Sondowania

W rozdziale zostały opisane znormalizowane badania po-lowe gruntów i skał, wyróżnione w polskiej normie PN-EN 1997-2. Dla każdego badania podano szczegółową normę w wersji polskojęzycznej, a w przypadku jej braku - anglojęzycz-nej. Warto zaznaczyć, że normy szczegółowe przeważnie opi-sują tylko podstawowe wersje metody, bez dodatkowych ak-cesoriów np. końcówki sejsmicznej. skupiono się na ogólnych informacjach na temat danej metody badawczej, jej zastoso-waniu oraz możliwościach wykorzystania wyników. Przedsta-wiono również ich zalety oraz ograniczenia. Zaleca się do oceny parametrów geotechnicznych stosowanie węzłów ba-dawczych (kilka metod baba-dawczych w jednym punkcie zasto-sowanych w bliskim sąsiedztwie, w odległości około 2 m) składających się z wiercenia i co najmniej jednego typu son-dowania. Wyniki sondowań bez znajomości dokładnej litolo-gii w badanym punkcie nie pozwalają na uzyskanie wiarygod-nych związków korelacyjwiarygod-nych. Proponowane zastosowanie metod badawczych w zależności od spodziewanych warunków gruntowych oraz wymaganych właściwości gruntu zestawio-no w tabeli 21.

5.6.1. badania statyczną sondą stożkową cpt, cptU

Zgodnie z polską normą PN-EN 1997-2 badania statyczną sondą stożkową cPt (Cone Penetration Test) wykonuje się w celu określenia oporu gruntu bądź miękkiej skały podczas za-głębiania stożka oraz tarcia na tulei ciernej. Badanie polega na wciskaniu ze stałą prędkością (2 cm/s) sondy pionowo w grunt.

Podczas badania z końcówką elektryczną pomiary zagłębienia stożka (qc) oraz tarcia na tulei (fs) zapisują się automatycznie i w sposób ciągły. W przypadku badania sondą stożkową cPtU dodatkowo jest możliwy pomiar ciśnienia wody (u), przeważ-nie w filtrze znajdującym się u podstawy stożka (u2). Zaleca się korzystanie ze szczegółowych norm: PN-EN iso 22476-12:2009 oraz PN-EN iso 22476-1:2013-03. obydwie normy są obecnie tylko w wersji anglojęzycznej.

Wyniki badania cPt/cPtU są wykorzystywane głównie do: uszczegółowienia granic geologicznych wyznaczonych na podstawie wiercenia, określenia zagęszczenia gruntów grubo-ziarnistych i stanu gruntów drobnogrubo-ziarnistych, wyznaczania stref osłabień czy zasięgu gruntów organicznych, do pomiaru rozpraszania ciśnienia wody w porach (test dysypacji), podat-ności na deformacje filtracyjne, oceny sztywpodat-ności i ściśliwości podłoża, a także do wstępnej prognozy osiadań.

Z pewnymi ograniczeniami można wykorzystać wyniki sondowania do wyznaczania parametrów geotechnicznych gruntów, takich jak właściwości wytrzymałościowe i odkształ-ceniowe.

Wyniki sondowań są wykorzystywane również w oblicze-niach np. do wyznaczania wymiarów fundamentów bezpośred-nich czy do wyznaczania długości i nośności pali.

Badanie to w ostatnich latach stało się bardzo popularne, ze względu na szerokie możliwości zastosowania, łatwość i szybkość przeprowadzenia badania, a także dokładność i po-wtarzalność wyników testu. te cechy przełożyły się na popu-larność metody, a co za tym idzie również na jej atrakcyjność ekonomiczną. Dostępnych jest wiele publikacji szczegółowo opisujących zarówno aspekty techniczne badania, jak i później-szą interpretację z wynikami sondowania (np. lunne i in., 1997;

sikora, 2006).

Po zamontowaniu końcówki z próbnikiem możliwy jest pobór próbek.

Nie zaleca się stosowania sondowania cPt/cPtU do grun-tów bardzo zagęszczonych i zwięzłych z uwagi na ograniczenia techniczne (możliwość uszkodzenia stożka).

