazać, Ŝe powierzchia tereu asyp przeciąŝający wykazuje róŝe osiadaia. Program dalszych badań przewiduje uwzględieie tego problemu. PI OZNCZEŃ E - moduł odkształceń przy jedostkowym osiadaiu E - moduł odkształceń próbki ie obciąŝoej - wysokość próbki ie obciąŝoej - wysokość próbki po pierwszym obciąŝeiu - wysokość próbki po drugim obciąŝeiu
- moduł ściśliwości próbki ie obciąŝoej - moduł ściśliwości próbki po pierwszym obciąŝeiu - moduł ściśliwości próbki po drugim obciąŝeiu - moduł ściśliwości pierwoty - porowatość próbki ie obciąŝoej - porowatość próbki po pierwszym obciąŝeiu - porowatość próbki po drugim obciąŝeiu - porowatość pierwotą - osiadaie podłoŝa grutowego ie poddaego obciąŝeiu - osiadaie podłoŝa grutowego poddaego pierwszemu obciąŝeiu - osiadaie podłoŝa grutowego poddaego drugiemu obciąŝeiu PI LITERTURY. Bedarek R.: Uproszczoy model jedoosiowego osiadaia grutu orgaiczego przy cykliczych obciąŝeiach, w: IX semiarium aukowe, Regioale problemy ochroy środowiska w ujściu Odry, Rugia, 8 czerwiec, s. 37 48.. Bedarek R.: Weryfikacja empiryczego modelu grutu orgaiczego a przykładzie osiadaia przypory popiołowo cemetowej, w: XIV semiarium aukowe, Regioale problemy ochroy środowiska, iędzyzdroje, 3 czerwiec 6, s. 4 48. 3. Coufal R., Kopczyńska O.: Empiryczy model osiadaia grutu orgaiczego w warukach częściowego odciąŝeia, w: XIII semiarium aukowe, Regioale problemy ochroy środowiska w zjedoczoej Europie, zczeci - Norymberga, 5 czerwiec 5, s. 8. 4. Glazer Z.: echaika grutów, Wydawictwo Geologicze, Warszawa 985, s. 38. 5. E.J. De aa: compressio model for o-brittle soft clays ad peat, w: Geotechique vol. 46(, 996 s. 6. 6. Kowalów.: Empiryczy model kosolidacji torfów w warukach długiego czasu kosolidacji, w: Geotechika IV, Prace aukowe Politechiki zczecińskiej Istytut IŜyierii Wodej, zczeci 988 s. 69 77. 7. Kozłowski T.: Zmieość w czasie parametrów empiryczego modelu grutu orgaiczego, w: XIII semiarium aukowe, Regioale problemy ochroy środowiska w zjedoczoej Europie, zczeci - Norymberga, 5 czerwiec 5, s. 6. 8. esli G, tark T.D., jloui.., Che C..: ecodary comperiesio of peat with or without surchargiig, Joural of Geotechical ad Geoevirometal Egieerig, vol. 3, No. 5 ay 997, s. 4 4. 3
9. eyer Z.: Empiryczy model kosolidacji torfów, w: Geotechika IV, Prace aukowe Politechiki zczecińskiej Istytut IŜyierii Wodej, zczeci 988, s. 79.. eyer Z.: Uproszczoy model jedoosiowej kosolidacji torfów, w: Geotechika VII, Prace aukowe Politechiki zczecińskiej Katedra Geotechiki, zczeci 99, s. 97.. eyer Z., Bedarek R.: Wpływ czasu zakończeia badaia osiadaia a wartość parametrów empiryczego modelu grutu słabego, w: XI semiarium aukowe, Regioale problemy ochroy środowiska w ujściu Odry. Problemy iŝyierii środowiska w województwie Zachodiopomorskim, zczeci Ystad iędzyzdroje, 3 3 maj 3, s. 49 56.. eyer Z., Kozłowski T.: athematical descriptio of elasto plastic test of peat samples i oedometer ad tri-aial compressio apparatus, w: Geotechics X Proceedigs of the fourth iteratioal semiar o evirometal protectio regioal problems, Techical Uiversity of zczeci departmet of Geotechical Egieerig, zczeci 994 wrzesień 3, s. 85 94. 3. eyer Z., Kozłowski T.: odel of orgaic soil settlemets for periodic loadig durig oedometer test, w: XIII semiarium aukowe, Regioale problemy ochroy środowiska w zjedoczoej Europie, zczeci - Norymberga, 5 czerwiec 5, s. 59 6. 4. eyer Z., rozińska G.: Empirycza formuła osiadaia torfów występujących w rejoie Wyspy Puckiej, określoa w oparciu o badaia laboratoryje, w: Geotechika II, Prace aukowe Politechiki zczecińskiej Istytut IŜyierii Wodej, zczeci 986 s. 37 36. 5. Plucińska. Praca magisterska: Kosolidacja podłoŝa asypem z refulatu a NabrzeŜu Fińskim, zczeci, 8. 6. Dokumetacja badaia podłoŝa grutowego (materiały włase LG Bautechik Gmb Oddział w Polsce, wrzesień 6. 4