STRESZCZENIE
Namuły stanowią specyficzną grupę gruntów, cechującą się właściwościami charakterystycznymi zarówno dla gruntów mineralnych, jak i wysokoorganicznych, np.
torfów, gdyż ich szkielet gruntowy może zawierać od 5% do 30% substancji organicznych [1]. Wiąże się z tym ich wyjątkowo duża odkształcalność pod wpływem obciążenia i mała wytrzymałość na ścinanie w porównaniu z gruntami mineralnymi, stąd też grunty te najczęściej traktowane są jako grunty słabe, co zdaniem autora nie w każdym przypadku jest właściwe. Dlatego w niniejszej pracy podjęto tematykę badań lokalnie występującego namułu w aspekcie określenia jego właściwości odkształceniowych poprzez wyznaczenie edometrycznych modułów ściśliwości i odprężenia.
Badania przeprowadzono wyłącznie na próbkach o nienaruszonej strukturze, wykorzystując w tym celu zespół niezależnych edometrów sprzężonych z automatycznym systemem gromadzenia danych GEOLAB. Analizując wyniki badań, podjęto próby ustalenia zależności pomiędzy wartościami uzyskanych modułów a przyrostem naprężeń normalnych w zakresie od 0 do 400 kPa. Z uwagi na charakterystyczne właściwości badanego ośrodka gruntowego, określono również współczynniki zmienności oznaczanych parametrów.
SŁOWA KLUCZOWE: namuły, grunty organiczne, edometryczny moduł ściśliwości pierwotnej, edometryczny moduł ściśliwości wtórnej, edometryczny moduł odprężenia.
1. WPROWADZENIE
Grunty organiczne, w tym namuły, charakteryzują się wyjątkowo dużą odkształcalnością, mniejszymi w porównaniu z gruntami mineralnymi wartościami parametrów wytrzymałościowych oraz małą homogenicznością nawet na poziomie lokalnym.
Właściwości te stanowią istotną przeszkodę w zagospodarowywaniu obszarów do celów budowlanych. Posadowienie obiektów budowlanych i konstrukcji inżynierskich na terenach, gdzie zalegają grunty organiczne, stwarza szereg problemów, z których najistotniejszymi są duże pionowe i poziome odkształcenia podłoża, pojawiające się podczas trwania budowy, jak ______________________
1 gstraz@prz.edu.pl
i po jej zakończeniu. Mimo że grunty te są wyjątkowo trudnym i skomplikowanym medium badawczym, stanowią przedmiot zainteresowań wielu badaczy między innymi w kierunku opracowania modeli do szacowania osiadań tego typu podłoża [2,3,4,5]. Obecnie coraz częściej podejmowane są próby eksploracji terenów, gdzie zlokalizowane są grunty słabonośne, głównie z uwagi na fakt, iż typowe grunty budowlane, szczególnie na obszarach dużych metropolii czy ośrodków przemysłowych, stały się bardzo deficytowe, co potwierdza potrzebę prowadzenia odpowiednich badań i nadaje im aspekt praktyczny.
Posadowienie na terenach, na których zalegają grunty słabonośne z punktu widzenia technicznego, obecnie nie jest problemem. Problem zasadniczy stanowią jednak koszty, które szczególnie w przypadku inwestora indywidualnego o niewielkim budżecie często są nie do udźwignięcia. Dlatego zaistniała sytuacja wymaga podjęcia działań, których skutkiem może być sprowadzenie fundamentowania obiektów do stosunkowo taniego posadowienia bezpośredniego. Oczywiście należy przeprowadzić selekcję przypadków, dla których byłoby to możliwe na podstawie indywidualnie określanych i szacowanych ze szczególną ostrożnością wartości parametrów geotechnicznych podłoża. Dlatego w pracy przedstawiono zagadnienia dotyczące określania możliwości odkształceniowych lokalnie występującego słabonośnego gruntu organicznego – namułu rzeszowskiego.
2. METODYKA BADAŃ
Badania laboratoryjne mające na celu oszacowanie wartości parametrów odkształceniowych wybranej warstwy namułu przeprowadzono w oparciu o następujące założenia:
Próbki do badań pobrano z jednakowej głębokości – 0,8m p.p.t., czyli ze środka warstwy namułu, prostopadle do warstwy.
Każda z próbek została poddana badaniom laboratoryjnym w identycznych warunkach jak pozostałe.
Zawartość części organicznych w próbkach zawierała się w zakresie od 9,73% do 11,76%, wilgotność naturalna od 33,32% do 39,96% a gęstość objętościowa od 1,60t/m3 do 1,78 t/m3.
Wszystkie badania wybranego namułu z Rzeszowa przeprowadzono na próbkach o nienaruszonej strukturze NNS o średnicy 65mm i wysokości 20mm [6,7,8].
