4. Charakterystyka obszaru badań w świetle dotychczasowego stanu wiedzy
4.1 Poło żenie i zagospodarowanie terenu
Obszar badań administracyjnie położony jest w centralnej części województwa wielkopolskiego, w powiecie Poznań – gmina m. Poznań oraz częściowo w powiecie poznańskim – gminie Luboń. Teren badań stanowi centralna część dorzecza Strumienia Junikowskiego, gdzie obecnie znajduje się ponad 40 zbiorników wodnych będących wyrobiskami po eksploatacji dla celów budowlanych glin zwałowych i iłów warwowych. Eksploatacja surowców ceramicznych prowadzona była głównie w drugiej połowie XIX wieku i w pierwszej połowie XX wieku. Lokalizacja tego terenu zaznaczona została na fragmencie mapy topograficznej w skali 1: 50 000 (Ryc. 4.1).
Ryc. 4.1. Lokalizacja obszaru badań na tle fragmentu mapy topograficznej w skali 1:50 000, arkusz Poznań (N-33-130-D)
38 Obecnie, w bilansie zasobów kopalin znajduje się tylko złoże „Kotowo” jako złoże surowców ilastych, których eksploatacja została zakończona w 1986 roku ze względu na wyeksploatowanie kopaliny, a wyrobiska poeksploatacyjne zostały zalane wodą (Krzak et al. 2005). Złoże to zostało zakwalifikowane jako konfliktowe na Mapie Geośrodowiskowej Polski w skali 1:50 000, ponieważ obecnie obszar ten stanowi użytek ekologiczny „Kopanina I i II” (Ryc. 4.2).
Ryc. 4.2. Obszar badań na tle fragmentu Mapy Geośrodowiskowej Polski (II), Plansza A, w skali 1:50 000, arkusz Poznań (471)
Złoże „Kotowo” udokumentowano w 1983 roku, w kategorii C1 z jakością kopaliny kategorii B. Złoże to składa się z dwóch pól: A o powierzchni 4,93 ha
39 i miąższości 0,6 – 7,8 m i B – 1,78 ha i 2,0 – 4,6 m. Występujące tu iły warwowe w zasadzie nie wymagające „schudzania” stanowią podstawowy surowiec do produkcji cegły pełnej (Paprocka, Bujalska 1983 vide Krzak et al. 2005).
Oprócz cegielni „Kotowo” iły warwowe i gliny zwałowe eksploatowane były przez inne nieczynne cegielnie: „Rudnicze”, „Fabianowo”, „Junikowo” „Świerczewo”
i „Żabikowo”. Zabudowania nieczynnych cegielni zostały częściowo zaadaptowane dla celów handlowych niezwiązanych z przetwórstwem kopalin. Po zakończeniu eksploatacji powstałe wyrobiska zostały częściowo zasypane, a ich tereny stanowią obecnie działki ogrodowe, nieużytki i łąki (Fot. 4.1). Pozostałe wyrobiska mające połączenie ze Strumieniem Junikowskim, który jest lewym dopływem Warty, wypełniły się wodą (Kaniecki et al. 1995).
Prostopadle do Strumienia Junikowskiego, w centralnej części zastoiska, przebiega droga krajowa nr 5 (fragment ul. Głogowskiej – Ryc. 4.1). Przez ostatnie lata teren ten jest porządkowany i zagospodarowywany. Na obszarze „glinianek”, od strony Świerczewa został w 2013 r. utworzony park i stopniowo wykonywane są kolejne alejki spacerowe. Z kolei, największy Staw Nowakowski o powierzchni 15 ha został zarybiony a wokół niego wydzielono i ogrodzono teren rekreacyjny o nazwie „Łowisko Szachty”.
