Jarosław FILIPIAK Politechnika Koszalińska
W ZM ACNIANIE G R U T N Ó W O RG ANICZNYCH M IESZANK Ą CEM ENTOW O -W APIENNĄ
Streszczenie. W artykule przedstawiono metodologię i wyniki badań wzmacniania gruntów organicznych z okolic Koszalina mieszanką cementowo-wapienną, oraz dokonano próby porównania niektórych parametrów gruntów wzmocnionych i naturalnych.
STABILIZATION OF ORGANIC SOILS WITH CEMENT-LIME MIXTURE
Summary. Methodology and results o f study on stabilization o f organic soils from Koszalin area by means o f cement-lime mixture are presented, together with an attempt to make a comparison between parameters o f reinforced and natural soils.
1. W prowadzenie
W praktyce budowlanej coraz częściej spotykamy się z koniecznością posadowienia budynków mieszkalnych, dróg, mostów, obiektów zabudowy przemysłowej, jak i konstrukcji inżynierskich, w trudnych warunkach geotechnicznych. Atrakcyjna lokalizacja oraz cena gruntów do tej pory nie zabudowanych coraz częściej zwraca uwagę inwestorów. Obiekty te będą musiały zostać posadowione na gruntach organicznych. Długotrwały oraz często utrudniony proces wymiany gruntu, a także kosztowne metody posadowienia głębokiego, spowodowały szukanie metod innych, szybszych i tańszych niż tradycyjne. Jedną z nowych jest metoda kolumn cementowo-wapiennych. Technologia ta udowodniła w ostatnich latach swoją przydatność i chociaż nie ujawniła do końca wszystkich swoich możliwości, to zyskuje coraz większą popularność i jest stosowana w wielu przypadkach w różnych miejscach na świecie. Celem tej metody pierwotnie było polepszenie własności wytrzymałościowych i odkształceniowych gruntów spoistych, głównie iłów.
Pomysł wtryskiwania wapna gaszonego w grunt, w celu uformowania pionowej kolumny, był po raz pierwszy zaprezentowany w Skandynawii w 1967 r. przez Kjelda Poulusa ze Szwecji. Pracował on przez kilkanaście lat jako inżynier drogowy i używał wapna gaszonego do stabilizacji powierzchni gruntu, co jest ciągle techniką stosowaną na całym świecie w wielu projektach drogowych. Poulus stwierdził, że spadek wilgotności gruntu i wzrost jego wytrzymałości, który można obserwować przy stabilizacji powierzchniowej gruntu, będzie można również uzyskać, jeśli wapno będzie wprowadzone pionowo w głąb gruntu. Aby wprowadzić wapno w grunt, wykorzystano sprężone powietrze, gdyż użycie mieszanki wody i wapna spowodowałoby natychmiastową reakcję. Natomiast reakcja ta powinna zajść między stabilizatorem i wodą porową, kiedy stabilizator zostanie zmieszany z gruntem. Początkowo do stabilizacji stosowano wapno palone, które powodowało wzrost temperatury w kolumnie, a tym samym przyśpieszało proces twardnienia. Późniejsze doświadczenia wykazały, że cement powoduje ten sam efekt twardnienia kolumny co wapno, szczególnie w przypadku gruntów organicznych i ilastych. Od 1985 roku stosuje się więc mieszaniny cementu i wapna, jak również cement albo wapno zmieszane z różnymi dodatkami: gipsem, pyłem, popiołem lotnym, granulowanym żużlem piecowym itp.
Celem artykułu jest przedstawienie wstępnych wyników, pozwalających na znalezienie optymalnej ilości środka stabilizującego wybrane grunty organiczne, który zapewniłby powstanie gruntu stabilizowanego o module edometrycznym nie mniejszym niż 1 MPa oraz odpowiedniej wytrzymałości.
2. Przygotow anie próbek do badań
Do badań wytypowano trzy grunty organiczne z okolic Koszalina: torf, namuł gliniasty oraz kredę jeziorną. Zbadano cechy fizyczne wytypowanych gruntów, a następnie próbki gruntu zmieszano ze stabilizatorem.
