P R A C E N A U K O W E P O L I T E C H N I K I W A R S Z A W S K I E J z. 54 Inżynieria Środoiska 2007 Eugeniusz Koda Katedra Geoinżynierii SGGW, Warszaa KONSOLIDACYJNE WZMOCNIENIE PODŁOŻA ORGANICZNEGO Z ZASTOSOWANIEM DRENAŻU PIONOWEGO Zastosoanie prefabrykoanych drenó pionoych do zmocnienia gruntó organicznych budzi ątpliości ziązane z ystępoaniem tych gruntach znacznej tórnej ściśliości oraz złożonego procesu odkształcania podłoża i ograniczenia ydatku drenażu. W artykule przedstaiono yniki badań proadzonych na nasypach dośiadczalnych, których celem była ocena efektyności działania drenażu pionoego obciążonym podłożu organicznym. Ponadto, przedstaiono propozycję prognozy procesu konsolidacji podłoża organicznego stanie osioo-symetrycznym z uzględnieniem nielinioej zmienności charakterystyk konsolidacyjnych i dużych przemieszczeń podłoża. Przeanalizoano pły poszczególnych czynnikó na przebieg procesu konsolidacji, a yniki obliczeń porónano z obseracjami terenoymi. Słoa kluczoe: drenaż pionoy, prognoza konsolidacji, duże przemieszczenia 1. WSTĘP Wykorzystanie prefabrykoanych drenó pionoych do zmocnienia słabych gruntó mineralnych jest poszechnie znane i skutecznie stosoane na śiecie, natomiast zastosoanie drenó gruntach organicznych budzi pene zastrzeżenia. Badania nad możliością stosoania tej metody do zmocnienia podłoża organicznego proadzone są Katedrze Geotechniki SGGW od ielu lat, a latach 80. rónież e spółpracy ze Szedzkim Instytutem Geotechnicznym [15]. Wieloletnie obseracje, proadzone na nasypach dośiadczalnych posadoionych na podłożu składającym się z torfu amorficznego i gytii apiennej, pozoliły na sformułoanie noych nioskó dotyczących działania drenó pionoych gruntach organicznych. Celem badań było między innymi uzyskanie odpoiedzi na pytanie, jaki sposób drenaż pionoy płya na proces zmocnienia podłoża organicznego?
356 Eugeniusz Koda Wyniki badań parametró ośrodka gruntoego i arunkó pracy drenażu uzględniono prognozie konsolidacji obciążonego podłoża organicznego. 2. CZYNNIKI OGRANICZAJĄCE DZIAŁANIE DRENAŻU W GRUNTACH ORGANICZNYCH Zastosoanie podłożu drenażu pionoego pooduje skrócenie drogi przepłyu ody gruncie, co płya na szybsze rozproszenie nadyżki ciśnienia ody porach. Ziększa się, ięc prędkość przyrostu naprężenia efektynego i prędkość odkształcania podłoża, poodując szybszy zrost ytrzymałości gruntu. Drenaż pionoy pooduje, zatem głónie przyspieszenie konsolidacji pierotnej gruntu, a efektyność jego jest tym iększa, im mniejsza jest przepuszczalność gruntu oraz im iększa miąższość słabonośnych arst [1 i 4]. Z tego poodu dreny pionoe stosuje się najczęściej słabych gruntach mineralnych. Próby zastosoania ich gruntach organicznych były często kestionoane. Głóne czynniki arunkujące efektyność działania drenażu pionoego gruntach organicznych to: 1) stosunkoo ysoka przepuszczalność, poodująca mało znaczący pły drenażu na przebieg konsolidacji podłoża; 2) znaczący udział ściśliości tórnej procesie odkształcenia podłoża organicznego, niezależnie od drogi drenażu; 3) duże przemieszczenia poziome obciążonego podłoża, które poodują niekorzystne odkształcenia drenó; 4) agresyne działanie środoiska organicznego na materiał filtru drenu, poodujący jego rozkład i zatykanie kanalikó rdzenia. Celem yjaśnienia płyu poyższych czynnikó na przebieg procesu konsolidacji podłoża organicznego Katedrze Geotechniki SGGW proadzono prace badacze, obejmujące badania laboratoryjne, modeloe i terenoe [5, 6, 8, 12 i 14]. Analiza ynikó badań przeproadzonych na poligonach dośiadczalnych Białośliie i Antoniny ykazała, że grunty organiczne charakteryzują się ysoka przepuszczalnością jedynie stanie nieobciążonym [11]. Po przyłożeniu obciążenia yniku dużej ściśliości ich przepuszczalność znacząco maleje (rys. 1). Na przykład Białośliiu dla gruntu organicznego nieobciążonego spółczynnik filtracji kierunku pionoym ynosi: k v =8,1٠10-8 m/s torfie i k v =3,1٠10-8 m/s gytii. W yniku obciążenia nastąpiło zmniejszenie przepuszczalności około 100 razy torfie i ponad 25 razy gytii, zbliżając ja do artości obseroanych słabych gruntach mineralnych. Badania terenoe na nasypach dośiadczalnych potierdziły znaczący pły drenażu pionoego na przyspieszenie przebiegu osiadań [8]. Grunty organiczne ykazują znaczną tórną ściśliość. Z badań edometrycznych uzyskano spółczynnik ściśliości tórnej C α =0,10 0,17 dla torfu i C α =0,03 0,06 dla gytii. Przyjmując określony badaniach skaźnik ściśliości torfu C c =2,5 i gytii C c =0,8 otrzymuje się stosunek C α /C c =0,06 dla torfu i 0,05 dla gytii [11].