Fot. 4.1. Widok na Staw Nowakowski i cegielnię „Kotowo”
40 4.2 Budowa geomorfologiczna
Omawiany obszar według podziału Polski na regiony fizycznogeograficzne Kondrackiego (2011) leży w obrębie makroregionu: Pojezierze Wielkopolskie (315.5), mezoregionu: Pojezierze Poznańskie (315.51), mikroregionu: Równina Poznańska (315.516) (Ryc.4.3). Równina Poznańska stanowi fragment wysoczyzny morenowej ograniczonej od południa Pojezierzem Stęszewskim (315.515), od północy Wzgórzami Owińsko – Kierskimi (315.517), od wschodu rynną Jeziora Niepruszewskiego (Równina Opalenicka – 315.514) i zachodu doliną Warty (Poznański Przełom Warty – 315.52).
Ryc. 4.3. Podział fizycznogeograficzny obszaru Wielkopolski na makroregiony i mikroregiony (Kondracki 2011)
Teren ten, według podziału geomorfologicznego Krygowskiego (1961), położony jest w środkowej części Niziny Wielkopolskiej w obrębie Wysoczyzny Poznańskiej. Jest to obszar zdenudowanej wysoczyzny morenowej zlodowacenia bałtyckiego, która została rozcięta rynną glacjalną. Od północy, do doliny Strumienia Junikowskiego przylega sandr junikowski, a od południowego – wschodu terasy Warty (Ryc. 4.4).
41 Rynna glacjalna stanowi tutaj formę erozyjno – akumulacyjną o wysokościach bezwzględnych 65,0 – 76,0 m n. p. m. i przebiega z północnego – zachodu na południowy – wschód. Forma ta została wypreparowana w podłożu wysoczyzny pomiędzy fazą leszczyńską a fazą poznańską w czasie zlodowacenia północnopolskiego. W powstałym nieckowatym zagłębieniu sedymentowały osady zastoiskowe (w tym iły warwowe; Józefowicz 1972). W holocenie, zgodnie z kierunkiem rynny glacjalnej, utworzyła się dolina Potoku Junikowskiego.
Obecnie, głównym elementem rzeźby w obrębie tej jednostki są wyrobiska poeksploatacyjne, które w miarę upływu lat zostały wypełnione wodą.
Ryc. 4.4. Obszar zlewni Strumienia Junikowskiego na tle fragmentu Mapy Geomorfologicznej Niziny Wielkopolsko – Kujawskiej autorstwa Krygowskiego w skali 1:300 000 (Krygowski 1961 vide Karczewski et al. 2007, zmodyfikowana)
4.3 Budowa geologiczna
Obszar badań leży na południowo – wschodnim skrzydle wypiętrzenia krakowsko – wieluńskiego zbudowanego z górnokredowych wapieni marglistych i margli. Strop utworów kredy zalega na głębokości około 200 metrów (Józefowicz 1972). Na kredzie spoczywają młodsze utwory paleogeńsko – neogeńskie.
42 Paleogen – Neogen
Paleogen stanowią osady oligocenu, głównie pochodzenia morskiego, wykształcone w postaci serii piasków, mułków, iłów, węgli brunatnych i piasków glaukonitowych (Ryc. 4.5). Utwory neogenu reprezentowane są przez miocen i pliocen.
W miocenie sedymentowała formacja burowęglowa z kilkoma miąższymi pokładami węgla brunatnego, która powstawała w środowisku jeziornym i okresowo bagiennym.
Pliocen wykształcony jest w postaci serii iłów i iłów mułkowatych szaroniebieskich lub szarozielonych oraz pstrych iłów poznańskich. Miąższość iłów plioceńskich waha się od około 110 m w strefie rowu poznańskiego do około 30 – 40 m na jego skrzydłach. Lokalnie, erozja subglacjalna usunęła lub zredukowała iły serii poznańskiej do kilkumetrowej miąższości. Z kolei, w miejscach zaburzeń tektonicznych można je spotkać w strefie przypowierzchniowej (Chmal 1997).
Ryc. 4.5. Fragment przekroju geologicznego przebiegającego na północny – zachód od obszaru badań (Szczegółowa mapa geologiczna Polski w skali 1:50 000, arkusz Poznań, 471)
43 Czwartorzęd
Utwory czwartorzędowe zalegają na iłach mioceńsko – plioceńskich i mają miąższość od kilku do około 80 metrów. Najstarsze osady czwartorzędowe na omawianym terenie pochodzą z okresu zlodowaceń środkowopolskich (Ryc. 4.5 i 4.6).