Przeprowadzono 15 pełnych cykli badawczych w edometrach sprzężonych z automatycznym systemem gromadzenia danych GEOLAB.
Obciążenie w edometrach zadawano w zakresie wywołującym naprężenia normalne od 0 do 400kPa, a kolejne stopnie różniły się o 12,5kPa, 25kPa, 50kPa, 100kPa oraz 200kPa.
Po zadaniu maksymalnego przewidzianego obciążenia i ustabilizowaniu osiadań, próbki poddano procesowi odciążania i obciążania wtórnego zgodnie z normą [6].
Ze względu na fakt, iż warstwa badanego namułu usytuowana była poniżej lokalnego zwierciadła wody gruntowej założono, że próbki znajdują się w stanie pełnego nasycenia i w trakcie badań zabezpieczono je przed utratą wilgotności.
Przed badaniem próbki nie były poddawane wstępnej konsolidacji.
W badaniach nie uwzględniono odkształceń własnych edometrów.
Należy zaznaczyć, iż pozyskanie próbek o nienaruszonej NNS gruntów organicznych ze względu miejscowe warunki gruntowo-wodne oraz ich odkształcalność jest bardzo trudne oraz czasochłonne. Problemy związane z pozyskaniem próbek o nienaruszonej strukturze do badań laboratoryjnych z lokalnie występujących gruntów organicznych: torfów i namułów autor przedstawił szczegółowo w publikacjach związanych z niniejszą tematyką [7,8].
3. WYNIKI BADAŃ
Prawidłowe oszacowanie odkształcalności podłoża zbudowanego z namułu jest bardzo trudne, głównie z uwagi na genezę tych gruntów, różną zawartość substancji organicznych w budowie ich szkieletu oraz szereg procesów destrukcyjnych działających na grunt w zależności od lokalnych warunków gruntowo-wodnych, np. mineralizacji czy humifikacji wtórnej [9,10].
Całkowity proces osiadania jest bardzo skomplikowany, gdyż jest sumą osiadań składowych w postaci początkowego, konsolidacyjnego i wtórnego osiadania gruntu. Sytuację dodatkowo komplikuje fakt, iż wszystkie te czynniki mogą wystąpić jednocześnie, a towarzyszący osiadaniom proces pełzania zależy od wyjątkowo trudnych do określenia właściwości reologicznych gruntu organicznego [11]. Bardzo istotną rolę odgrywa również czas trwania całego procesu osiadania, który wskutek efektu pełzania może być bardzo długi i jest zależny od stopnia nasycenia gruntu wodą. Dlatego w celu określenia parametrów charakteryzujących odkształcalność pod wpływem obciążenia gruntów organicznych, w tym przypadku namułu, przeprowadza się laboratoryjne badania edometryczne, mimo że z uwagi na złożoność procesu w pełni nie odzwierciedlają one przebiegu osiadania gruntu w naturze, lecz stanowią podstawę do dalszych badań w tym kierunku.
Na podstawie otrzymanych z badań próbek namułu wartości średnich odkształceń pionowych i właściwych naprężeń normalnych wykreślono krzywe ściśliwości pierwotnej (K.Ś.P.), odprężenia (K.O.) oraz wtórnej (K.Ś.W.), które zaprezentowano na poniższym rysunku 1.
Rys. 1. Wykres przedstawiający krzywe ściśliwości pierwotnej, odprężenia i wtórnej wykreślone na podstawie wartości średnich odkształceń uzyskanych z badań własnych.
Wykorzystując uzyskane podczas prowadzenia badań edometrycznych wartości odkształceń próbek namułu obliczono w oparciu o zalecenia normowe [6] wartości edometrycznych modułów ściśliwości pierwotnej, odprężenia i ściśliwości wtórnej. Rezultaty przeprowadzonych obliczeń poddane elementarnej analizie statystycznej zestawiono w tabelach (tab.1, tab.2, tab.3). Ze względu na niejednorodność rozpatrywanego namułu określono również współczynniki zmienności dla poszczególnych zakresów naprężeń.
O wartościach edometrycznych modułów ściśliwości decydują głównie: przyrost zadanego naprężenia, wilgotność naturalna oraz zawartość części organicznych. W związku z faktem, iż próbki namułu pochodziły z jednej warstwy geotechnicznej i wszystkie pobrano z takiej samej głębokości przez co charakteryzowały się zbliżonymi właściwościami (Wn,śr = 36,79% Iom,śr = 10,63%), przyjęto, że parametrem decydującym o wielkości modułów
jest przyrost zadanych naprężeń (1),(2),(3). W tabeli 1 zaprezentowano obliczone na podstawie badań własnych wartości edometrycznych modułów ściśliwości pierwotnej M0.
