Klucze do szybkiego rozpoznawania rodzaju gruntu na podstawie uziarnienia

ZESZY TY N A U K O W E PO L IT EC H N IK I ŚLĄ SK IEJ Seria: B U D O W N IC T W O z. 111

2007 N r kol. 1756

Jan JEŻ, T om asz JEŻ

Zakład G eotechniki i G eologii Inżynierskiej Politechnika P oznańska

KLUCZE DO SZYBKIEGO ROZPOZNAWANIA RODZAJU GRUNTU NA PODSTAWIE UZIARNIENIA

S treszczenie. A utorzy od w ielu lat obserw ują trudności, nie tylko studentów , podczas rozpoznaw ania rodzaju gruntu n a podstaw ie je g o uziam ienia. Sytuację pogarsza w prow adzenie now ej norm y, która zm ienia zasady klasyfikacji gruntów . O becnie projektow anie fundam entów w Polsce w ym aga dobrej znajom ości obydw óch klasyfikacji.

Artykuł przedstaw ia prosty sposób rozpoznania rodzaju gruntu na podstaw ie u ziam ienia w edług obydw óch norm .

CLUES TO QUICK RECOGNITION OF GROUND TYPES ON THE BASIS OF GRAIN SIZE DISTRIBUTION

Sum m ary. The authors o f the project for m an y years have observed the difficulties with the recognition o f ground types on the basis o f grain size distribution, not only am ong students. T he introduction o f a new norm , changing th e ground classification, m akes the situation even w orse. C urrently, designing the foundations in Poland requires the know ledge o f the tw o classifications. The article show s an easy w ay to recognize ground types on the basis o f the grain size distribution according to both norm s.

1. Wprowadzenie

Studenci budow nictw a z trójkątem Fereta sp otykają się co najm niej dw ukrotnie: na zajęciach z geologii inżynierskiej oraz z m echaniki grantów . N ie są to niestety spotkania, które dobrze w spom inają. Dla w ielu z nich korzystanie z licznych norm ow ych tablic w celu określenia nazw y gruntu na podstaw ie zaw artości poszczególnych frakcji je s t bardzo uciążliw e. D la niektórych zam iana krzyw ej u ziam ienia na nazw ę gran tu na podstaw ie trójkąta Fereta stanow i tru d n ą do pokonania barierę intelektualną. Tylko nieliczni są pew ni nazw y gruntu, k tó rą t ą d ro g ą przyporządkow ali do krzyw ej uziam ienia. A przecież w łaściw e

rozpoznanie gruntu je s t początkiem długiej drogi do zapew nienia stabilności obiektu budow lanego. N a tym etapie nie m a m iejsca na pom yłki.

Przyczyny takiego stanu rzeczy tk w ią praw dopodobnie w fakcie, że trójkąt Fereta i tabele norm ow e [1], przy całej swojej użyteczności, s ą zbyt złożone, aby m ógł z nich korzystać bez problem ów każdy, nie tylko geotechnik. K orzystanie z tych pom ocy w ym aga treningu i dobrej orientacji. Student, dla którego zajęcia z m echaniki gruntów są tylko jednym z wielu zaliczanych przedm iotów (w dodatku przez w ielu stereotypow o traktow ane z lekkim przym rużeniem oka), m a m ałe szanse, aby dobrze opanow ać to zagadnienie.

A utorzy postanow ili stw orzyć prostszy system rozpoznaw ania rodzaju gruntu na podstaw ie zaw artości poszczególnych frakcji. System zakłada, że użytkow nik zna procentow ą zaw artość poszczególnych frakcji tw orzących grunt, a poszukuje w łaściw ej nazw y gruntu.

Założono, że proces ten ułatw i przedstaw ienie w szystkich nazw gruntów na niewielkiej, dającej się objąć jednym spojrzeniem , pow ierzchni. W ybór w łaściw ej nazw y spośród w szystkich dostępnych pow inien być szybki i nie budzić w ątpliw ości. U tw orzono schem at blokow y (przedstaw iony w dalszej części artykułu), k tóry prow adzi użytkow nika do ostatecznej nazw y gruntu poprzez udzielanie odpow iedzi na kolejno zadaw ane pytania, dotyczące proporcji m iędzy frakcjam i tw orzącym i badany grunt.