Gliny zwałowe zlodowaceń środkowopolskich (na ryc. 4.5 i 4.6 oznaczone numerem 38) o charakterystycznej ciemnoszarej barwie są mocno skonsolidowane oraz bardziej spoiste od młodszych glin zlodowacenia północnopolskiego. Gliny zlodowaceń środkowopolskich przykryte są warstwą glin zwałowych zlodowacenia północnopolskiego o miąższości na ogół nieprzekraczającej 5 m (na ryc. 4.5 i 4.6 oznaczone numerem 33). Na glinach zalega seria osadów lodowcowych fazy leszczyńskiej o zmiennej miąższości o maksymalnej miąższości 15 – 20 m, w postaci – piasków drobnych, średnich oraz żwirów i pospółek (na ryc. 4.5 i 4.6 oznaczone numerem 32) (Flieger 2006; Flieger-Szymańska, Machowiak 2010).
Na tych warstwach, młodsze stratygraficznie, zalegają iły i mułki zastoiskowe (wśród nich warwowe, na ryc. 4.5 i 4.6 oznaczone numerem 28) o maksymalnej miąższości 10 – 15 m, które osadzały się w rynnie polodowcowej pomiędzy fazą leszczyńską a fazą poznańską zlodowacenia bałtyckiego. Sedymentacja iłów warwowych nie byłaby możliwa w rynnie Junikowo – Kotowo, gdyby w czasie fazy poznańskiej martwy lód transgresji leszczyńskiej nie wypełniał jeszcze obniżenia Warty (Chmal 1997). Na iłach i mułkach zastoiskowych (w tym warwowych) zalegają utwory fluwioglacjalne – piaski i żwiry wodnolodowcowe poziomu sandrowego fazy poznańskiej (na ryc. 4.5 i 4.6 oznaczone numerem 23), które są efektem akumulacji materiału z wód płynących (Flieger 2006; Flieger-Szymańska, Machowiak 2010).
Utwory holocenu spotykane są w dnach współczesnych dolinek w postaci utworów akumulacji bagiennej i rzecznej. Wśród nich dominują namuły piaszczyste (na ryc. 4.5 i 4.6 oznaczone numerem 2) oraz torfy (na ryc. 4.6 oznaczone numerem 4) (Flieger op. cit.).
44 Ryc. 4.6. Fragment Szczegółowej mapy geologicznej Polski w skali 1:50 000, arkusz Poznań (471)
4.4 Wody powierzchniowe i warunki hydrogeologiczne
4.4.1 Wody powierzchniowe
Strumień Junikowski jest lewobrzeżnym dopływem rzeki Warty o długości 11,7 km, prawie w całości płynącym przez teren Poznania (z wyjątkiem odcinka przyujściowego, o długości 3,3 km, znajdującego się w mieście Luboń). Powierzchnia całej zlewni Strumienia Junikowskiego wynosi około 48,4 km2. Obszar źródliskowy Potoku Junikowskiego znajduje się na terenie lotniska Ławica. Prawobrzeżnymi dopływami strumienia są następujące cieki: Ławica (o długości 2,3 km), Skórzynka (o długości 8,7 km), Plewianka (o długości 4,8 km), Kotówka (o długości 1,7 km)
45 i Żabinka (o długości 1,8 km). Jedynym lewobrzeżnym dopływem jest Ceglanka o długości 2,6 km (Konieczny et al. 1970). W miejscu dawnych wyrobisk cegielnianych, w środkowym biegu Strumienia Junikowskiego, zlokalizowanych jest kilkanaście zbiorników poeksploatacyjnych, z których największe to: Staw Nowakowski (o powierzchni 15 ha), Staw Baczkowski (o powierzchni 10,3 ha), Staw Rozlany (o powierzchni 11,7 ha) i Staw Świerczewo (o powierzchni 6,7 ha), a najmniejszym jest Staw Majchrzaka (o powierzchni 0,7 ha) (Kaniecki et al. 1995).
