Współczynnik prekonsolidacji (OCR) w gruntach zaburzonych glacitektonicznie Środkowego Nadodrza

(1)

Wspó³czynnik prekonsolidacji (OCR) w gruntach zaburzonych glacitektonicznie

Œrodkowego Nadodrza

Jerzy Kotowski* , Andrzej Kraiñski*

Overconsolidation ratio (OCR) in Central Oder-Land glacitectonically disturbed grounds (western Poland). Prz. Geol., 50: 124–126.

S u m m a r y. In all publications on the overconsolidation ratio (OCR), the grounds generally unaffected by glacitectonical distur-bances are analyzed. The calculation of OCR values is done using dependence OCR = F’p : FzD (preconsolidation pressure/ perpen-dicular primary tension). Preconsolidation pressure (F’p) is determined with graphic methods from an edometric compressibility curve. In turn, perpendicular primary tension (Fz D) is derived from dependence Fz D = zD (product of sampling depth and ground bulk density). In addition, effective perpendicular primary tension should be determined, thus considering water pressure in ground pores. Key words: overconsolidation ratio, glacitectonically disturbed grounds

W publikacjach dotycz¹cych wspó³czynnika prekonso-lidacji (OCR) s¹ analizowane przede wszystkim grunty, które nie uleg³y zaburzeniom glacitektonicznym, np. Jacobsen (1977), Esu & Grisolia (1977), Dawidson (1977), Izbicki & Stachoñ (1989a, b, 1992, 1995), Nagaraj i in. (1994), Izbicki i in. (1995), Kotowski & Kraiñski (1998a, b, c, d, e). O mo¿liwoœci czêœciowego zaniku tzw. pamiêci gruntu wspominaj¹ m.in. Liszkowski (1970), Lambe & Whitman (1978), Kowalski (1992, 1995), Bolt in. (1994) lecz problem ten nie by³ szerzej analizowany.

W przypadkach obliczania (i analizy) wielkoœci wspó³czynnika prekonsolidacji (OCR) w gruntach zabu-rzonych glacitektonicznie uwzglêdniæ nale¿y pewne doœæ istotne ograniczenia. Ograniczenia te wynikaj¹ z faktu, ¿e w ka¿dym przypadku grunty zaburzone glacitektonicznie nie znajduj¹ siê w swoim naturalnym (pierwotnym) po³o¿eniu. Prace autorów niniejszego artyku³u dotycz¹ce Wzgórz Dalkowskich (Kotowski & Kraiñski, 1985, 1989) i Wa³u Zielonogórskiego (Kotowski & Kraiñski, 1986, 1992a, b; Kraiñski, 1989) (ryc. 1) wykaza³y, ¿e grunty trze-ciorzêdowe wystêpuj¹ m. in. w postaci kier glacitektonicz-nych czêsto w bezpoœrednim s¹siedztwie powierzchni terenu. Grunty trzeciorzêdowe s¹ reprezentowane przede wszystkim przez i³y, i³y pylaste i gliny zwiêz³e w aspekcie geotechnicznym. Natomiast w sensie geologicznym s¹ to i³y serii poznañskiej.

Udokumentowana w obrêbie niektórych kier glacitek-tonicznych (np. Witanowic we Wzgórzach Dalkowskich) obecnoœæ wêgla brunatnego tzw. pok³adu „Henryk” pozwala na postawienie tezy, ¿e czêœæ tych gruntów w sto-sunku do swojego pierwotnego (in situ) po³o¿enia zosta³a przemieszczona w pionie nawet o 100–150 metrów. Nato-miast przemieszczenie poziome mog³o dochodziæ do kil-kunastu kilometrów. W po³o¿eniu pierwotnym dla rejonu Œrodkowego Nadodrza mo¿na przyj¹æ, ¿e pok³ad wêgla brunatnego „Henryk” jest po³o¿ony na rzêdnej oko³o 0 (zera) m n.p.m. natomiast w jego nadk³adzie wystêpuje 80–100 metrowej mi¹¿szoœci warstwa i³ów serii pozna-ñskiej (np. Dyjor, 1992). St¹d œrednia wartoœæ naprê¿enia pierwotnego liczona dla warunków naturalnych (tj. koniec pliocenu a przed pierwszym zlodowaceniem) mo¿e byæ oszacowana dla i³ów po³o¿onych bezpoœrednio w stropie

