Irena BAGIŃSKA, Vilena FROL, Marek KAWA Politechnika Wrocławska KLASYFIKACJA GRUNTÓW ZWAŁOWYCH NA PODSTAWIE POMIARÓW SONDĄ CPTU 1. Wstęp Potrzeba rekultywacji lub wykorzystania do celów przemysłowych terenów zwałowiskowych [15] rodzi pilną potrzebę opracowania metodologii badań geotechnicznych, klasyfikacji i opisu gruntów zwałowych jako jednej z grupy gruntów antropogenicznych [6]. W przypadku gruntów zwałowych podstawowa trudność polega na silnej zmienności tych ośrodków. Obecnie działania badawcze i interpretacyjne w stosunku do tych gruntów skupiają się głównie na scharakteryzowaniu ośrodka antropogenicznego [2], [3]. Działania te mają na celu uzyskanie miarodajnych informacji umożliwiających rozwiązanie podstawowych zadań geotechnicznych oceny stateczności i nośności gruntów zwałowych. Jedną z nowocześniejszych technik pomiarowych in situ mogącą pomóc w rozpoznaniu gruntów zwałowych jest sondowanie statyczne CPTu. W trakcie pomiaru piezostożkiem rejestrowane są co 2 cm trzy wielkości: opór na stożku qc, tarcie na tulei ciernej fs oraz ciśnienie porowe u2. Duża gęstość próbkowania pozwala na quasi-ciągłe rozpoznanie profilu badawczego i stanowi bardzo dobry materiał do oceny zmienności cech gruntu zwałowego, który jest w swej budowie bardzo niejednorodny. W ocenie zmienności parametrów ośrodka ważne są nie tylko osiągane wartości pomiarowe, ale również zakres i intensywność ich zmian [12]. W pracy zaproponowano monogram wstępnej klasyfikacyjny gruntów zwałowych w oparciu o materiały literaturowe oraz wyniki sondowań statycznych CPTu gruntów zwałowych z obszaru centralnej Polski.
30 I. Bagińska, V. Frol, M. Kawa 2. Charakterystyka gruntu zwałowego Grunt zwałowy jest specyficznym ośrodkiem antropogenicznym o bardzo zróżnicowanej strukturze. Powstaje w wyniku urabiania, transportu i deponowania gruntów nadkładowych złóż węglowych w kopalniach odkrywkowych. Proces formowania fizycznych i mechanicznych cech gruntu zwałowego można podzielić na trzy etapy. W trakcie pierwszego etapu - procesu urabiania, zniszczona zostaje pierwotna struktura gruntu naturalnego. Podczas drugiego etapu - transportu, grunt podlega dalszym przeobrażeniom w wyniku oddziaływania różnorodnych czynników zewnętrznych. Trzeci etap to proces deponowania, który dodatkowo powoduje przypadkowe przemieszanie urobionego gruntu [4], [5]. Podczas wszystkich trzech opisanych wyżej etapów grunt podlega procesowi przebudowy pierwotnej struktury, rozluźnieniu, zbryleniu, rozdrobnieniu. Cały proces powoduje przemieszanie różnych, pod względem litologicznym, gruntów z nadkładu złoża, a niekiedy grunt zostaje przemieszany dodatkowo z popiołem i żużlem będącym odpadem z procesu spalania węgla brunatnego [13]. Ostateczny ciężar objętościowy gruntu zwałowego jest zwykle niższy od ciężaru gruntu naturalnego, z którego został odspojony. Od momentu zdeponowania niejednorodny ośrodek gruntowy podlega naturalnym i mechanicznym procesom konsolidacji, zagęszczenia i pełzania w wyniku oddziaływania np. warunków atmosferycznych, przejazdu