Misy zbiorników powyrobiskowych charakteryzują się na ogół płaskim dnem, które oddzielone jest od brzegów stromo nachylonymi stokami. Ich brzegi porastają trzciny i sitowia. Rzadko widoczna jest inna roślinność. Powstałe stawy poeksploatacyjne zasilane są głównie wodami pierwszego i drugiego poziomu wodonośnego piętra czwartorzędowego (Kaniecki op. cit.).
4.4.2 Warunki hydrogeologiczne
Piętro wodonośne w utworach czwartorzędu
Pierwszy poziom wodonośny (poziom wód gruntowych), mający kontakt hydrauliczny z wodami powierzchniowymi, występuje w stropowej partii spiaszczonych glin zwałowych (w eluwiach) lub w piaskach sandrowych na wysoczyźnie, a w obrębie samej doliny Strumienia Junikowskiego w namułach piaszczystych den dolinnych (Chmal 1997). Lustro wody pierwszego poziomu wodonośnego znajduje się na głębokości od około 0,5 m p. p. t. (w dolinie) do nawet poniżej 5 m p. p. t. (na wysoczyźnie). Wody w stawach powyrobiskowych odzwierciedlają płytki poziom występowania zwierciadła wód gruntowych w tym rejonie. Równocześnie wody gruntowe tego poziomu występują w obrębie aluwiów doliny rzeki Warty i zasilają one częściowo ujęcie wody na Dębinie (Niećko et al.
2001).
Drugi poziom wodonośny występuje w środkowej części Strumienia Junikowskiego pomiędzy iłami warwowymi a gliną zwałową zlodowacenia północnopolskiego, czyli w piaskach i żwirach wodnolodowcowych górnych fazy leszczyńskiej. Są to wody o zwierciadle napiętym. Wyeksploatowanie lub znaczne zmniejszenie miąższości iłów warwowych spowodowało, że wody z tego poziomu swobodnie zasilają zbiorniki powyrobiskowe, które w większości są bezodpływowe lub okresowo bezodpływowe (Konieczny et al. 1970; Flieger 2006).
46 Na południe od omawianego obszaru przebiega Wielkopolska Dolina Kopalna, stanowiąca główny zbiornik wód podziemnych GZWP nr 144, z której pobierane są wody wgłębne piętra czwartorzędowego. Wody te występują w piaskach i żwirach zalegających pod glinami lodowcowymi zlodowacenia środkowopolskiego.
Czwartorzędowe piętro wodonośne podścielają iły serii poznańskiej górnego miocenu (Flieger 2006; Chmal 1997).
Piętro wodonośne w utworach paleogeńsko – neogeńskich
Główny poziom użytkowy paleogeńsko – neogeńskiego piętra wodonośnego występuje na obszarze Poznania w utworach mioceńskich. Eksploatacja wód poziomu mioceńskiego prowadzona jest intensywnie na wschodnich i zachodnich krańcach miasta, głównie dla potrzeb przemysłu.
Górną część profilu paleogeńsko – neogeńskiego stanowią utwory niewodonośne izolujące (mułki i pstre iły poznańskie). Poniżej zalega seria piasków drobnych i pylastych przewarstwiona iłami i węglami brunatnymi tzw. formacji burowęglowej miocenu. Utwory piaszczyste miocenu, a lokalnie oligocenu tworzą użytkowe poziomy wodonośne. Zwierciadło wód poziomu mioceńskiego występuje na rzędnych 60 – 70 m n.p.m. pierwotnie występowało ono znacznie wyżej, co tworzyło warunki artezyjskie w wielu rejonach Poznania (Konieczny et al. 1970; Flieger 2006).
47
5. Metody badań
5.1 Badania terenowe
W jeziorze zastoiskowym istniejącym w okresie zlodowaceń w dolinie Strumienia Junikowskiego osadzały się zarówno osady niewarstwowane (iły zastoiskowe), jak i osady warstwowane (iły warwowe). Ze względu na planowaną metodykę badań laboratoryjnych (m. in. plan rozdzielania warw na warstwy jasne i ciemne), po wcześniejszym, dokładnym rozpoznaniu terenu, wytypowane zostały 3 obszary do poboru próbek takich iłów, w których została wykształcona wyraźnie laminacja.
Obszary te zostały zaznaczone na mapie dokumentacyjnej w skali 1: 10 000 (Ryc. 5.1).
Ryc. 5.1. Mapa dokumentacyjna obszaru badań w skali 1: 10 000 (podkład z wycinków map topograficznych w skali 1:10 000 – arkusz Poznań Grunwald N-33-130-D-c-2 i arkusz Luboń N-33-130-D-c-4)
48 Próbki gruntu do badań laboratoryjnych zostały pobrane za pomocą wierceń, i z odsłonięć, w przedziale głębokości 0,5 – 5 m p. p. t. W terenie pobrano zarówno próbki o naruszonej strukturze, w celu sporządzenia z nich past gruntowych, jak i próbki o nienaruszonej strukturze kategorii A o klasie jakości 1, które zostały pobrane do metalowych cylindrów oraz w formie większych brył gruntu z zachowaną strukturą występującą in situ. Bryły te jednocześnie zostały zabezpieczone przed utratą wilgotności i naruszeniem struktury. Próbki o nienaruszonej strukturze zostały pobrane w taki sposób, aby spełniały założenia polskiej normy PN-EN 1997-2:2009. Norma ta wyróżnia 3 kategorie metod pobierania próbek, w zależności od ich zakładanej jakości. Dla planowanej metodyki badań konieczne było pobranie próbek kategorii A o klasie jakości 1, tzn. że w trakcie procedury pobierania prób lub sposobu postępowania z nimi, nie występuje żadne, albo też występuje drobne naruszenie struktury, przy czym wilgotność i wskaźnik porowatości gruntu odpowiada wilgotności i wskaźnikowi porowatości in situ według PN-EN 1997-2:2009. Nie może również wystąpić żadna zmiana składników lub składu chemicznego gruntu. Tak pobrany materiał posłużył w laboratorium do wycinania próbek o następujących rozmiarach 10 x 10 x 2,5 cm oraz 5 x 10 cm, które kolejno zostały wykorzystane do oznaczania wartości parametrów wytrzymałościowych.
W trakcie prac terenowych przeprowadzono na bieżąco analizę makroskopową gruntu zgodnie z treścią normy PN-88/B-04481, która obejmowała określenie rodzaju i nazwy gruntu, barwy, wilgotności i stanu gruntu. Iły warwowe charakteryzują się barwą od jasnoszarej do ciemnoszarej. Często, w strefie przypowierzchniowej, mają plamy brązowe (przebarwienia), co związane jest z procesami wietrzeniowymi, które powodują zatarcie warstwowej budowy, odwapnienie oraz zmianę barwy z szarej na brązową. Pobrane próby gruntów charakteryzowały wilgotności odpowiadające stanom twardoplastycznemu i plastycznemu.
Wykonano dokumentację fotograficzną stanowisk badawczych (Fot. 5.1 – 5.5).
Opisano szczegółowo odsłonięcie w skarpie przy Stawie Nowakowskim na obszarze stanowiska badawczego nr 1 (Ryc. 5.1, Fot. 5.1), gdzie zostały wykonane pomiary miąższości widocznych warstw jasnych i ciemnych w przedziale głębokości od około 1,80 do około 3,65 m p. p. t. oraz pobrano próbki do określenia składu mineralnego frakcji iłowej. Pomiary te zestawiono w tabeli 5.1. Przedział miąższości w omawianym odsłonięciu wynosi dla warstw jasnych od około 0,6 do około 21,0 cm a dla warstw
49 ciemnych od około 0,3 do około 2,5 cm, przy czym średnia miąższość warstwy jasnej to 4,8 cm, a ciemnej 1,3 cm. W profilu pionowym w przedziale głębokości od około 1,80 do około 3,65 m p. p. t. (185 cm) łączna miąższość warstw jasnych wynosi około 145 cm, tj. 78,6 %, a warstw ciemnych około 40 cm, tj. 21,4 %.
Tab. 5.1. Zestawienie pomiarów miąższości warstw jasnych i ciemnych w odsłonięciu na obszarze stanowiska badawczego nr 1
Głębokość
50 Fot. 5.1. Odsłonięcie iłów warwowych na obszarze stanowiska badawczego nr 1
Fot. 5.2. Odsłonięcie iłów warwowych na obszarze stanowiska badawczego nr 2
51 Fot. 5.3. Widoczne w powiększeniu warstwowanie iłów warwowych w odsłonięciu na obszarze stanowiska badawczego nr 2
Fot. 5.4. Odsłonięcie iłów warwowych na obszarze stanowiska badawczego nr 3
52 Fot. 5.5. Widoczne w powiększeniu warstwowanie iłów warwowych w odsłonięciu na obszarze stanowiska badawczego nr 3
5.2 Badania laboratoryjne
Program badań laboratoryjnych objął oznaczenie:
− składu granulometrycznego gruntów,
− składu mineralnego frakcji iłowej,
− wartości wilgotności w1,
− wartości gęstości objętościowych gruntu ρ,
− wartości gęstości objętościowych szkieletu gruntowego ρd,
− wartości granicy plastyczności wp,
− wartości granicy płynności wL,
− wartości parametrów wytrzymałościowych w aparacie bezpośredniego ścinania (skrzynkowym),
− wartości parametrów wytrzymałościowych w aparacie trójosiowym, które omówiono poniżej w podrozdziałach.
5.2.1 Skład granulometryczny
Analiza granulometryczna gruntu zastała wykonana za pomocą analizy areometrycznej, której opis procedury zawiera Polska Norma PN-R-04032.
Analizę areometryczną wykonano za pomocą areometru Prószyńskiego. Polega ona na porównaniu gęstości zdyspergowanej zawiesiny glebowej z roztworem
53 porównawczym podczas procesu sedymentacji gruntów doprowadzonych do postaci zawiesiny. Odczyty gęstości zawiesiny dokonuje się po upływie odstępów czasowych mierzonych od momentu wytworzenia zawiesiny zgodnie z treścią tablic Prószyńskiego (PN-R-04032). Czas ten zależy od temperatury zawiesiny i roztworu oraz składu granulometrycznego próbki.
Łącznie wykonano 37 analiz areometrycznych, w tym 12 oznaczeń dla próbek gruntów z warstw jasnych, 11 oznaczeń dla próbek gruntów z warstw ciemnych oraz 14 oznaczeń z próbek monolitycznych (nierozdzielonych na warstwy jasne i ciemne).
Wyniki badań przedstawiono tabelarycznie i graficznie na trójkącie klasyfikacyjnym (trójkącie Fereta) zgodnie z normą PN-86/B-02480 oraz w postaci krzywych uziarnienia. Dodatkowo, poglądowo w załączniku 1 przedstawiono wyniki badań składu granulometrycznego na trójkącie klasyfikacyjnym według normy PN-EN ISO 14688-2:2006.
5.2.2 Skład mineralny frakcji iłowej
Do badań składu mineralnego frakcji iłowej zastosowano metodę proszkowej analizy rentgenowskiej przy użyciu rentgenografu Thermo Electron (model ARL X’tra) a do opracowania dyfraktogramów i analizy jakościowej zastosowano oprogramowanie Win XRD. Zakres kątowy badań na podstawie dyfraktogramów, wynosił 3 – 30°
przy kroku – 0,02. Wstępne wyniki badań składu mineralnego frakcji ilastej zostały przedstawione w publikacji Flieger-Szymańskiej et al. (2012).
Wszystkie analizowane próbki frakcji ilastej zostały podzielone na dwie frakcje
< 0,2 μm i < 2 μm. Do analizy rentgenowskiej sporządzono z nich po 3 preparaty:
w stanie naturalnym, po nasyceniu glikolem etylenowym i po prażeniu w temperaturze 550°C.