pok³adu wêgla brunatnego na FzD=1,6 MPa (dla z =80 m i

D=2,00 tm-3). Warunki takie trwa³y nie mniej ni¿ 15–20

mln lat z sukcesywnym zwiêkszaniem siê mi¹¿szoœci nak³adu, tu jako „z” (sedymentacja i³ów po utworzeniu siê pok³adu „Henryk”) do przyjêtych 80 m. Natomiast dla cha-rakterystycznych tzw. i³ów pstrych pochodz¹cych z

prze³omu miocen/pliocen mo¿na przyj¹æ FzD=0,4 MPa (dla

z =20 m oraz D=2,00 tm-3_{). Podany wy¿ej profil}

geologicz-ny i ustalone wielkoœci FzDwystêpowa³y przed pierwszym

zlodowaceniem, którego naciski (naprê¿enia) na pod³o¿e mog³y byæ rzêdu, w okresie maksimum zlodowacenia (np. po³udniowopolskiego — GII) dla Œrodkowego Nadodrza do 10 MPa (np. Kotowski & Kraiñski, 1998a). Odzwierciedlenie tych naprê¿eñ (od l¹dolodu) w gruncie mog³o mieæ miejsce wy³¹cznie w przypadku braku wiecznej zmarzliny w pod³o¿u l¹dolodu i zak³adamy, ¿e w wiêkszoœci przypadków rzeczy-wiœcie tak by³o.

Deformacje glacitektoniczne spowodowa³y m.in. wyruszenie z pierwotnego po³o¿enia i wyniesienie czêœci gruntów o wspomniane ju¿ 100–150 metrów w pionie oraz ich przemieszczenie poziome o kilka lub kilkanaœcie km (np. Jaroszewski, 1991; Kotowski & Kraiñski, 1986). Jeœli grunty spoiste w transporcie glacitektonicznym by³y w sta-nie sta-niezamarzniêtym, a wiêc plastycznym (s¹ na to liczne dowody w postaci fa³dów i diapirów glacitektonicznych), a nie kruchego ich zniszczenia, to mo¿na s¹dziæ, ¿e z „pamiêci” gruntu i jego struktury wewnêtrznej mog³o ulec niejako „wymazanie” wartoœci naprê¿enia pionowego

pierwotnego (Fz D), któremu dany grunt by³ w przesz³oœci

geologicznej poddawany. Struktury glacitektoniczne, któ-rym mo¿na przypisaæ genezê „plastyczn¹” s¹ licznie roz-powszechnione na Ziemi Lubuskiej. Zaliczyæ tu nale¿y £uk Mu¿akowa, Strefê Sieniawy Lubuskiej i niektóre zaburzenia w Zielonej Górze (np. Ciuk, 1992, 1995; Kotowski & Kraiñski, 1989, 1992a, 1998d) (ryc. 2). Ponadto mamy dowody, ¿e niektóre kry glacitektoniczne mog³y byæ przemieszczane jako „zamarzniêta” bry³a grun-tu. Szczególnie wówczas, gdy w krze glacitektonicznej nie obserwujemy zaburzeñ typu fa³dowego, a wystêpuj¹ liczne uskoki oraz kruche zniszczenie gruntu w tym i brekcja gla-citektoniczna. Takie struktury s¹ na ogó³ niewielkich roz-miarów (rz¹d liczony w metrach) i by³ opisywany przez autorów dla zachodniej czêœci Zielonej Góry (Kotowski & Kraiñski, 1992b). W takiej sytuacji wartoœæ naprê¿enia pionowego pierwotnego powinna zostaæ zachowana.