Słuszność obranego kierunku została potw ierdzona n a zajęciach. Studenci bez w iększych kłopotów szybko dopasow yw ali w łaściw ą nazw ę gruntu do analizow anych krzyw ych uziam ienia.

D odatkow ym argum entem z a w prow adzeniem alternatyw y dla trójkąta Fereta stało się pojaw ienie w roku 2005 nowej norm y, dotyczącej oznaczania i klasyfikow ania gruntów [2], która zdecydow anie zm ienia dotychczasow ą klasyfikację. Z m iany zostały opisane w artykule [3]. A utorki po dokładnej analizie różnic m iędzy dw iem a norm am i podsum ow ują, że

„w dobie globalizacji ujednolicona klasyfikacja gruntów je s t na pew no potrzebna.” P iszą jed n ak rów nież, że:

• „T ru d n ą z m ian ą je s t zasada określenia rodzaju gruntu; w analizie m akroskopow ej ta zm iana nie je s t tak kłopotliw a, natom iast określenie rodzaju gruntu na podstaw ie zaw artości frakcji je st dość złożone, gdyż nie m a tabeli z zaw artościam i frakcji, odpow iadającym i danem u rodzajow i gruntu. O kreślenia rodzaju gruntu dokonuje się w drodze graficznej interpretacji na trójkącie (zw anym tutaj trójkątem ISO) i ściśle z nim

Klucze do szybkiego rozpoznawania rodzaju gruntu na podstawie uziamienia 197

zw iązanym diagram ie. N orm a PN w yróżniała łącznie 20 gruntów gruboziarnistych i drobnoziarnistych, a w norm ie ISO gruntów z obu grup je s t 32.”

• „W norm ie PN rodzaj gruntu m ożna ustalać korzystając z tabeli (...) lub z graficznej konstrukcji w postaci trójkąta Fereta (...). W norm ie ISO zasada określania gruntu na podstaw ie zaw artości frakcji je s t dość skom plikow ana; konieczne je s t korzystanie z graficznej konstrukcji, składającej się z trójkąta z zaznaczonym i obszaram i, w których znajduje się kilka gruntów i diagram u, na podstaw ie którego w ybiera się rodzaj gruntu spośród gruntów w ystępujących w danym obszarze.”

• „S posób określania nazw y gruntu na podstaw ie krzyw ej uziam ienia w edług ISO je s t dużo bardziej złożony niż w edług PN . (...) N orm a ISO zaw iera w iele nieścisłości (...).

N iedopracow ana norm a będzie przy czy n ą codziennego rozdrażnienia tysięcy inżynierów z niej korzystających.”

Student, k tóry (być m oże) m a duże kłopoty ze zrozum ieniem zasad korzystania z trójkąta Fereta, znajdzie w tym sam ym artykule stw ierdzenie, że „budow a trójkąta je s t przejrzysta, a w yróżnione obszary gruntów łatw e do zapam iętania” , natom iast skorzystanie z trójkąta ISO

„jest m ożliw e tylko n a podstaw ie konstrukcji graficznej i je s t p rocedurą dość złożoną” . Student, który przeklina, b o k olejny raz pom ylił kierunki poszczególnych osi n a trójkącie Fereta, przeczyta w artykule („na pocieszenie”), że w now ym trójkącie - trójkącie ISO - kierunki s ą inne. M echanika gruntów je s t d y scypliną zbyt p ię k n ą i zbyt przydatną, aby odstraszać chętnych zakosztow ania je j tajników ju ż n a etapie rozpoznaw ania rodzajów gm ntów .