Konsolidacyjne zmocnienie podłoża organicznego z zastosoaniem drenażu 357 Wartości te pokryają się z podobnymi ielkościami podanymi przez Mesri ego [13] dla słabych gruntó mineralnych (rys. 2). Wpły ściśliości tórnej na przebieg odkształceń podłoża organicznego jest zatem zbliżony do płyu tego czynnika na deformację słabych gruntó mineralnych. Wtórna ściśliość obciążonego podłoża może być zredukoana przy zastosoaniu stępnego przeciążenia podłoża (rys. 3) [11]. Rys. 1. Charakterystyki konsolidacyjne torfu i gytii Antoniny. Rys. 2. Zależność skaźnika ściśliości tórnej C αε od ilgotności [11] Rys. 3. Kompensacja tórnej ściśliości przeciążeniem [11]
358 Eugeniusz Koda Kolejnym czynnikiem arunkującym pracę drenażu gruntach organicznych jest ich duża ściśliość (20 30%). Problem ten analizoano badaniach terenoych proadzonych na gruntach organicznych Szecji [3] oraz na poligonie Antoninach [9]. Obseracje drenó prefabrykoanych proadzone ykopach badaczych [11] ykazały, że nie nastąpiło przeranie drogi przepłyu ody. Maksymalne odkształcenia drenó miały kształt sinusoidy o amplitudzie 3 6 cm i długości fali 2 4 cm. Potierdzają to rónież pomiary ciśnienia ody porach II i III etapie obciążenia podłoża, skazujące na znaczący pły drenażu pionoego na przyspieszenie rozpraszania nadyżki ciśnienia ody porach [9]. 3. PROGNOZA KONSOLIDACJI PODŁOŻA ORGANICZNEGO Z DRENAŻEM PIONOWYM Przebieg procesu konsolidacji jest zykle opisyany rozpraszaniem nadyżki ciśnienia ody porach oraz osiadaniem obciążonego podłoża. W przypadku podłoża z drenażem pionoym prognozę konsolidacji przeproadza się najczęściej metodami Barrona [1] lub Hansbo [2], zakładającymi osioo-symetryczny przepły ody poroej i jednoymiaroy stan odkształcenia oraz niezmienną geometrię podłoża, mimo dużych przemieszczeń gruntu yołanych obciążeniem. Fakt ten uniemożliia popraną ocenę rozpraszania nadyżki ciśnienia poroego poszczególnych punktach podłoża, których położenie odbiega od rzeczyistej ich lokalizacji doolnym czasie. Rozój metod numerycznych umożliił zastosoanie analizie odkształcenia nielinioych zależności e-σ (skaźnik poroatości naprężenie efektyne), e-k (skaźnik poroatości spółczynnik filtracji) oraz zmian geometrii podłoża czasie odkształcenia. Uzględnienie dużych przemieszczeń prognozie konsolidacji słabego podłoża ymaga zastosoania analizie procesu odkształcenia spółrzędnych zmieniających się raz ze zmianą miąższości podłoża. Możlie jest zastosoanie opisie konsolidacji układu konekcyjnego [7], óczas rónanie konsolidacji przy osioo-symetrycznym przepłyie ody poroej ma następującą postać [11]: k h u k h u kv u 1 1 e P de d ' Du Dt X 1 1 e de dt S (1) gdzie: k h - spółczynnik filtracji kierunku poziomym, k v - spółczynnik filtracji kierunku pionoym, u - ciśnienie ody porach, - spółrzędna pionoa (konekcyjna),
Konsolidacyjne zmocnienie podłoża organicznego z zastosoaniem drenażu 359 - spółrzędna pozioma (radialna), e - skaźnik poroatości, de P - zmiana skaźnika poroatości yniku konsolidacji pierotnej, d ' P ' ' P f de Cr log Cc log (2) ' ' C r - skaźnik potórnego obciążenia, C - skaźnik ściśliości pierotnej, c ' O - pierotne naprężenie efektyne, ' P - naprężenie prekonsolidacji, ' f - końcoe naprężenie efektyne, de S dt O - zmiana skaźnika poroatości yniku tórnej ściśliości, de dt S O P t eo C log (3) t e O - początkoy skaźnik poroatości ( poprzednim kroku obliczenioym), C - skaźnik ściśliości tórnej, t - czas obliczenioy, t - czas początkoy (lub poprzedni krok obliczenioy). O Rónanie (1) opisuje proces konsolidacji podłoża stanie osioo-symetrycznym bez ograniczenia