maszyn roboczych, czy nadbudowy zwałowanego gruntu. Procesy te są długotrwałe i mogą zmieniać cechy gruntu zwałowego na przestrzeni wielu dziesiątek lat [4], [13], [15]. Po zdeponowaniu i obciążeniu nadkładem grunt zwałowy podlega trzem fazom zmian objętościowych w czasie: I faza wzrasta prędkość odkształceń objętościowych, II faza ustala się stała prędkość odkształceń objętościowych, III faza maleje prędkość odkształceń objętościowych [4]. Odzwierciedleniem tego zachowania jest nieliniowy związek pomiędzy naprężeniem ścinającym τf i naprężeniem normalnym σn do powierzchni ścięcia w postaci funkcji potęgowej [4]: (1) gdzie: a to współczynnik charakteryzujący rodzaj gruntu, b to współczynnik zależny od stanu gruntu. W pracy [4] wartości współczynników wyznaczone zostały na
Klasyfikacja gruntów zwałowych 31 podstawie badań laboratoryjnych i dla rozpatrywanego gruntu w pracy [4] wyniosły a=0,774, b=0,587. Jak podają przykłady literaturowe [2], [4], [13] można wydzielić trzy istotne rodzaje gruntu zwałowego, co zaprezentowano w Tabeli 1. Charakterystyka rodzajów gruntu zwałowego Rodzaje gruntu zwałowego Tabela 1 Rodzaj I ośrodek sypki zbudowany z gruntów niespoistych: piaski, żwiry, pospółki Rodzaj II ośrodek spoisty zbudowany z brył gruntu spoistego, wg Dmitruka nazywany ośrodkiem rozdrobnionym drugiego rodzaju [4] Rodzaj III ośrodek sypko - spoisty zbudowany z mieszaniny gruntu sypkiego i brył gruntu spoistego, wg Dmitruka nazywany ośrodkiem rozdrobnionym drugiego rodzaju [4] Właściwości gruntu zwałowego - grunt bardziej rozluźniony niż w warunkach naturalnych; - zwiększa się porowatość; - maleje ciężar objętościowy; - wartość współczynnika rozluźnienia wynosi 1,05 1,20 [4]; - warstwowanie (zaburzenie w sposobie rozmieszczenia ziaren); - duża porowatość powodująca wzrost wodoprzepuszczalności ośrodka. - rozdrobniony; - podlega zasadom klasycznej mechaniki gruntów. - makrostrukturę gruntu zwałowego tworzą bryły z gruntu rodzimego; - wewnątrz bryły mogą posiadać cechy gruntu rodzimego; - bryły są odkształcalne i charakteryzują się ograniczoną wytrzymałością; - różni się zasadniczo od naturalnego ośrodka rozdrobnionego; - zastosowanie zasad klasycznej mechaniki gruntów jest nieprawidłowe. - najsłabiej rozpoznany; - może wykazywać kombinację cech ośrodka spoistego lub ośrodka sypkiego w zależności od udziału ilościowego obu grup; - na uzyskanie cech ośrodka spoistego może mieć wpływ np. wielkość brył, okruchów gruntu spoistego [13]; - bardzo różni się od naturalnego ośrodka rozdrobnionego; - zastosowanie zasad klasycznej mechaniki gruntów jest nieprawidłowe. 3. Nomogram klasyfikacji gruntów zwałowych na podstawie sondowań CPTu Wyniki pomiarów sondowań statycznych to serie danych o dużej liczebności, stanowiące idealny materiał do oceny zmienności cech badanego ośrodka z zastosowaniem miar statystycznych. Quasi-ciągły pomiar co 2 cm wpędu wielkości oporu stożka qc i tarcie na tulei ciernej fs daje możliwość zarówno jakościowego, jak i ilościowego rozpoznania gruntu [8], [9], [10].