W prow adzanie now ej klasyfikacji spow odow ało także dodatkow e utrudnienia zw iązane z faktem , że nadal funkcjonuje norm a [4], om aw iająca zasady projektow ania posadow ienia bezpośredniego. W norm ie tej tabelki i nom ogram y do w yznaczania param etrów geotechnicznych o p ie ra ją się na starej klasyfikacji. W obec tego obydw ie klasyfikacje b ę d ą funkcjonow ać rów nolegle co najm niej do stw orzenia odpow iednika norm y fundam entow ej dostosow anego do now ego podziału gruntów . K onieczny je s t szybki sposób przejścia ze starej n azw y gruntu n a n o w ą i odw rotnie. M oże to być kłopotliw e, gdyż z porów nania obydw u trójkątów w ynika np., że „pospółka gliniasta - w edług ISO to m oże być je d en z 22 gruntów w yszczególnionych n a trójkącie (...), żw ir g liniasty to m oże być je d e n z czterech gruntów w yróżnionych n a trójkącie (clG r, siG r, saclG r, sasiG r).” [3]

Z w szystkich tych pow odów autorzy postanow ili stw orzyć drugi schem at blokow y, klucz do rozpoznaw ania rodzaju gruntu w edług zasad zaw artych w norm ie ISO [2], K ierow ano się podobnym i założeniam i ja k przy tw orzeniu schem atu dla starej klasyfikacji. K lucz wraz z instrukcją użytkow ania znajduje się w dalszej części artykułu (patrz rys. 2).

D zięki tym kluczom m ożna - znając k rzy w ą uziam ienia gruntu - szybko uzyskać jego nazw ę w edług now ej klasyfikacji, a następnie odnaleźć je g o „starą” nazw ę, aby, korzystając z norm y fundam entow ej [4], przyporządkow ać m u p aram etry geotechniczne.

2. Frakcje granulometryczne

O bydw ie klasyfikacje o pierają się na zaw artości poszczególnych frakcji. N iestety, obydw ie norm y ró ż n ią się rów nież w kw estii podziału n a frakcje. W zw iązku z tym w tabeli 1 przedstaw iono porów nanie obydw óch norm p o d kątem nazw , sym boliki frakcji oraz granicznych w artości średnic zastępczych. N a podziale tym op ierają się klucze do rozpoznaw ania rodzaju gruntu, w ięc uproszczone w ersje tabelki zn ajd u ją się (dla w ygody użytkow nika) pod każdym z kluczy.

3. Instrukcja do schematu klasyfikacji wg PN

W ędrów kę po schem acie (ry s .l) należy rozpocząć od po la z napisem START i kontynuow ać podążając zgodnie ze w skazaniam i w łaściw ych strzałek aż do osiągnięcia nazw y gruntu, która je s t podana za num erem porządkow ym gruntu (um ieszczonym w niew ielkim kw adracie). Po drodze należy odpow iedzieć n a w iele pytań, dotyczących zaw artości poszczególnych frakcji lub zespołów frakcji. Pytania zostały przedstaw ione sym bolicznie w kw adratow ych polach. Pola zaw ierają sym bol frakcji lub zespołu frakcji oraz poniżej liczbę o znaczającą zaw artość procentow ą.

Przykład 1: kw adrat z za w artością K /50 oznacza pytanie: „czy frakcja K (powyżej 40 m m ) stanow i ponad 50% m asy gruntu?”

Przykład 2: kw adrat z za w artością K Ż/10 oznacza pytanie: „czy frakcje K i Ż (powyżej 2,0 m m ) stanow ią ponad 10% m asy gruntu?”

W yjątkiem od tej reguły są pola oznaczone ja k o 0,5/50 i 0,25/50, które oznaczają pytanie:

„czy ziaren o średnicy zastępczej odpow iednio 0,5 lub 0,25 m m je s t w gruncie więcej niż 50% ?

Klucze do szybkiego rozpoznawania rodzaju gruntu na podstawie uziamienia 199

W dw óch kw adratach znalazły się sym bole graficzne, które zostały w yjaśnione pod schem atem .