5.6.2. Badania presjometryczne pMt

Zgodnie z polską normą PN-EN 1997-2 badania presjo-metryczne wykonuje się w celu pomierzenia w warunkach in situ odkształcenia gruntu lub miękkiej skały, spowodowane-go rozszerzaniem się cylindrycznej, elastycznej membrany pod wpływem wzrastającego ciśnienia wody i powietrza krą-żących w obiegu zamkniętym. sondę do pomiarów wraz z elastyczną membraną można umieścić w gruncie w wielo-raki sposób: we wcześniej wykonanym odwiercie, za pomo-cą samowierpomo-cącego presjometru lub wciskając albo wkręcając

sondowania 93

tabela 21 Proponowane sondowania w zależności od spodziewanych gruntów bądź procesów geologicznych

rodzaj gruntów

cel badań 2antropogeniczne 1, 2 gruboziarniste Drobnoziarniste Pyły lessy Zwietrzeliny gliniaste 2Zwietrzeliny gruzowe skały osuwisko Kras (materiał wypeł- 2niający)

ocena właściwości środowiska geologicznego

odkształceniowe PMt,

deformacje cPt cPt cPt,

FVt⁴ cPt,

FVt⁴ cPt,

FVt⁴ cPt cPt n.d. cPt,

FVt⁴, cPt ocena stanu gruntu DP,

cPt sPt, DP,

cechy fizyczne sPt sPt sPt sPt sPt sPt sPt n.d. sPt sPt

ocena górotworu

pustki i nieciągłości DP, cPt DP, cPt cPt cPt DP, cPt cPt DP, cPt n.d. DP, cPt DP, cPt

granice warstw DP, Wst,

cPt DP, cPt Wst, koluwium, gł. strefy poślizgu)

gruntowych cPtU DP,

cPtU cPtU cPtU cPtU cPtU cPtU n.d. cPtU cPtU

ocena danych geotechnicznych

zasięg gruntów

słabonośnych DP, cPt DP, cPt Wst,

cPt cPt cPt cPt DP, n.d. cPt cPt

powykonawcza

ocena wzmocnienia DP, cPt DP, cPt FVt³,

cPt cPt cPt cPt DP n.d. cPt cPt

nośność fundamen-tów bezpośrednich lub pali (wstępna ocena) rodzaj sondowania zaproponowano w odniesieniu do stosowalności pod względem czasu i kosztu wykonania;

1 z wyłączeniem bardzo zagęszczonych gruntów gruboziarnistych;

2 należy uważać na kamienie;

3 tylko dla miękkich skał;

4 dla gruntów o cu<150 kPa n.d. nie dotyczy

ją w grunt. Badanie polega na rozszerzeniu membrany pod wpływem zadawanego ciśnienia na określonej głębokości, co powoduje jej nacisk na otaczający ją grunt. Mierzone są war-tości ciśnienia oraz rozszerzenie membrany, aż do osiągnięcia maksymalnego rozszerzenia bocznego dla danego presjome-tru. rozszerzenie membrany jest miarą odkształcalności po-ziomej gruntu.

Presjometry ze względu na sposób umieszczenia w grun-cie podzielone są na trzy grupy:

– samowiercące (sPB), minimalizujace odprężenia gruntu w otworze;

– wymagające wstępnego wiercenia (PBP);

– zagłębiane z pełnym przemieszczeniem, tzw. pushed-in wciskanych (FDP lub PiP).

Presjometr sPB wwierca się w grunt za pomocą specjalnej głowicy umieszczonej w dolnym końcu sondy, tworząc swój własny odwiert badawczy. Podobnie własny odwiert badaw-czy tworzy presjometr FDP, który jest wciskany w grunt za pomocą specjalnego stożka, umiejscowionego na dole sondy.

Natomiast presjometry PBP są opuszczane do specjalnie wy-konanego, na potrzeby badania, otworu badawczego. Presjo-metry mogą występować w różnych formach w zależności od systemu pomiarowego i rodzaju przyrządu.

Najpopularniejszym w warunkach polskich presjome-trem jest presjometr Menarda. Jego cechą charakterystyczną jest trójkomorowa sonda, oraz możliwy pomiar przemiesz-czenia objętościowego (volume displacement), podczas gdy inne presjometry mierzą przemieszczenie radialne. Podczas wykonywania badania zaleca się korzystanie z normy PN--EN iso 22476-4:2013-05. Dla badań presjometrycznych innego typu zaleca się stosowanie normy PN-EN iso 22476-7:2013-05.