Tabela 1. Empirycznie ustalone wartości edometrycznych modułów ściśliwości pierwotnej namułu.
Wartości edometrycznego modułu ściśliwości pierwotnej M0 [kPa]
Zmiana
Tabela 2 zawiera informacje na temat empirycznie określonych wartości edometrycznych modułów odprężenia Modpr badanego namułu. Analizując zamieszczone w niej wyniki zaobserwowano, że wartości modułów odprężenia zarejestrowane podczas pierwszej fazy procesu odciążania (400-200kPa) są wyjątkowo duże w stosunku do pozostałych zakresów obciążeń. Przyczyną tego może być przyjęcie zbyt dużego, jak dla gruntów słabonośnych, obciążenia wywołującego naprężenia maksymalne równe 400kPa.
Tabela 2. Empirycznie ustalone wartości edometrycznych modułów odprężenia uzyskane dla namułu.
Wartości edometrycznego modułu
Ustalone wartości edometrycznych modułów ściśliwości wtórnej M w aspekcie przyrostu naprężeń normalnych przedstawiono w tabeli 3.
Tabela 3. Empirycznie ustalone wartości edometrycznych modułów ściśliwości wtórnej namułu.
Wartości edometrycznego modułu
Zależność pomiędzy empirycznie określonymi wartościami edometrycznych modułów ściśliwości pierwotnej namułu i przyrostem naprężeń normalnych przedstawiono na rysunku 2 oraz opisano następującym wzorem (1):
5
Rys. 2. Korelacja pomiędzy wartościami edometrycznego modułu ściśliwości pierwotnej a przyrostem naprężeń normalnych.
Mimo, że wartości edometrycznych modułów odprężenia nie są parametrem często wykorzystywanym w geotechnice, ze względu na charakter badanego namułu, który jest gruntem słabonośnym, uznano za istotne również przedstawienie współzależności tego parametru od naprężeń normalnych. Powiązanie zobrazowano na wykresie (rys. 3) oraz
gdzie: Modpr – edometryczny moduł odprężenia, N – przyrost naprężeń normalnych
Na koniec ustalono zależność pomiędzy wartościami edometrycznych modułów ściśliwości wtórnej a przyrostem naprężeń normalnych. Dopasowanie przedstawiono w postaci graficznej na rysunku 4 oraz opisano następującym wzorem (3).
362 ,
526226 1
N
M (3)
gdzie: M – edometryczny moduł ściśliwości wtórnej, N – przyrost naprężeń normalnych
Rys. 3. Korelacja pomiędzy wartościami edometrycznego modułu odprężenia a przyrostem naprężeń normalnych.
Zależności edometrycznych modułów ściśliwości pierwotnej (rys. 2) i odprężenia (rys. 3) od naprężeń normalnych najdokładniej odwzorowują funkcje wielomianowe, natomiast w przypadku edometrycznych modułów ściśliwości wtórnej – funkcja potęgowa (rys. 4). Współczynniki korelacji R, a w zasadzie ich kwadraty, przyjęły najkorzystniejsze wartości dla równań odzwierciedlających powiązania edometrycznych modułów odprężenia i ściśliwości wtórnej – powyżej 0,9. W przypadku edometrycznych modułów ściśliwości pierwotnej skorelowanie było znacznie mniejsze, a wartość kwadratu współczynnika korelacji R2 wynosiła 0,57. Prawidłowość otrzymanych wartości edometrycznych modułów ściśliwości i odprężenia, będących rezultatem badań przeprowadzonych na próbkach namułu rzeszowskiego, potwierdzają materiały literaturowe [9,12,13].
Rys. 4. Korelacja pomiędzy wartościami edometrycznego modułu ściśliwości wtórnej a przyrostem naprężeń normalnych.
PODSUMOWANIE
Empiryczne wyznaczenie wartości edometrycznych modułów ściśliwości w przypadku organicznych gruntów słabonośnych, jakimi są namuły, jest procesem skomplikowanym oraz wyjątkowo czasochłonnym, głównie ze względu na utrudnienia związane z pozyskaniem próbek oraz czas, jaki jest niezbędny do ustabilizowania osiadań próbek w edometrach. Wiele problemów generuje również sposób zabezpieczenia próbek przed wpływem czynników zewnętrznych w trakcie trwania pełnego cyklu badawczego. Kluczowym czynnikiem jest właściwa metodologia badań, gdyż kryterium doboru wielkości obciążeń gruntów słabych nie zostało jeszcze normowo ustalone, jak w przypadku gruntów mineralnych. Przyjęcie zbyt dużych wartości może doprowadzić do zniszczenia próbek namułu już na etapie naprężeń pierwotnych, lecz na chwile obecną brak jest wytycznych w tej kwestii.