Mieszanka stabilizująca, składająca się wagowo z 80 % cementu hutniczego i 20 % wapna palonego, była stosowana do wszystkich gruntów w tych samych proporcjach cementu oraz wapna, lecz w trzech stosunkach wagowych na jednostkę objętości gruntu (150, 210 i 300 kg/m3). Środek stabilizujący był mieszany z gruntem przez 5 min, co zapewniało równomierne wymieszanie gruntu ze stabilizatorem. Homogeniczną mieszankę umieszczano w formach walcowych o średnicy 40 mm i wysokości 100 mm. Grunt do foremek był układany warstwami o miąższości około 30^40 mm, następnie lekko ubijany, aby zapobiec
tworzeniu się obszarów o większej lub mniejszej gęstości. Górną powierzchnię każdej warstwy, dla uzyskania jednorodności próbki, rysowano, a następnie układano kolejną warstwę. Po zapełnieniu całej formy górną i dolną powierzchnię próbki wyrównywano. Do czasu badania próbki przechowywano w warunkach stałej wilgotności, w pozycji pionowej, pod niewielkim obciążeniem około 10 kPa, tak aby nie dopuścić do pęcznienia próbek. Miało to na celu zapewnienie związania środka stabilizującego.
3. Badania laboratoryjne
Zakres badań obejmował badania na jednoosiowe ściskanie oraz określenie edometrycznego modułu ściśliwości. Badania wytrzymałościowe wykonano po 14 i 28 dniach od chwili zmieszania środka stabilizującego z gruntem. Badaniom zostały poddane próby gruntu stabilizowanego m ieszanką cementu i wapna, jak i próby gruntu w stanie naturalnym - jako porównawcze dla uzyskanych wyników wzmocnienia tych gruntów.
Badanie ściśliwości wykonano w warunkach uniemożliwionej bocznej rozszerzalności próbki gruntu, umieszczonej w nieodkształcalnym pierścieniu edometru z możliwością odpływu wody. Badanie wykonano na próbkach gruntu w stanie naturalnym oraz na próbkach ze stabilizatorem po 28 dniach od chwili zmieszania. Wyniki doświadczenia wykonanego dla gruntu w stanie naturalnym posłużyły do oszacowania efektu wzmocnienia.
3.1. Właściwości fizyczne
Badania laboratoryjne trzech wytypowanych rodzajów gruntu zostały wykonane zgodnie z metodyką przedstawioną w PN-88/B-04481 „Grunty budowlane. Badania próbek gruntu”.
Badania te miały na celu rozpoznanie i sklasyfikowanie tych gruntów. W wyniku badań określono podstawowe cechy fizyczne: wilgotność naturalną, zawartość części organicznych, gęstość objętościową gruntu oraz klasę zawartości węglanów (tablica 1).
Tablica 1 Zestawienie zbadanych cech fizycznych _____________
Rodzaj gruntu Wilgotność Straty prażenia, u , r%i
Gęstość objętościowa P , [g/cm3]
Klasa zawartości węglanów
T O R F 439,45 54,31 1,10 III
N A M U Ł G L IN IA S T Y 130,13 14,34 1,34 IV
K R E D A JE Z IO R N A 215,32 22,79 1,25 IV
3.2. Wytrzymałość na ściskanie
Badania wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie (bez naprężeń bocznych) prób gruntu wzmocnionego mieszanką stabilizującą wykonano na prasie. Dla każdej z trzech mieszanek (150, 210, 300 kg/m3) pomierzono siłę ściskającą po 14 i 28 dniach dojrzewania próbek w warunkach stałej wilgotności. Za wartość naprężenia ściskającego przyjęto tę, która doprowadziła do zniszczenia próbki. Dla każdej mieszanki wykonano trzy badania. Jako wynik ostateczny przyjęto średnią arytmetyczną z trzech oznaczeń.
3.3. Ściśliwość (moduł ściśliwości pierwotnej)
Próbki gruntu wzmocnionego umieszczano w pierścieniach edometru i przechowywano do czasu badania w otoczeniu wody, pod obciążeniem około 10 kPa, tak aby nie dopuścić do pęcznienia próbek. Badania ściśliwości próbek gruntu wzmocnionego wykonano po 28 dniach wiązania mieszanki. W programie badań jako pierwszy stopień obciążenia przyjęto 12,5 kPa. Następne stopnie obciążenia wynosiły odpowiednio 25, 50, 100, 200 kPa. Przy każdorazowej zmianie obciążenia notowano wartość odkształcenia po 1, 2.5, 15, 30 min oraz po 1, 2, 4, 8, 16, 24 h od chwili przyłożenia obciążenia, a po pierwszej dobie notowano wskazania czujnika po każdych 24 h. Każdorazową zmianę obciążenia przeprowadzano po uzyskaniu umownej stabilizacji wysokości próbki. Za umowną stabilizację osiadań przyjęto taki moment, gdy zmiana wysokości próbki nie przekraczała 0,01 mm w ciągu 24 godzin.
4. W yniki badań
Wyniki badań wytrzymałości na ściskanie zostały przedstawione w formie wykresów na rysunku 1 (badania na ściskanie po 14 dniach) i na rysunku 2 (po 28 dniach od momentu zmieszania gruntu ze stabilizatorem).