Do identyfikacji składu mineralnego frakcji ilastej pobrano łącznie 10 próbek gruntu. Wykonano 6 analiz na próbkach gruntów z warstw jasnych i 4 analizy na próbkach gruntów z warstw ciemnych.
5.2.3 Wilgotność gruntu
Wilgotność w to stosunek wody wolnej lub wody w porach w danej masie gruntu, do masy suchych stałych cząstek gruntu zgodnie z normą PKN-CEN ISO/TS 17892-1:2009. Próbki gruntu umieszczone w parowniczkach, waży się i umieszcza w suszarce
54 utrzymującej temperaturę 105 – 110°C przez okres 16 – 24 h. Po wysuszeniu próbek do stałej masy waży się je ponownie.
Wilgotność w oblicza się ze wzoru:
w =
m1 – masa parowniczki i próbki w stanie wilgotnym [g];
m2 – masa parowniczki i próbki w stanie suchym [g];
mc – masa pustej parowniczki [g];
mw – masa wody w gruncie [g];
md – masa suchych stałych cząstek gruntu [g].
Oznaczenia wilgotności gruntów wykonano dla wszystkich wykorzystanych próbek gruntów do badań w aparacie skrzynkowym i aparacie trójosiowym.
Łącznie oznaczono wartości wilgotności dla 47 próbek gruntu, w tym dla próbek klasy A, kategorii 1 – 25 oznaczeń i dla próbek preparowanych przygotowanych z past gruntowych – 22 oznaczenia.
5.2.4 Gęstość objętościowa gruntu, gęstość objętościowa szkieletu gruntowego, porowatość, wskaźnik porowatości
Wartości gęstości objętościowych gruntów ρ i gęstości objętościowych szkieletu gruntowego ρd zostały oznaczone dla każdej próbki przygotowanej do badań parametrów wytrzymałościowych, tj. łącznie dla 47 próbek gruntu, w tym dla próbek klasy A, kategorii 1 – 25 oznaczeń i dla próbek preparowanych (z past gruntowych) – 22 oznaczenia. Do badania wykorzystano metodę pomiaru bezpośredniego zgodnie z normą PKN – CEN ISO/TS 17892-2:2009.
Gęstość objętościową gruntu ρ definiowaną, zgodnie z PKN-CEN ISO/TS 174892-2:2009, jako masę gruntu lub skały, wraz z wodą i gazami w niej zawartymi, w jednostce objętości obliczono ze wzoru:
ρ = V
m[g/cm3], (5.2)
gdzie:
m – masa próbki gruntu [g];
V – objętość próbki gruntu [cm3].
55 Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego ρd definiowaną jako masę wysuszonego w suszarce gruntu w jednostce objętości (PKN-CEN ISO/TS 174892-2:2009) obliczono na podstawie wzoru:
Mając oznaczone w laboratorium wartości gęstości objętościowych gruntów ρ i wartości gęstości objętościowych szkieletu gruntowego ρd obliczono również dla badanych próbek gruntu porowatość n i wskaźnik porowatości e. Do obliczeń przyjęto wartości gęstości właściwej szkieletu gruntowego ρs(n)
zgodnie z Polską Normą PN-81/B-03020.
Porowatość całkowita n rozumiana jako stosunek objętości porów w próbce gruntu do jej całkowitej objętości została obliczona ze wzoru:
n =
ρd – gęstość objętościowa szkieletu gruntowego [g/cm3].
Wskaźnik porowatości e to stosunek objętości porów do objętości szkieletu gruntowego, obliczono z poniższego wzoru:
e =
ρd – gęstość objętościowa szkieletu gruntowego [g/cm3].
5.2.5 Granica plastyczności, granica płynności, wskaźnik plastyczności, stopień plastyczności , wskaźnik konsystencji
Granice plastyczności i płynności zostały oznaczone w laboratorium zgodnie z Polską Normą PN-88/B-04481.