Z otrzymanych wyników można wyznaczyć krzywe na-prężenie-odkształcenie tzw. krzywe presjometryczne. Z karty sondowania na danej głębokości można odczytać prejsome-tryczne ciśnienie graniczne, moduł presjometryczny oraz stosunek modułu do ciśnienia. Podaje się również (na wykre-sach) zmiany tych danych w zależności od głębokości. Wy-niki badań można wykorzystać do wyznaczenia właściwości odkształceniowych gruntów, oceny ściśliwości podłoża i wstępnej prognozy osiadań. Z pewnymi ograniczeniami można wykorzystać wyniki badań prejsometrycznych do oce-ny ekspansywności i właściwości wytrzymałościowych grun-tów, a także sztywności podłoża (tarnawski, 2007).

Jest to zaawansowana i pracochłonna metoda badawcza, którą zaleca się stosować po uprzednim rozpoznaniu gruntu wierceniami oraz innymi sondowaniami.

Badanie presjometryczne jest szczególnie przydatne dla gruntów słabych. Umożliwia pomiar odkształcalności gruntu w płaszczyźnie prostopadłej do osi otworu.

Badania presjometrycznego nie stosuje się przy bardzo zagęszczonych, nawodnionych gruntach gruboziarnistych.

5.6.3. Badania dylatometryczne FDt, DMt Zarówno dla badania FDt, jak i DMt zaleca się korzy-stanie ze szczegółowej normy PN-EN iso 22476-5:2013-05.

5.6.3.1. Badanie dylatometrem cylindrycznym FDt cylindryczny dylatometr sprężysty FDt zgodnie z polską normą PN-EN 1997-2 służy do pomiaru in situ odkształcalno-ści i pełzania miękkiej skały (rDt) oraz gruntu (sDt). Bada-nie polega na umieszczeniu w otworze sondy cylindrycznej z rozszerzalną, sprężystą membraną oraz na półciągłym lub punktowym pomiarze radialnego przemieszczenia odwiertu w związku z zadanym znanym ciśnieniem radialnym. ciśnienie jest zadawane poprzez cylindryczną końcówkę dylatometru.

Dla skał, w których pozyskanie rdzenia jest trudne lub może być niewystarczające do otrzymania optymalnych wyników laboratoryjnych, badanie cylindrycznym dylatometrem FDt może być stosowane do porównania względnej odkształcalno-ści różnych warstw skalnych oraz do szybkiego rejestrowania wskaźników skał np. kruchości, stopnia spękania itp.

Wyniki badania służą do określenia zmian odkształcenia wraz z głębokością.

W związku z niedużą popularnością tego badania w Polsce, problemem jest brak sprawdzonych korelacji w lokalnych wa-runkach.

5.6.3.2. Badanie dylatometrem płaskim DMt Badanie dylatometrem płaskim (DMt – Dilatometer Mar-chetti Test), wykonuje się w celu oznaczenia właściwości wy-trzymałościowych i odkształceniowych gruntu in situ. Podczas badania wprowadza się pionowo w grunt cienką, stalową membranę w kształcie koła, zamontowaną po jednej stronie stalowej sondy w kształcie łopatki. Podczas badania mierzone jest ciśnienie w fazie początkowej, gdy membrana jest w jed-nej płaszczyźnie z ostrzem oraz gdy przemieszczenie w środ-ku membrany, w kierunśrod-ku gruntu, osiąga 1,10 mm. Zaleca się wykonywać badanie w sposób półciągły (np. co 20 cm lub częściej, w przypadku gruntów słabych) lub na wybranych głębokościach.