32 I. Bagińska, V. Frol, M. Kawa Do oceny jakościowej służą nomogramy, które pozwalają określić rodzaj gruntu. W przypadku gruntów naturalnych jest ich co najmniej kilkanaście i stale podlegają modyfikacjom poprawiającym jednoznaczność interpretacji [8], [9], [11]. Jednym z takich nomogramów jest nomogram Marra przedstawiony na Rys 1. [9]. Rys. 1. Nomogram klasyfikacyjny wstępnej identyfikacji rodzaju gruntu [9] Fig. 1. Classification nonogram initial identification of the soil type [9] W przypadku gruntów antropogenicznych sytuacja jest zupełnie odmienna. Brak jest nomogramu pozwalającego na choćby zgrubną klasyfikację tych gruntów. W literaturze można odnaleźć nomogram klasyfikacyjny sformułowany jedynie dla osadów poflotacyjnych [14] (Rys.2), stanowiących jedną z grupy gruntów antropogenicznych. Tschuschke wyróżnia na nomogramie (Rys.2) liniami ciągłymi pięć grup osadów poflotacyjnych rud miedzi ze względu na kryterium uziarnienia oraz stan i wytrzymałość osadów. 15 I II qc [MPa] 10 III 5 IV 0 V 0 10 20 30 40 50 60 fs [kpa] Rys. 2. Nomogram klasyfikacyjny osadów poflotacyjnych [14]: I - piaski drobne; II - piaski pylaste; III - pyły piaszczyste; IV - pyły; V - gliny piaszczyste iły pylaste Fig. 2. Classification nonogram for flotation wastes [14]: I-fine sand II-silty sand, III-sandy silt, IVsilt, V-silty clay
Klasyfikacja gruntów zwałowych 33 Osady zostały wydzielone pod względem zróżnicowania uziarnienia dla poszczególnych grup osadów na podstawie parametrów oporu na stożku qc oraz tarcia na tulei ciernej fs. Grupy I i II odpowiadają uziarnieniem gruntom niespoistym, grupy IV i V posiadają właściwości charakterystyczne dla gruntów spoistych, grupa III to tzw. grupa gruntów przejściowych. Największą skuteczność wydzieleń autor klasyfikacji wskazuje dla obszarów skrajnych (grupy I oraz V). Liniami przerywanymi wydzielono obszary łagodnej zmienności cech sąsiednich grup [14]. Rys. 3. Nomogram klasyfikacyjny gruntów zwałowych Fig. 3. Classification nonogram for deposited mine wastes Bazując na przytoczonych rozwiązaniach zaproponowany został nowy nomogram klasyfikacyjny (Rys.3), na którym został umieszczony podział gruntów zwałowych zgodny z rodzajami przytoczonymi w Tablicy 1. Na nomogramie ciągłymi szarymi krzywymi odwzorowano rozgraniczenie grup gruntowych z nomogramu klasyfikacyjnego osadów poflotacyjnych (Rys.2) [9] a przerywanymi szarymi rozgraniczenia z nomogramu z normy PN-B- 04452:2002 [9] (Rys.1). Zaproponowany nomogram klasyfikacyjny gruntów zwałowych (Rys.3) nie jest sztywnym podziałem, a jedynie stanowi wskazówkę dla interpretatora wyników sondowań CPTu. Podziały zaznaczone ciągłą czarną linią nie powinny być traktowane jako granice absolutne. Należy to odczytywać jako silne rozgraniczenia gruntów Rodzaju I i Rodzaju II strefą gruntów o cechach mieszanych Rodzaju III.
34 I. Bagińska, V. Frol, M. Kawa 4. Wstępna klasyfikacja gruntów zwałowych na podstawie pomiarów CPTu Od ponad 10 lat w centralnej Polsce na terenie zwałowiska wewnętrznego o wysokości około 40 m wykonywane są sondowania CPTu. Badania mają na celu monitorowanie jakościowych zmian w gruncie zwałowym na przestrzeni lat. W chwili obecnej powstaje już drugie piętro zwałowiska. Dolne piętro zostało wykonane z częściowo selekcjonowanego gruntu w większości sypkiego, natomiast górne powstaje z nieselekcjonowanego gruntu nadkładu węglowego i nie przeprowadzono w nim jeszcze badań CPTu. Badania wykonano sondą statyczna typu CPTU GEOTECH 220-04 ze standardowym piezostożkiem elektrycznym o kącie rozwarcia 60, polu podstawy 10 cm 2 oraz średnicy równej 35,7 mm zgodnie z zaleceniami PN-EN ISO 22476-1:2013. Punkty badawcze rozmieszczono na obszarze pierwszego piętra zwałowiska. Analizie poddano wyniki z 42 pomiarów CPTu. Na Rys. 4 zaprezentowano w funkcji głębokości kolorem szarym wszystkie zarejestrowane wartości qc, fs oraz obliczony na ich podstawie współczynnik tarcia Rf. Czarna ciągła linia obrazuje zmienność wartości średnich. Dla każdej z omawianych wielkości ustalono dodatkowo odchylenie standardowe SD. Na wykresie zmienności z głębokością Rf zaprezentowano dodatkowo szarą ciągłą linią medianę Rf, która na całym przebiegu głębokości jest mniejsza od wartości średniej Rf. Oznacza to, że na wszystkich poziomach głębokości uzyskiwane wartości Rf były w większości mniejsze od wartości średniej Rf. Rys. 4. Zestawienie wyników pomiarów CPTu: q c, f s i R f wraz z odchyleniem standardowym tych wielkości w odniesieniu do 42 sondowań statycznych Fig. 4. The CPTu results: q c, f s i R f, its mean and standard deviations obtained for series of 42 tests
Klasyfikacja gruntów zwałowych 35 Na Rys. 5 zamieszczono, na proponowanym nomogramie klasyfikacyjnym, wyniki przykładowego pojedynczego badania CPTu w gruncie zwałowym (kolor szary) oraz wyniki średnich wartości z 42 badań (kolor czarny). Każdy punkt odpowiada pojedynczej rejestracji qc i fs na konkretnej głębokości. Z uwagi na wzmocnienie powierzchniowe gruntu zwałowego wywołane obciążeniem technologicznym zgarniarkami pominięto początkowe wyniki pomiarów do głębokości 2 m. a) b) Rys. 5. Średnie wartości (kolor czarny) oraz losowo wybrane wartości z pojedynczego pomiaru (kolor szary) wyniki CPTu umieszczone na a) zaproponowanym nomogramie klasyfikacyjnym gruntów zwałowych; b) nomogramie Robertsona[11] Fig. 5. Mean values of CPT (black) together with values obtained from single CPT test (gray) presented in a) proposed classification nonogram for deposited mine waste b) Robertson s nonogram [11] Otrzymany podział jest pierwszym etapem zgrubnej interpretacji. Kolejnym krokiem jest stworzenie profilu. W omawianym przypadku miąższość całego piętra zwałowiska posiada cechy gruntu Rodzaju I, czyli ośrodka sypkiego, dla którego średnia wartość Rf wynosi 1,6%, przy średnim odchyleniu standardowym 1,5% (Rys.5a). Rozpoznanie zostało dodatkowo zaprezentowane na klasyfikacji Robertsona [11] (Rys.5b). Mimo, iż nomogram został skonstruowany dla gruntów naturalnych w przypadku analizowanych wyników potwierdził zaliczenie analizowanego profilu do gruntów sypkich zbliżonych do SBT5- sand mixtures; silty sand to sandy silt. 5. Podsumowanie Grunt zwałowy to bardzo niejednorodny ośrodek antropogeniczny. Kształtowanie fizyko-mechanicznych właściwości gruntu zwałowego odbywa się w długi
36 I. Bagińska, V. Frol, M. Kawa i skomplikowany sposób. Istotną rolę w tym procesie odgrywa skład litologiczny zdeponowanych gruntów, jako niejednorodne połączenie różnych gruntów rodzimych o odmiennych właściwościach wynikających ze zmiennego składu litologicznego. Ukształtowanie poszczególnych brył lub ławic gruntu w zwałowisku, posiadających zbliżony skład i rozmiar, jest przypadkowe, więc fizyko-mechaniczne właściwości takiego gruntu mają charakter losowy [13], [15]. Sondowania statyczne CPTu mogą być podstawą do zgrubnego ich podziału na jeden z rodzajów, co umożliwi tworzenia profilów badawczych. Użycie zaproponowanej klasyfikacji może dostarczyć wstępnej interpretacji wyników pomiarów, a w dalszym etapie być źródłem informacji o parametrze a charakteryzującym rodzaj gruntu w funkcji (1). Proponowane zgrubne rozpoznanie rodzaju gruntu zwałowego, w oparciu o nomogram gruntów zwałowych i zmienność parametru Rf, jest ważnym etapem interpretacyjnym pomiarów CPTu. W dalszym etapie dla wydzielonych stref o zbliżonym rodzaju można określić zmienności parametrów ośrodka gruntowego punktowymi miarami statystycznymi takimi jak: wartość oczekiwana, odchylenie standardowe i rozkład prawdopodobieństwa oraz funkcja korelacji, która dla zidentyfikowanej skali fluktuacji charakteryzuje zmienność przestrzenną parametrów. Miary te można wyznaczyć z danych pomiarowych CPTu [1]. Zidentyfikowane wartości można wykorzystać do generacji pól losowych w podejściach probabilistycznych (RFEM) [7] np. przy numerycznej ocenie niezawodności konstrukcji. BIBLIOGRAFIA 1. Bagińska I., Kawa M., Janecki W.: Estimation of spatial variability of lignite mine dumping ground soil properties using CPTu results. Studia Geotechnica et Mechanica 38 (3), 2016, s. 3-13. 2. Borecka A.: Właściwości gruntów zwałowych z KWB "Turów" oraz próba ich oceny na podstawie sondowań statystycznych, praca doktorska, 2007. 3. Borecka A.: Grunt zwałowy problemy w ocenie parametrów fizykomechanicznych. Geologos 11, 2007, s. 131 132. 4. Dmitruk S.: Zadania mechaniki gruntów w wymiarowaniu zwałowisk. Zeszyty Naukowe Politechniki Wrocławskiej, Budownictwo XXV, nr 116, Praca habilitacyjna, Wrocław, 1965.
Klasyfikacja gruntów zwałowych 37 5. Dmitruk S., Suchnicka H.: Geotechniczne zabezpieczenie wydobycia (w górnictwie odkrywkowym i na powierzchni). Skrypt Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 1976. 6. Drągowski A.: Charakterystyka i klasyfikacja gruntów antropogenicznych. Przegląd Geologiczny, vol. 58, nr 9/2, 2010, s. 868 872. 7. Fenton G. A., Vanmarcke E. H.: Simulation of random fields via local average subdivision. Journal of Engineering Mechanics, 116(8), 1990, s. 1733-1749. 8. Lunne T., Robertson P.K., Powell J.J.M.: Cone Penetration Testing in Geotechnical Practice. Blackie Academic & Professional, London,1997. 9. PN-B- 04452:2002 Geotechnika, badania polowe. 10. PN-EN ISO 22476-1:2013-03E Rozpoznanie i badania geotechniczne. Badania polowe. Część 1: Badanie sondą statyczną ze stożkiem elektrycznym lub stożkiem piezo-elektrycznym. 11. Robertson P. K.: Soil behaviour type from the CPT: an update. 2nd International Symposium on Cone Penetration Testing, USA, may 2010. 12. Rybicki S., Borecka A., Mościcki J.: Nowe wyniki sondowań statycznych na zwałowiskach KWB Turów Górnictwo Odkrywkowe 44, nr 4, 2002, s. 35-39. 13. Rybicki S., Woźniak H.: Struktura i geotechniczne właściwości wybranych gruntów antropogenicznych. Przegląd Geologiczny, vol. 58, nr 9/2, 2010, s. 926-933. 14. Tschuschke W.: Sondowania statyczne w odpadach poflotacyjnych. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2006. 15. Wysokiński L.: Rekultywacja terenów kopalni odkrywkowych i ich wykorzystanie budowlane, Przegląd Geologiczny, vol. 58, nr 9/2, 2010, s. 912-918.
38 I. Bagińska, V. Frol, M. Kawa KLASYFIKACJA GRUNTÓW ZWAŁOWYCH NA PODSTAWIE POMIARÓW SONDĄ CPTU Streszczenie Praca dotyczy klasyfikacji gruntów zwałowych z wykorzystaniem sondy CPTu. W oparciu o materiały literaturowe zaproponowano nomogram klasyfikacyjny gruntów zwałowych. Zastosowanie nomogramu pokazano na przykładzie wybranej grupy badań CPTU przeprowadzonych w gruntach zwałowych z obszaru centralnej Polski. Nakreślono dalsze kierunki pracy badawczej związanej z poszukiwaniem statystycznych miar zmienności parametrów gruntów zwałowych stosowanych do generacji pól losowych w podejściach probabilistycznych. CLASSIFICATION OF SOILS DEPOSITED AS MINE WASTES BASED ON CPTU TESTING RESULTS Summary The work deals with classification of deposited mine wastes using CPTu results. Based on the literature a classification nomogram for deposited mine wastes has been proposed. Usefulness of nomogram has been shown using the chosen results of CPTu tests from the central Poland. Future directions of research associated with identification of statistical measures of variability of deposited mine wastes parameters used for random field generation in probability approaches have been outlined.