Przegl¹d Geologiczny, vol. 50, nr 2, 2002

124

*Uniwersytet Zielonogórski, ul. Pogórna 50, 65-246 Zielona Góra

(2)

W praktyce podczas badañ nad wartoœciami OCR mo¿emy spotkaæ siê z dwojak¹ sytuacj¹:

— w procesie transportu glacitektonicznego grunty

kier „straci³y” zapisane w ich pamiêci wartoœci FzD, które

mog³y byæ rzêdu 0,4–1,6 MPa; po depozycji tych kier grunty je buduj¹ce uzyskiwa³y niejako now¹ wartoœæ wyni-kaj¹c¹ z aktualnej lokalizacji przestrzennej; grunty te by³y w transporcie glacitektonicznym gruntem w stanie pla-stycznym;

— w procesie transportu glacitektonicznego grunt by³ zamarzniêty i naprê¿enie pierwotne pionowe zosta³o w

jego pamiêci zachowane, natomiast wartoœci FzD

wyni-kaj¹ce z nowej lokalizacji przestrzennej jako znacznie ni¿-sze nie odzwierciedlaj¹ siê w jego „pamiêci”; pomija siê tu ewentualny wp³yw przemarzania gruntów na zachowanie tego zapisu w „pamiêci” gruntu.

W historii obci¹¿eñ gruntów buduj¹cych kry glacitek-toniczne istotnym elementem s¹ obci¹¿enia zwi¹zane z l¹dolodami. Mo¿na przyj¹æ, ¿e generalnie dla rejonu Œrod-kowego Nadodrza kry glacitektoniczne powsta³y podczas zlodowaceñ œrodkowopolskich (Kotowski & Kraiñski, 1985, 1992a, b). Oznacza to, ¿e w warunkach in situ grunty te by³y poddawane naprê¿eniom pochodz¹cym od l¹dolo-dów przy wielkoœci maksymalnej do 10 Mpa.

Naprê¿enia w pod³o¿u zwi¹zane z l¹dolodem Obliczenie naprê¿eñ od si³y skupionej jest praktycznie niemo¿liwe poniewa¿ nacisk l¹dolodu nie mo¿e byæ trakto-wany jako si³a skupiona dla przypadku konsolidacji. Naprê¿enie w gruncie od obci¹¿enia ci¹g³ego mo¿na np. obliczyæ z zale¿noœci (jak dla fundamentów):

Fz= 0⋅q

gdzie: Fz— naprê¿enie normalne pionowe pod

œrod-kiem powierzchni na dowolnej g³êbokoœci (z),

0 — wspó³czynnik rozk³adu naprê¿eñ (zaniku

naprê-¿eñ zale¿ny od stosunku L : B (L — d³ugoœæ, B — szero-koœæ, np. l¹dolodu),

q — obci¹¿enie jednostkowe.

W przypadku dla l¹dolodu wartoœci L i B nale¿y przyj¹æ jako nieskoñczenie wielkie i wówczas L : B = 1,

natomiast z: B→0. St¹d 0 = 1,0 oraz Fz= q. Wynika wiêc,

¿e dla l¹dolodu nacisk jednostkowy na g³êbokoœci np. do 100 m (jak analizowano wczeœniej przy obliczaniu OCR) jest analogiczny dla ka¿dej przyjmowanej g³êbokoœci i wynosi:

Fz(1-100) = q = const

Mo¿na st¹d wnioskowaæ, ¿e uzyskana krzywa obliczo-nych wspó³czynników prekonsolidacji w funkcji g³êboko-œci pobranych próbek gruntu do badañ powinna byæ

uzale¿niona wy³¹cznie od Fp i FzD. Jeœli naprê¿enie od

l¹dolodu wynosi³o np. Fp=10 MPa a Fz D=1,6 MPa (np. dla

wspomnianych wczeœniej z = 80 m), to wartoœæ wspó³czyn-nika prekonsolidacji powinna byæ rzêdu OCR = 6. Nato-miast dla z = 20 m jest to odpowiednio OCR = 25.