przepuszczalności drenu czasie. Uzględnienie płyu tego czynnika na przebieg konsolidacji jest możlie przez odpoiednie sformułoanie arunku brzegoego na granicy grunt dren. Dla opisu zachoania się ciśnienia ody drenie yodrębniono elementarny odcinek drenu o średnicy d i ysokości d (rys. 4). Zmiana przepłyu ( dq 1 ) na ejściu i yjściu ody z drenu ynosi: 2 r k u dq ddt 2 gdzie: r - promień drenu ( r / d 2 ), k - spółczynnik przepuszczalności drenie. Dopły ody do drenu z otaczającego gruntu można opisać rónaniem: d kh u dqh ddt (5) Objętość ody odpłyającej z drenu jest róna objętości ody dopłyającej z gruntu: dq dq h (6) r r (4)
360 Eugeniusz Koda Wóczas rónanie opisujące arunek brzegoy na drenie ma postać: Rys. 4. Schemat cylindra gruntu okół drenu pionoego [11] k u r 2 k h u Dla potrzeb roziązania rónania konsolidacji, opisano arunki brzegoe (rys. 5): u 0 dla t 0 i R (8) u 0 lub u 0 dla t 0 i 0 (9) u 0 dla t 0 i H (10) k u 2 k h u r oraz arunek początkoy: u O (7) lub u 0 dla t 0 i r (11) u dla t 0, 0 H i R (12) Roziązanie rónania (1) z uzględnieniem nielinioej zmienności parametró konsolidacyjnych, tórnej ściśliości szkieletu gruntoego oraz zmiennej geometrii podłoża i ydatku drenu czasie, jest możlie przy użyciu metod numerycznych. Prognozę przebiegu osiadań nasypu dośiadczalnego z drenażem pionoym Antoninach przeproadzono z ykorzystaniem metod Barrona [1], Hansbo [2], Katedry Geotechniki [14] i proponoanej z uzględnieniem dużych odkształceń [11]. Wyniki obliczeń porónano z pomiarami terenoymi (rys. 6). W analizie przebiegu odkształcenia podłoża uzględniono rónież osiadanie natychmiastoe oraz ściśliość tórną. Z uagi na dużą ściśliość podłoża organicznego, najiększą zgodność ynikó prognozy uzyskano dla metody dużych odkształceń. r
Konsolidacyjne zmocnienie podłoża organicznego z zastosoaniem drenażu 361 Rys. 5. Warunki brzegoe do prognozy konsolidacji alca okół drenu [10] Rys. 6. Porónanie obliczonych i pomierzonych osiadań nasypu dośiadczalnego [11]
362 Eugeniusz Koda Rys. 7. Obliczony przebieg rozpraszania nadyżki ciśnienia poroego (A) i przyrostu naprężenia efektynego (B) podłożu nasypu z drenażem pionoym [11] Przebieg rozpraszania nadyżki ciśnienia poroego podłożu nasypu z obliczeń proponoaną metodą oraz z pomiaró terenoych przedstaiono na rys. 7. Analiza uzyskanych ynikó skazuje na dobrą zgodność pomierzonych i prognozoanych artości osiadań i rozpraszania nadyżki ciśnienia poroego przypadku ykorzystania do prognozy konsolidacji dużych przemieszczeń, nielinioej zmienności parametró konsolidacyjnych i tórną ściśliość szkieletu gruntoego. Wyższe artości osiadań czasie obliczone proponoaną metodą (5-8%) stosunku do pomierzonych terenie, mogą ynikać z faktu, że na analizoanym obiekcie dreny rozpraszają nie tylko nadyżkę ciśnienia poroego, ale rónież ualniają nieielkie ciśnienie artezyjskie ystępujące piasku podściełającym grunty organiczne. Wartości osiadań uzyskane pozostałymi metodami, opartymi na założeniach małych przemieszczeń, są zaniżone stosunku do obseroanych. 4. PODSUMOWANIE Terenoe badania na nasypach dośiadczalnych ykazały, że prefabrykoane dreny pionoe mogą efektynie popraiać nośność podłoża zbudoanego z torfu amorficznego i gytii przy etapoej budoie nasypu. Przyspieszenie konsolidacji jest
Konsolidacyjne zmocnienie podłoża organicznego z zastosoaniem drenażu 363 szczególnie idoczne późniejszej fazie tego procesu, kiedy yniku odkształcenia podłoża przepuszczalność gruntó organicznych znacznie maleje. Prognoza konsolidacji podłoża organicznego z drenażem pionoym poinna być przeproadzana z uzględnieniem nielinioej zmienności charakterystyk gruntó, ystępoania tórnej ściśliości oraz zmian geometrii ośrodka gruntoego procesie odkształcania podłoża ( duże przemieszczenia ). BIBLIOGRAFIA [1] Barron R.A. Consolidation of fine-grained soils by drain ells. Trans. ASCE, no. 2346, vol. 113, 1948, p. 718-754. [2] Hansbo S. Consolidation of fine grained soils by prefabricated drains. Proc. 10th Int. Conf. on Soil Mech. and Found. Eng., vol. 3, Stockholm, 1981, p. 677-682. [3] Hansbo S. Full-scale investigations of the effect of vertical drains on the consolidation of peat deposit overlaying clay. De Mello Volume, Rio de Janeiro, 1989, p. 166-176. [4] Jamiolkoski M., Lancellotta R., Wolski W. Precompression and speeding up consolidation. S.O.A. and General Report. Proc. 8th Eur. Conf. on Soil Mech. and Found. Eng., vol. 1, Helsinki, 1983, p. 1-26. [5] Koda E., Szymański A., Wolski W. Laboratory test on geodrains durability in organic soils. Arch. Hydrotech., XXXIII, no 4, 1986, p. 491-498. [6] Koda E., Szymański A., Wolski W. Behaviour of Geodrains in organic subsoil. Proc. 12th Int. Conf. on Soil Mech. and Found. Eng., vol. 2, Rio de Janeiro, 1989, p. 1377-1380. [7] Koda E., Szymański A. Prediction of settlement of an embankment subsoil ith vertical drains. Ann. of Warsa Agric. Univ., no. 25, 1990, p. 3-12. [8] Koda E., Szymański A., Wolski W. Field and laboratory experience ith the use of strip drains in organic soils. Canadian Geotechn. Journ., vol. 30, no. 2, 1993, p. 308-318. [9] Koda E., Szymański A., Wolski W. Long-term behavior of strip drain filters in organic soils. Proc. 2 nd International Conference on GEOFILTERS, Montreal, 1996, p. 105-114. [10] Koda E., Szymański A. Analiza konsolidacji podłoża organicznego z uzględnieniem zmian geometrii i łaściości ośrodka. XI Kraj. Konf. Mech. Grunt. i Fund., vol. 1, Gdańsk, 1997, p. 51-56. [11] Koda E. Wpły drenażu pionoego na przyspieszenie konsolidacji gruntó organicznych. Maszynopis pracy doktorskiej, Politechnika Gdańska, 1991. [12] Lechoicz Z., Szymański A. Gyttja consolidation by means of geodrains. Ann. of Warsa Agric. Univ., Land Reclam., no. 21, 1985, p. 55-62. [13] Mesri G. Coefficient of secondary compression. Journ. Soil Mech. Found. Div., ASCE, vol. 99, no. SMI, 1973, p. 123-137.
364 Eugeniusz Koda [14] Szymański A., Wolski W. The pore pressure dissipation during consolidation of organic subsoil ith vertical drains. Proc. 3rd French Polish Sem. on Appl. Soil Mech., Gdańsk, 1984, p. 170-185. [15] Wolski W., Szymański A., Mirecki J., Lechoicz Z., Larsson R., Hartlen J., Garbuleski K., Bergdahl U. To stage constructed embankments on organic soils. Report No 32, Sedish Geot. Inst., Linköping, 1988, THE CONSOLIDATION REINFORCEMENT OF ORGANIC SUBSOIL WITH THE USAGE OF VERTICAL DRAINS Summary The use of strip vertical drains in organic subsoil can be questioned due to high secondary compression and sophisticated displacement process of organic soils as ell as decrease in discharge capacity of drains. The paper presents in situ tests performed on test embankments aimed at the vertical drainage efficiency assessment in the loaded organic subsoil. Moreover, the consolidation process prediction in axi-symmetrical state, taking into consideration of variable consolidation characteristics and large-strain analysis, is proposed. The influence of selected factors on the consolidation process as also analyzed. The computed results of settlement and excess pore pressure dissipation ere compared ith observed values. Key ords: vertical drains, consolidation prediction, large-strain analysis