Wyniki badań z dylatometru płaskiego mogą być wykorzy-stane do określenia m.in. wybranych parametrów wytrzyma-łościowych, współczynnika parcia bocznego, współczynnika przekonsolidowania, a także modułu ściśliwości i sprężystości gruntu. Wyniki badań mogą również posłużyć do wstępnej oceny wartości osiadań oraz do wyprowadzenia granicznej nośności pali. Badanie zaleca się wykonywać w gruntach o stosunkowo małych wymiarach cząstek w porównaniu do wielkości membrany np. iłach, pyłach, piaskach lub gruntach organicznych. Należy uważać na kamienie i zanieczyszczenia antropogeniczne (np. gruz), które mogą doprowadzić do uszko-dzenia delikatnej membrany.

Do interpretacji wyników przydatne są wartości ciśnienia wody w porach uzyskane podczas innych badań (np. Bat).

Jest to zaawansowana i pracochłonna metoda badawcza, którą zaleca się stosować po uprzednim rozpoznaniu gruntu wierceniami oraz innymi sondowaniami.

5.6.4. badania sondą cylindryczną SPt

Badanie sondą cylindryczną sPt (Standard Penetration Test) wykonuje się w celu określenia oporu gruntu poprzez wbijanie

sondowania 95

próbnika w dnie otworu. Próbnik najczęściej w postaci dzielo-nego cylindra umożliwia pobranie prób gruntu o naruszonej strukturze. Młot o wadze 63,5 kg opuszcza się na kowadło lub podbabnik z wysokości 760 mm. Wynikiem badania jest liczba uderzeń (N), zwana oporem zagłębienia, konieczna do osiągnię-cia zagłębienia próbnika na głębokość 300 mm.

sondowanie sPt stosuje się głównie do oceny stopnia za-gęszczenia gruntów gruboziarnistych (niespoistych) lub osza-cowania parametrów stanu lub wytrzymałościowych w grun-tach drobnoziarnistych (spoistych), oceny jednorodności podłoża gruntowego czy wyznaczenia poziomów o obniżonej wytrzymałości, a także do poboru próbek. Dodatkowo dzięki możliwości poboru próbek na podstawie sondowania można określić wilgotność oraz gęstość objętościową gruntu.

W Polsce jest to badanie rzadko stosowane z uwagi na ko-nieczność wykonania podwiertu oraz ze względu na technicz-ne aspekty wykonania badania – wiertnice są rzadko wyposa-żone w zestaw do badania sPt. W związku z tym szczegółowa norma do tego badania występuje tylko w wersji angielskiej:

PN-EN iso 22476-3:2005 oraz PN-EN iso 22476-3:2005/

a1:2012. ograniczeniem do stosowania tego badania może być występowanie w podłożu kamieni, gruzu itp.

5.6.5. badania sondą dynamiczną dP

Badanie sondą dynamiczną DP (Dynamic Penetration) wykonuje się w celu określenia oporu gruntu podczas dyna-micznego zagłębienia stożka. Do tego celu jest używany młot o określonej masie i wysokości spadania. W zależności od ww. parametrów polska norma PN-EN 1997-2 wyróżnia czte-ry rodzaje sondowań dynamicznych DP:

– lekkie (DPl), sonda o masie 10 kg, wysokość spadania 500 mm, liczba uderzeń N_10l;

– średnie (DPM), sonda o masie 30 kg, wysokość spadania 500 mm, liczba uderzeń N_10M;

– ciężkie (DPH), sonda o masie 50 kg, wysokość spadania 500 mm, liczba uderzeń N_10H;

– superciężkie (DPsH) sonda o masie 63,5 kg, wysokość spadania 500 mm (a-DPsH) lub 750 mm (B-DPsH), liczba uderzeń N_10sa, N_20sa, N_10sB lub N_20sB.

Wynikiem sondowania jest opór zagłębiania stożka wyra-żony w liczbie uderzeń na określony wpęd sondy. Wartością wyprowadzoną z ww. parametru jest stopień zagęszczenia gruntów gruboziarnistych (i_D). sondowanie można wykony-wać bezpośrednio z powierzchni terenu lub z wcześniej wy-konanego otworu czy dna wykopu.

sondowanie to stosuje się najczęściej do oceny zagęsz-czenia gruntów gruboziarnistych. Ponadto może być używa-ne do lokalizacji pustek, kawern czy przewarstwień lub so-czewek gruntów słabych lub bardzo zagęszczonych, określenia głębokości podłoża nośnego, kontroli wykonaw-stwa nasypów i zasypek gruntowych. Pozwala ocenić pod-łoże głównie w sposób jakościowy.