Wynika z powy¿szego, ¿e im mniejsza jest g³êbokoœæ pobrania próbki gruntu do badañ edometrycznych, tym wy¿sza powinna byæ wartoœæ wspó³czynnika prekonsoli-dacji (OCR) — dla gruntów prekonsolidowanych. Zale-¿noœæ tak¹ autorzy uzyskali dla wielu analizowanych przypadków, np. dla gruntów deluwialnych w G³ogowie jest to OCR = 17,0 (Kotowski & Kraiñski, 1998f), gdy grunty te w swojej historii geologicznej nie podlega³y ¿ad-125

0 20 km Odra Kwi sa Bó br Nys a£ u¿ yc k a Warta Barycz Gorzów Wlkp. Zielona Góra Leszno Wroc³aw GIIImax GIII + 1 GIVmax GIV + 1 P T- E P W - B P W - M P G -_B

przypuszczalne przemieszczanie „plastycznych kier glacitektonicznych” „

probable translation plastic glacitectonic raft”

WARSZAWA 2 0_°

50_°

Ryc. 1. Mapa sytuacyjna; GIV+1 — glacifaza poznañska, GIV max — glacifaza leszczyñska, GIII+1 — zlodowacenie warty, GIIImax — zlodowacenie odry, PT-E — pradolina toru-ñsko-eberswaldzka, PW-B — pradolina warszawsko-berliñska, PG-B — pradolina g³ogowsko-barucka, PW-M — pradolina wroc³awsko-magdeburska

Fig. 1. Location map; GIV+1 — Poznañ Phase, GIVmax — Lesz-no Phase, GIII+1 — Warta Glaciation, GIIImax — Odra Gla-ciation, PT-E — ice-marginal Toruñ–Eberswalde, PW-B — ice-marginal Warszawa–Berlin, PG-B — ice-marginal G³ogów–Baruth, PW-M — ice-marginal Wroc³aw–Magdeburg

0 10 m 160 140 120 150 130 110 m n.p.m. m a.s.l. SW NE piaski i py³y sand and silt glina zwa³owa till cz w ar to rz êd Q ua te rn ar y

wêgiel brunatny i i³ (kra glacitektoniczna) brown coal and clay (glacitectonic raft) i³ (in situ)

clay (in situ)

tr ze ci or zê d Te rt ia ry

Ryc. 2. Przekrój geologiczny przy ul. S³owackiej w Zielonej Górze

Fig. 2. Geological cross-section at S³owacka Street in Zielona Góra

(3)

nej konsolidacji. Ten aspekt zagadnienia wymaga dalszych badañ. Nale¿y tu zauwa¿yæ, ¿e analogiczn¹ zale¿noœæ tj. wzrost wartoœci wspó³czynnika prekonsolidacji wraz ze zmniejszaniem siê g³êbokoœci poboru próbki do badañ edo-metrycznych dla i³ów g³êbokomorskich obserwowali Ravalovich i Chaney (1990).

Wartoœci OCR zdaniem niektórych autorów (np. Szy-mañski, 1991; Kisiel, 1965, 1967a, b) powinny byæ kory-gowane. Wartoœæ naprê¿enia konsolidacji (w efekcie równie¿ wartoœæ OCR) zale¿y równie¿ od stosowanej pro-cedury laboratoryjnej (np. Szymañski & Lechowicz, 1987).

Wnioski

Wykazano, ¿e w krach glacitektonicznych Œrodkowego Nadodrza wartoœci OCR bêd¹ zale¿eæ m.in. od stanu grun-tu kier w czasie ich transporgrun-tu. Wystêpowaæ mog¹ dwa podstawowe przypadki:

grunt w transporcie glacitektonicznym by³ w stanie

„plastycznym”, st¹d zapisane w jego „pamiêci” wartoœci

Fz D(z pierwotnego po³o¿enia) ulegaj¹ zatarciu,

grunt w transporcie glacitektonicznym by³ w stanie

„zamarzniêtym” i wartoœci FzD zostaj¹ zachowane.

Ocena wartoœci OCR w gruntach zaburzonych glaci-tektonicznie (typu fa³dowego, ³uskowego, itd.) jest obar-czona du¿ym b³êdem i traktowana mo¿e byæ wy³¹cznie jako orientacyjna.

Z analizy rozk³adu naprê¿enia w gruncie od obci¹¿enia ci¹g³ego (np. l¹dolodu) wynika, ¿e wraz ze wzrostem g³êbokoœci poboru próbek gruntu do badañ, wartoœci OCR bêd¹ maleæ. Zale¿noœæ taka jako „standardowa” dokumen-towana jest w wielu cytowanych pracach (np. Rafalovich & Chaney, 1990; Kotowski & Kraiñski, 1998b, c, d, e, f).

Literatura

BOLT A.F., DEMBICKI E. & HORODECKI G.A. & KRYCZA££O A. 1994 — Problemy statecznoœci œcian oporowych w warunkach wystê-powania warstw gruntów pêczniej¹cych. I³y poznañskie. Seminar., Akad. Tech. Roln., Bydgoszcz.

DAVIDSON J.I. 1977 — A Quasi-preconsolidation Clay Model. Proc-IX-th Intera.Confer. Soil Mech. Found. Eng. Tokyo: 75–79.

DYJOR S. 1992 — Rozwój sedymentacji i przebieg przeobra¿eñ osa-dów w basenie serii poznañskiej w Polsce. Pr. Geol.-Miner., 26: 3–18. Wyd. Uniw. Wroc³.: 3–18.

ESU P. & GRISOLIA M. 1977 — Creep Charakteristics of an Over-consolidated Jointed Clay. Proc. IX-th Inter. Confer. Soil Mech. Foun-d. Eng. Tokyo: 93–100.

IZBICKI R.J. & STACHOÑ M. 1989a — Badanie ciœnienia prekonso-lidacji trzeciorzêdowych gruntów spoistych. VI-th Glacitectonics Sym-p. Wy¿. Szk. In¿., Zielona Góra: 41–52.

IZBICKI R. J. & STACHOÑ M. 1989b — Wp³yw przekonsolidowania na w³asnoœci wytrzyma³oœciowe badanych trzeciorzêdowych gruntów spoistych. VI-th Glacitectonics Symp. Wy¿. Szk. In¿., Zielona Góra: 53–64.

IZBICKI R. J. & STACHOÑ M. 1992 — Badanie pêcznienia mocno przekonsolidowanych trzeciorzêdowych gruntów spoistych zaburzonych glacitektoniczne. VII-th Glacitectonics Symp.Wy¿. Szk. In¿., Zielona Góra: 55–64.

IZBICKI R. J. & STACHOÑ M. 1995 — Œciœliwoœæ i pêcznienie gruntów mocno przekonsolidowanych. Pr. Nauk. Inst. Geotech. Hydrotech., 69, Politech. Wroc³.: 133–138.

IZBICKI R. J., STACHOÑ M., KONDERLA H. & SZCZEŒNIAK K. 1995 — Edometryczne badania ciœnieniaprekonsolidacjitrzeciorzêdo-wych gruntów ilastych. VIII-th Glacitectonics Symp. Wy¿. Szk. In¿., Zielona Góra: 45–54.

JACOBSEN H.M. 1977 — Stress-Strain-Relationship of

Preconsolidated Clay. Proc. IX-th Inter. Confer. Soil Mech. Found. En. Tokyo.

JAROSZEWSKI W. 1991 — Rozwa¿ania geologiczno-strukturalne nad genez¹ deformacji glacitektonicznych. Ann. Soc. Geol. Pol., 61: 153–206.

KISIEL I. 1965 — Naprê¿enia pod obci¹¿eniem trapezowym. Arch. Hydrotech., 12: 171–176.

KISIEL I. 1967a — Dzia³anie obci¹¿enia na grunt o modelu M/V. Granice reologiczne. Arch. Hydrotech., 14: 461–472.

KISIEL I. 1967b — Dzia³anie naprê¿enia na grunt o modelu M/V. Stan wewn¹trz strefy uplastycznienia. Arch. Hydrotech., 14: 609–619. KOTOWSKI J. & KRAIÑSKI A. 1985 — Bau und Genese der Glacitektonische Schollen des Dalkowskie-Hugellandes bei G³ogów VR Polen. Zeisch. Geol. Wissntschaft. Berlin, 16: 153–156. KOTOWSKI J. & KRAIÑSKI A. 1986 — Zwi¹zek kier glacitektonicznych z depresjami glacitektonicznymi. V-th Glacitectonics Symp. Wy¿. Szk. In¿., Zielona Góra: 75–84. KOTOWSKI J. & KRAIÑSKI A. 1992 — Uwagi o wystêpowaniu zaburzeñ glacitektonicznych we wschodniej czêœci Zielonej Góry. VII-th Glacitectonics Symp. Wy¿. Szk. In¿., Zielona Góra: 89–104. KOTOWSKI J. & KRAIÑSKI A. 1998a — Wielkoœæ naprê¿eñ pionowych wywieranych przez l¹dolody na pod³o¿e. Zesz. Nauk., 115, Polit. Zielonogórskiej: 5–18.