T abela 1 P orów nanie podziału n a frakcje granulom etryczne w g norm y ISO [2] oraz n orm y PN [1]

N O R M A ISO N O R M A PN

O N N O

< g CQ O

wH t/3

NO

aa

cg

tu f—

NO

z

Q

630 mm

X

t LA R G E B O U L D ER S I ^ Jd O d u ż e G ŁAZY

200 mm 63

I

m m

I

BO U LD ER S G ŁAZY

Bo

Co

K A M IEN IE

20 mm

f i C O A RSE v j r L U r g r u b y

6,3 mm

I

hJ

s l

2,0 m m 0,63

I

mm 0,2

I

mm

I

Sa

O w_C/3

<1 S

C/3 SL

0,063 m m 0,02

I

m m

0,0063

mm

0,002 m m

Si

FG r FINE

( - y q CO A RSE

t o S G R U B Y

» i n M E D IU M M o a ŚRED NI

1“' n FIN E r o a d r o b n y

o • C O A R SE

^ ^ * G R U B Y

Ty \ Q * M E D IU M I V l O l ŚR ED N I

T 7 Q ! FIN E r o i D R O B N Y

C l ŁLAY

40 m m

A y f r V M E D IU M

M u r

mm2

0,05 m m

FR A K C JA K A M IEN ISTA

FR A K C JA ŻW IRO W A

FR A K C JA PIA SK O W A

0,002 mm

71

F R A K C JA P Y LA STA

f i

FR A K C JA IŁO W A

Wi—i

g

<

<

N

2 Hco

<KI O

żg E>- ż rn

P o g 0 P o [ f ] P r Q o J * - 0,5

J O

P s 0 < X

jo

10 71

P d 0,25

I 50 PnO^h--- n P g

n p

30 p

«AA#

o >

30 71

oznacza pytanie, czy kamienie zostały wygładzone i obtoczone podczas transportu wodnego?

oznacza pytanie, czy kamienie występują poza miejscem wietrzenia skały pierwotnej?

KŻ 10 K

50 - START

^ \ A #

1

2 2

■KD

^ { U k r

- * 0 K W g

^ E K W

10

71

30 P

30

Pg

g n p I n

71

20 30

G7C

INSTRUKCJA

Poszukiwanie nazwy gruntu należy zacząć od pola START. Kwadratowe pola zawierają pytania dotyczące frakcji zapisane symbolicznie.

Użytkownik przesuwa się do kolejnych pól zgodnie ze wskazaniem właściwych strzałek.

Strzałka narysowana grubą linią oznacza odpowiedź TAK, strzałka narysowana cienką linią oznacza odpowiedź NIE.

Pole:

Gr 20

należy rozumieć jako pytanie:

czy frakcji o symbolu Gr jest ponad 20%? K >

średnica [mm]

i

FRAKCJE

LBo _bardzo

grubo - ziarniste

Bo T Co

1 Gr _Q ^{grubo -}

O__ - Sa

ziarniste

0 S i drobno -

Cl ^ziarniste

Rys. 1. Klucz do szybkiego rozpoznawania gruntów wg PN-86/B-02480 [1]

Fig. 1. The clue to quick recognition o f ground types according to PN-86/B-02480 [1]

Klucze do szybkiego rozpoznawania rodzaju gruntu na podstawie uziamienia 201

G r E s a G r [ i

g rS a 0 4 -

SaGO"*^-

START

Sa f .

20 « --- G r SiCl

Gr ^Sa 15

20 *

Bo 50

■*E]Bo

- > m c o

c l G r E K i ci*

s i G r P T k-1 20

Sa 20

cl SaL»

siSaG»

grsiSaOZH- sagrclS {HK- sagrsiSlUH- grsaclSE*

grsasiSuI

ci*

20 k -

Cl*

20 * 1 G r Cl* ■«- Sa 20

SiCl 40

Gr 20 GrSa

I

60

Cl*

20 Cl*

20

G r « -

Sa

Cl*

GrSa G r

Sa

- * 20

20 ^—$> Cl*

20

> Cl*

Gr ■ » Cl* » 40 20 20 -> Cl*

10

r Cl*

Sa » Cl* » 40 20 20 -> Cl*

10

Cl*

Cl* » 40 20 -> Cl*

10

-»fisi ^{sagrC I}

sagrSi -*|2i]g rsaC l

grsaSi

» G ^ g r C l r >£3 grsiC l -»OD grclSi

^ H J g r S i

»{źtJ saC l r->f28l sasiCI

-H H sacl Si ]£| saSi

» 0 0 C l

-»nn s i e i

» 0 3 cl Si ->03 Si

INSTRUKCJA

Poszukiwanie nazwy gruntu należy zacząć od pola START. Kwadratowe pola zawierają pytania dotyczące frakcji zapisane symbolicznie.