W Polsce badanie to jest powszechnie stosowane z uwagi na szybkość wykonania oraz dostępność sprzętu, jednak ma swoje ograniczenia. głębokość badania nie powinna przekra-czać 8 m dla sondy DPl, 20 m dla sondy DPM oraz 25 m dla

sondy DPH. Masę sondy należy dobrać do spodziewanego rodzaju i zagęszczenia gruntu oraz głębokości. Należy mieć również na uwadze znaczny wzrost tarcia wraz z głębokością dla gruntów drobnoziarnistych. szczegółowa norma dotycząca badania występuje jedynie w języku angielskim PN-EN iso 22476-2:2005 i PN-EN iso 22476-2:2005/a1:2012.

Wszystkie typy sondowania dynamicznego DP posiadają urządzenie do mechanicznego podnoszenia młota, a sonda lekka (DPl) może być obsługiwana ręcznie, co może być atutem w przypadku miejsc o ograniczonej dostępności np.

na obszarach chronionych.

5.6.6. badania sondą wkręcaną wSt

Badanie sondą wkręcaną Wst polega na statycznym i/lub obrotowym zagłębianiu końcówki w kształcie śruby w celu wyznaczenia oporu gruntu. Dla gruntów słabych, dla których opór zagłębienia jest mniejszy niż 1 kN, sondę należy zagłębiać statycznie. W przypadku, gdy opór jest większy niż 1 kN, son-dę należy obracać ręcznie lub mechanicznie i jednocześnie rejestrować dla całego badania liczbę półobrotów przy okre-ślonym zagłębieniu.

sondę wkręcaną Wst zgodnie z polską normą PN-EN 1997-2 stosuje się do określenia: następstwa warstw, ciągłego profilu wytrzymałościowego gruntu, a także stopnia zagęsz-czenia gruntów gruboziarnistych i stanu gruntów drobnoziar-nistych, ustalenia granicy pomiędzy nasypem a podłożem.

Dodatkowo stosuje się tę metodę badań do wyznaczania głę-bokości warstw bardzo zagęszczonego gruntu, pozwalającą określić głębokość palowania.

Badanie to jest rzadko stosowane w Polsce, ponieważ do wyznaczenia ww. parametrów przeważnie jest stosowane ba-danie sondą dynamiczną DP (rozdz. 5.6.5). Badania sondą Wst nie stosuje się dla gruntów zwartych lub zagęszczonych.

szczegółowe informacje na temat badania można uzyskać w cEN iso/ts 22476-10.

5.6.7. badania sondą krzyżakową FVt

Badania sondą krzyżakową FVt (Field Vane Test) zgodnie z polską normą PN-EN 1997-2 zazwyczaj stosuje się dla słabych gruntów drobnoziarnistych, a także dla gruntów organicznych.

celem badania jest określenie ich wytrzymałości na ścinanie w warunkach bez odpływu oraz wrażliwości strukturalnej gruntu.

Dodatkowo poprzez wielokrotne ścięcie można określić wytrzy-małość rezydualną gruntu. W przypadku niezastosowania rur osłonowych badanie wykonuje się z dna podwiertu.

Podczas badania umieszcza się końcówkę krzyżakową w gruncie i mierzy się jej opór przy obrocie. Dla gruntów bardzo słabych lub wrażliwych można zastosować końcówki o więk-szej powierzchni ścięcia, jednak należy to uwzględnić pod-czas opracowywania wyników.

Wykonanie badania sondą krzyżakową FVt jest mało pra-cochłonne, a sprzęt do badania jest łatwo dostępny. te cechy składają się na popularność tej metody. Badanie jest mało uciąż-liwe, przez co można je stosować w miejscach o ograniczonej dostępności np. na obszarach chronionych.

Podczas tego badania uzyskujemy bezpośredni parametr, jakim jest wytrzymałość na ścinanie.

Badania sondą krzyżakową FVt wykonuje się dla grun-tów o c_u< 150 kPa.

szczegółowe informacje mają być zawarte w przygotowy-wanej normie iso/Dis 22476-9.

5.7. sPEcJalistycZNE BaDaNia tErENoWE