Wyniki badań ściśliwości przedstawiono w formie tablic (o numerach 2, 3 i 4), wykresu słupkowego modułów (rys. 3) oraz w postaci krzywych ściśliwości (rysunki 4, 5, 6).
W y trz y m a ło ś ć na ś c is k a n ie g ru n tó w s ta b iliz o w a n y c h po 14 dniach
I.3>
1200 1000 800
T o rf Na muł
ro d z a j g ru n tu Kreda
c-w 8 0 /2 0 /3 0 0 c -w 8 0 /2 0 /2 1 0 c -w 8 0 /2 0 /1 5 0 grunt naturalny
R ys. 1. W y trzym ałości n a ściskanie prób gruntu w zm ocnionego m ie sz an k ą stab ilizu jącą po 14 d n iach d o jrzew an ia
Fig. 1. C rushing stren g th o f soil sam ples reinforced w ith stab ilizin g m ixture, after 14 days
W y trzy m a ło ś ć na ś cis ka n ie g ru n tó w s ta b ilizo w a n y c h po 28 dniach
Na muł Kreda
ro d z a j g ru n tu
c-w 80 /2 0 /3 0 0 c-w 8 0 /2 0 /2 1 0 c-w 80 /2 0 /1 5 0 grunt naturalny
Rys. 2. W y trzym ałości n a ścisk an ie prób gruntu w zm ocnionego m ie sz an k ą sta b ilizu jąc ą po 28 dniach do jrze w an ia
Fig. 2. C ru sh in g stren g th o f soil sam ples rein fo rced w ith stab ilizin g m ixture, after 28 days
I
T o r f N am uł K re d a
ro d z a j g ru n tu
nt naturalny
Rys. 3. E dom etryczne m o d u ły ściśliw o ści dla naprężeń (H 200 kPa Fig. 3. O e d o m eter co m p ressib ility m odulus fo r stress (H 200 kPa
T ab lica 2 W artości m o d u łu ściśliw o ści pierw otnej to rfu naturalnego i w zm ocnionego Zakres
obciążeń, [kPa]
Wartości modułów ściśliwości TORFU, Mo , [MPa]
grunt naturalny grunt stabilizowany c-w 80/20
150 kg/m3 210 kg/m3 300 kg/m3
Oh-12.5 0,19 0,61 2,72 7,80
12.5-25 0,79 1,13 3,10 12,47
25-50 0,11 1,19 3,61 16,19
50+100 0,33 1,40 4,44 18,71
100+200 0,60 0,67 4,62 17,28
T ablica 3 W artości m odułu ściśliw ości pierw otnej nam ułu gliniastego n aturalnego i w zm ocnionego
Zakres obciążeń,
[kPa]
Wartości modułów ściśliwości NAMUŁU GLINIASTEGO, Mo , |MPal grunt naturalny grunt stabilizowany c-w 80/20
150 kg/m3 210 kg/m3 300 kg/m3
0+12.5 0,12 2,08 6,00 28,57
12.5+25 0,16 1,16 4,42 13,07
25+50 0,32 3,07 7,60 20,79
50+100 0,54 0,75 3,90 18,77
100+200 0,40 0,53 1,58 18,10
Tablica 4 W artości m odułu ściśliw o śc i pierw otnej kredy jeziornej naturalnej i w zm ocnionej Zakres
obciążeń, [kPa]
Wartości modułów ściśliwości KREDY JEZIORNEJ, M o , |MPal grunt naturalny grunt stabilizowany c-w 80/20
150 kg/m3 210 kg/m3 300 kg/m3
0+12.5 0,12 33,34 33,34 33,34
12.5+25 0,12 17,49 33,33 33,21
25+50 0,28 17,03 59,97 24,99
50+100 0,58 6,48 13,02 49,94
100+200 0,49 19,39 37,83 33,26
19,0 18,0 17,0 1 16,0
w 15.0 14.0
i
= = = = = = = 4
.......
ł = = a s = = = = s s :
> 8 ...
‘ — •• w. ...<p
/ / / ✓/
i
J
' >»
* N . * s .
•>*. . *1
torf
- • • ---c -w 8 0 /2 0 /1 5 0
_ . . ---c -w 8 0 /2 0 /1 5 0
. . . O - - - c - w 8 0 /2 0 /2 1 0
. . - O - - - c - w 8 0 /2 0 /2 1 0
- - O --- c -w 8 0 /2 0 /3 0 0
- - O --- c -w 8 0 /2 0 /3 0 0
50 100
naprężenie [kPa]
150 200
Rys. 4. K rzyw e ściśliw ości g runtu w zm ocnionego Fig. 4. A com p ressib ility c u rv es o f stabilized soil
19.0
! 18'0
<D
1 17.0 1 16,0
W 15.0 14.0
f W K S B i£?“ ====
II 1 1 1 1 11 tM/ / /
//
*"...4
50 100 150
naprężenie [kPa]
- - • C-W 8 0 /2 0 /1 5 0
- - • c -w 8 0 /2 0 /1 5 0
. . -o- - - c - w80/20 /2 1 0 - - - O - - - c -w 8 0 /2 0 /2 1 0
□ c -w 8 0 /2 0 /3 0 0
O c -w 8 0 /2 0 /3 0 0
200
Rys. 5. K rzy w e ściśliw o ści gruntu w zm ocnionego Fig. 5. A co m p ressib ility cu rv es o f stabilized soil
20,0
19,9 I 19,8
a>
c 19,7
a)
1 19,6 ci
19,5 19,4
' ' t ...... --- ---,
‘ s ^ ■ • • N
'N v
' s
w - — 1
50 100 150
naprężenie [kPa]
kreda
_ . • c -w 8 0 /2 0 /1 5 0
_ . . c -w 8 0 /2 0 /1 5 0
- - -O - - - c - w 8 0 /2 0 /2 1 0
-. -o- - - c -w 8 0 /2 0 /2 1 0 - - O c -w 8 0 /2 0 /3 0 0
- - O c -w 8 0 /2 0 /3 0 0
200
Rys. 6. K rzyw e ściśliw o ści g runtu w zm ocnionego Fig. 6. A c o m p ressib ility c u rv es o f stab ilized soil
5. W nioski
Badania wytrzymałości na ściskanie w przypadku torfu i namułu wzmocnionego najsłabszą mieszanką 150 kg/m3 dały wartości sił ściskających kilkakrotnie większe od wytrzymałości gruntu naturalnego. Kreda jeziorna jest lepszym materiałem do stabilizacji, wartość siły ściskającej dla gruntu wzmocnionego jest kilkakrotnie większa od wartości tej siły dla gruntu naturalnego.
Wartość modułu ściśliwości 1 M Pa można założyć jako wartość graniczną, poniżej której nie ma sensu wykonywania kolumn cementowo-wapiennych. W takim przypadku można
mówić jedynie o zastosowaniu stabilizacji masowej w całej objętości gruntu organicznego.
Przedstawione wyniki wykazują, że dla torfu i namułu gliniastego moduł ściśliwości rzędu 1 MPa uzyskujemy przy zastosowaniu mieszanki 210 kg/m3. Natomiast w przypadku kredy jeziornej otrzymano wartość modułu przekraczającą kilkakrotnie 1 MPa już przy zastosowaniu mieszanki 150 kg/m3. Rysunki 4, 5 i 6 przedstawiają krzywe ściśliwości wzmocnionych gruntów. Zmienność modułu ściśliwości ze wzrostem naprężenia (tablice 2, 3, 4) jest nietypowa dla gruntów organicznych, jak i również dla gruntów mineralnych. Spowodowane to może być załamaniem się szkieletu gruntu stabilizowanego.
Należy również pamiętać o niejednorodności stabilizowanych prób gruntu w obrębie danej próbki. Badana próba gruntu w laboratorium została pobrana z przelotu otworu od 0.5 m do około 1.0 m p.p.t. i z kilku miejsc w promieniu 2 m, co mogło mieć istotny wpływ na niejednorodność samej próby gruntu naturalnego.
LITERATURA
1. Myślińska E.: Laboratoryjne badania gruntów. Wyd. PWN, Warszawa 1992.
2. Yonekura, Terashi & Shibazaki Balkema: Grouting and Deep Mixing. Rotterdam 1996.
3. Wemo M. (kierownik tematu): Opracowanie podstaw stosowania technologii wzmacniania gruntu za pomocą kolumn cementowo-wapiennych dla potrzeb budownictwa drogowego. Gdańsk, grudzień 1999.
4. Polska Norma, PN -88/ B -0 4 4 8 1 Grunty budowlane. Badania próbek gruntu.
Recenzent: Prof, dr hab.inż. Lech WYSOKIŃSKI
Abstract
Organie soils from Koszalin area: peat, mud and bog lime have been tested regarding their usefulness for stabilization using cement-lime admixture. Physical soil properties have been examined as well as compressibility and compressive strength. The admixture contains 80 % cement and 20 % lime and it has been added at amounts o f 150, 210 and 300 kg/m3.
Stabilized soil samples have been cured in water during 28 days. Compressive strength and confined compression tests have been performed for the samples. The compressive strength is presented in Figs. 1, 2, and compressibility curves are shown in Figs. 4, 5 and 6. Tests have proved that the best parameters o f stabilized soil one can get for the bog lime. Research results also demonstrate that in confined compression tests a structure collapse may appear.