Użytkownik przesuwa się do kolejnych pól zgodnie ze wskazaniem właściwych strzałek.

Strzałka narysowana grubą linią oznacza odpowiedź TAK, strzałka narysowana cienką linią oznacza odpowiedź NIE.

Pole:

Gr 20

należy rozumieć jako pytanie:

< p czy frakcji o symbolu Gr jest ponad 20%?

średnica

i

[mm] ł

FRAKCJE

6 3 0 » -

200 0 63 0

2 0

0,063 O 0,002 O

LBo Bo

Co Gr Sa Si

C l

bardzo g ru b o ­ ziarniste

g ru b o ­ ziarniste

drobno - ziarniste

Rys. 2. Klucz do szybkiego rozpoznawania gruntów wg PN-EN ISO 14688-2 [2]

Fig. 2. The clue to quick recognition o f ground types according to PN-EN ISO 14688-2 [2]

P ytania zostały tak sform ułow ane, że m ożna n a nie odpow iedzieć jed y n ie TA K lub NIE.

O dpow iedź TA K oznacza, że d alszą drogę po schem acie w skazuje strzałka narysow ana g ru b szą linią. Strzałka narysow ana cieńszą lin ią oznacza kierunek p o odpow iedzi NIE.

G raficzny skrót pow yższych zasad znajduje się pod schem atem .

4. Instrukcja do schematu klasyfikacji wg ISO

W ędrów ka po schem acie ISO (rys.2) opiera się na podobnych zasadach ja k w schem acie poprzednim (patrz punkt 3).

Przykład 1: kw adrat z zaw artością Sa/20 oznacza pytanie: „czy frakcja Sa (od 0,063 do 2,0 m m ) stanow i ponad 20% m asy gruntu?”

Przykład 2: kw adrat z zaw artością G rSa/60 oznacza pytanie: „czy frakcje Gr i Sa (od 0.063.do 63,0 m m ) stanow ą ponad 60% m asy gruntu?”

W yjątkiem je s t pole (um ieszczone tuż za startem ) 63/50, które oznacza pytanie: „czy ziarna o średnicy zastępczej ponad 63 m m stanow ią ponad 50% m asy gruntu?

W yjątkiem od tej reguły są też cztery pola z sym bolam i Gr/Sa, które o znaczają pytanie:

„czy frakcji G r (od 2,0 do 63,0 m m ) je s t w ięcej niż frakcji Sa (od 0,063 do 2,0 m m )?

Sym bolem , który w ym aga dodatkow ych w yjaśnień, je s t Cl*, k tóry oznacza stosunek zaw artości frakcji Cl (poniżej 0,002 m m ) do frakcji drobnoziarnistych (poniżej 0,063 m m ) w yrażony w procentach.

Przykład 3: kw adrat z za w artością Cl*/20 oznacza pytanie: „czy frakcja Cl (poniżej 0,002 m m ) stanow i ponad 20% frakcji drobnoziarnistych (poniżej 0,063 m m )?”

Literatura

1. P N -86/B -02480 G runty budow lane. O kreślenia, sym bole, podział i opis gruntów.

2. PN -EN ISO 14688-2 B adania geotechniczne. O znaczanie i klasyfikow anie gruntów.

Część 2: Z asady klasyfikow ania. Projekt do ankiety (2005-06-01).

3. G ołębiew ska A., W udzka A.: N ow a k lasyfikacja gruntów w edług norm y PN -EN ISO.

„G E O IN Ż Y N IE R IA drogi m osty tunele” 04/2006 [11], s. 44-55.

4. PN -81/B -03020 G runty budow lane. Posadow ienie bezpośrednie budow li. O bliczenia statyczne i projektow anie.

Recenzent: D r hab. inż. Jacek Pieczyrak, prof. w Pol. Śląskiej