KOTOWSKI J. & KRAIÑSKI A. 1998b — Ocena wspó³czynnika prekonsolidacji (OCR) w glinach zwa³owych zlodowacenia œrodkowo-polskiego w Lesznie. Zesz. Nauk., 115, Politech. Zielonogórskiej: 45–56.

KOTOWSKI J. & KRAIÑSKI A. 1998c — Wspó³czynnik prekonsolidacji w glinach zwa³owych glacifazy leszczyñskiej w Cigacicach. Zesz. Nauk., 115, Polit. Zielonogórskiej: 33–44. KOTOWSKI J. & KRAIÑSKI A. 1998d — Analiza wspó³czynnika prekonsolidacji w gruntach trzeciorzêdowych zaburzonych

glacitektonicznie w £êknicy. Zesz. Nauk., 115, Polit. Zielonogórskiej: 81–96.

KOTOWSKI J. & KRAIÑSKI A. 1998e — Wielkoœæ wspó³czynnika prekonsolidacji (OCR) w glinach zwa³owych zlodowacenia œrodkowopolskiego w Zielonej Górze. Zesz. Nauk., 115, Polit. Zielonogórskiej: 19–32.

KOTOWSKI J. & KRAIÑSKI A. 1998f — Uwagi o wspó³czynniku prekonsolidacji w gruntach deluwialnych w G³ogowie. Zesz. Nauk., 115, Polit. Zielonogórskiej: 75–80.

KRAIÑSKI A. 1989 — Zarys budowy glacitektonicznej Wzgórz Dalkowskich. VI-th Glacitectonics Symposium. Wy¿. Szk. In¿., Zielona Góra: 289–312.

KOWALSKI W.C. 1992 — Glacitektoniczne i nieglacitektoniczne deformacje stropu frakcji ilastej i³ów poznañskich w Polsce Œrodkowej. VII-th Glacitectonics Symp. Wy¿. Szk. In¿., Zielona Góra: 169–206. KOWALSKI W.C. 1995 — Wk³ad Zielonogórskiego oœrodka geologii in¿ynierskiej w rozwój glacitektoniki w Polsce. VIII-th Glacitectonics Symposium. Wy¿. Szk. In¿., Zielona Góra: 203–216.

LAMBE T.W. & WHITMAN R.V. 1978 — Mechanika gruntów. Wyd. Arkady.

LISZKOWSKI J. 1970 — Wp³yw litologii, genezy i historii obci¹¿eñ na w³asnoœci fizyczno-mechaniczne trzeciorzêdowych utworów kontynentalnych pó³nocno-wschodniej czêœci jurajskiego obrze¿enia Gór Œwiêtokrzyskich. Biul. Geol., 12: 139–197.

NAGARAJ T.S., PANDIAN N.S. & NARASIMHA RAJU P.S.R 1994 — Stress-state-permeability relations for overconsolidated clays. Geotechnique, 44: 363–366.

RAFALOVICH A. & CHANEY R.C. 1990 — Correlation between OCR and depth for dep-sea sediments. Jour. Geotech. Eng., 116: 1744–1749.

SZYMAÑSKI A. 1991 — Czynniki warunkuj¹ce proces odkszta³cenia gruntów organicznych. Ser. Monografie SGGW-AR. Warszawa. SZYMAÑSKI A. & LECHOWICZ Z. 1987 — Badania gruntów s³abych w warunkach ci¹g³ego wzrostu obci¹¿enia. Pr. Nauk. Inst. Geotech. Politech. Wroc³., 52. Wroc³aw: 151–156.