56 Granica plastyczności wp to wilgotność w % jaką ma próbka gruntu poddana dużym odkształceniom plastycznym, gdy przy kolejnym wałeczkowaniu, uformowany wałeczek pęka, przed osiągnięciem średnicy 3 mm. Łącznie wykonano 24 oznaczenia granicy plastyczności.
Granicę plastyczności oblicza się ze wzoru:
wp =
m1 – masa parowniczki z wałeczkami w stanie wilgotnym [g];
m2 – masa parowniczki z wałeczkami w stanie suchym [g];
mt – masa parowniczki [g].
Jako wynik ostateczny przyjmuje się średnią arytmetyczną wartości z dwóch oznaczeń.
Do oznaczenia granicy płynności wL zastosowano metodę Casagrande’a, której procedura opisana jest w Polskiej Normie PN-88/B-04481. Do badań wykorzystano elektryczny aparat Casagrande’a typu APG-3a. Granica płynności to wilgotność pomiędzy stanem miękkoplastycznym, a płynnym pasty gruntowej. Przy wykorzystaniu metody Casagrande’a granica płynności wL rozumiana jest jako wilgotność w [%], jaką ma pasta gruntowa umieszczona w miseczce aparatu Casagrande’a, w momencie, gdy wykonana w niej bruzda zlewa się przy 25 uderzeniu miseczki o podstawę, na długości 10 mm i wysokości 1 mm (PN-88/B-04481).
Łącznie wykonano 24 oznaczenia, w tym 10 na pastach z warstw jasnych, 10 na pastach z warstw ciemnych i 4 na pastach mieszanych z warstw jasnych i ciemnych.
W celu określenia konsystencji i stanów fizycznych gruntu obliczono wartości stopnia plastyczności IL i wartości wskaźnika konsystencji IC zgodnie z treścią normy PN-86/B-02480 i PN-EN ISO 14688-2.
Stopień plastyczności IL obliczono ze wzoru:
],
57 wL – granica płynności [%];
Ip – wskaźnik plastyczności [%].
Wskaźnik konsystencji IC obliczono ze wzoru:
], przy przejściu ze stanu półzwartego w stan płynny obliczono ze wzoru:
Ip = wL – wp [%], (5.9)
gdzie:
wp – granica plastyczności [%];
wL – granica płynności [%].
Nawiązując do informacji podanych w rozdziale 1.4, do wyróżnienia konsystencji i stanów gruntów, konsekwentnie będzie używana wartość stopnia plastyczności IL
(wg PN-86/B-02480), a tylko w celach informacyjnych będzie podawana wartość wskaźnika konsystencji IC (wg PN-EN ISO 14688-2).
5.2.6 Wytrzymałość na ścinanie oznaczona w aparacie bezpośredniego ścinania Wytrzymałość gruntu na ścinanie to opór, jaki stawia grunt naprężeniom stycznym (ścinającym) w rozpatrywanym punkcie ośrodka. Po pokonaniu oporu ścinania następuje poślizg pewnej części gruntu w stosunku do pozostałej (Wiłun 2005).
Badania wytrzymałości na ścinanie wykonano w aparacie bezpośredniego ścinania 27-T2160 (firmy Wykeham Farrance), w którym w sposób całkowicie automatyczny wykonuje się próby ścinania bezpośredniego (Fot. 5.6). Badania te przeprowadzono w oparciu o treść normy PKN-CEN ISO/TS 17892-10 na próbkach o nienaruszonej strukturze – klasy A, kategorii 1 (zwane dalej próbkami A.1).
58 Próbki A.1 były wycinane do badań, z pobranych w terenie brył gruntu, oddzielnie z warstw jasnych i warstw ciemnych.
Oznaczenia wytrzymałości na ścinanie przeprowadzono również na próbkach o całkowicie zaburzonej strukturze zwanych dalej próbkami preparowanymi –
Oznaczenia wytrzymałości na ścinanie przeprowadzono również na próbkach o całkowicie zaburzonej strukturze zwanych dalej próbkami preparowanymi –