Analizując wyniki badań laboratoryjnych przeprowadzonych na próbkach namułu rzeszowskiego stwierdzono, iż zakres uzyskanych wartości edometrycznych modułów ściśliwości pierwotnej, odkształcenia i ściśliwości wtórnej jest wyjątkowo szeroki. Wartości współczynników zmienności obliczone dla poszczególnych przyrostów naprężeń były w znacznym stopniu zróżnicowane. Potwierdziło to niejednorodność badanego ośrodka i przekłada się bezpośrednio na szeroki zakres otrzymanych wyników. Skonkretyzowane zależności (1),(2),(3) i trendy przedstawione na rysunkach 2,3,4 odzwierciedlają zachowanie badanego namułu poddanego normowemu obciążeniu pionowemu [6]. Należy jednak mieć na uwadze, że są one obarczone pewnym ryzykiem błędu wynikającym z braku możliwości odkształcenia próbek w kierunku poziomym, gdyż ogranicza je pierścień edometru. Dlatego bardzo trudno przewidzieć na ich podstawie rzeczywiste zachowanie namułu w złożu pod wpływem obciążenia budynkiem czy konstrukcją inżynierską, a pełne uwiarygodnienie wyników badań laboratoryjnych jest możliwe tylko poprzez ostrożne porównanie z rezultatami badań „in situ” przeprowadzonymi w maksymalnie zbliżonych warunkach.
Piśmiennictwo
[1] Polska Norma: PN-86/B-02480. Grunty budowlane. Określenia, symbole, podział i opis gruntów.
[2] Bednarek R.: Identyfikacja edometrycznego modułu ściśliwości początkowej na podstawie badań konsolidacji gruntu organicznego. Inżynieria Morska i Geotechnika, nr 3/2010, 417-422.
[3] Buca B., Molski P.: Uwagi do ustalania wartości charakterystycznych modułów ściśliwości pierwotnej namułów Delty Wisły. Inżynieria Morska i Geotechnika, nr 1/2005,s.14-16.
[4] Meyer Z., Bednarek R.: Obliczanie osiadania długotrwałego torfów na podstawie badań laboratoryjnych. Problemy geotechniczne i środowiskowe z uwzględnieniem podłoży ekspansywnych. Wydawnictwo Uczelniane UTP, Bydgoszcz 2009.
[5] Meyer Z., Dereczennik M.: Effect of Consolidation on Compressibility Modulus in Organic Soil. Prace Naukowe Politechniki Szczecińskiej, Geotechnika VIII. Szczecin, 1992.
[6] Polska Norma: PN-88/B-04481. Grunty budowlane. Badania próbek gruntu.
[7] Straż G.: O niektórych problemach związanych z określaniem parametrów geotechnicznych rzeszowskich gruntów organicznych. [w:] Bzówka J., Badania i analizy wybranych zagadnień z budownictwa, Gliwice, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2011,s.143-151.
[8] Straż G.: Parametry wytrzymałościowe rzeszowskich namułów i torfów. Rzeszów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, 2011.
[9] Olchawa A.: Właściwości gruntowych kompozytów jako materiału do budowy obwałowań przeciwpowodziowych. Wydawnictwo IMUZ. Falenty, 2003.
[10] Jaremski J.: Parametry geotechniczne niektórych gruntów występujących na obszarze województwa podkarpackiego. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Budownictwo, 97, s.421-430.
[11] Szymański A.: Mechanika gruntów. Wydawnictwo SGGW, Warszawa, 2007.
[12] Myślińska E.: Grunty organiczne i laboratoryjne metody ich badania. Wydawnictwo Naukowe PWN SA. Warszawa, 2001.
[13] Pisarczyk S.: Grunty nasypowe. Właściwości geotechniczne i metody ich badania.
Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa, 2004.
ON DETERMINING OEDOMETRIC MODULI OF SOFT SOILS COMPRESSION ON THE EXAMPLE OF ORGANIC MUD FROM RZESZÓW
Summary
The paper presents results of laboratory tests aimed at determining compression parameters of the local organic mud. The tests were conducted exclusively on samples of intact structure, collected from the middle of a selected stratum. The result of the research is definition of geotechnical parameters of the selected organic mud from Rzeszów in the form of specific values of oedometric moduli of primary loading, unloading and reloading. Correlations between the values of the obtained parameters and normal strains were also determined. The tests confirmed a high non-homogeneity level of the soil, which is reflected by the values of the variation coefficients calculated for each normal stress increase. It was observed that as normal stress increases, values of oedometric moduli of secondary loading stabilize, which may be of utmost importance in designing foundations for this type of substrate.
Andrzej SUROWIECKI1
Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu
Wyższa Szkoła Oficerska Wojsk Lądowych we Wrocławiu Wojciech KOZŁOWSKI2
Politechnika Opolska Marcin WASIAK
Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu