Politechnika Poznańska
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Instytut Inżynierii Lądowej
mgr Michalina Flieger-Szymańska
PARAMETRY FIZYKO-MECHANICZNE IŁÓW WARWOWYCH Z DOLINY STRUMIENIA JUNIKOWSKIEGO ZE SZCZEGÓLNYM
UWZGLĘDNIENIEM ICH WYTRZYMAŁOŚCI NA ŚCINANIE
INTERDYSCYPLINARNA ROZPRAWA DOKTORSKA wykonana w Zakładzie Geotechniki i Geologii Inżynierskiej PP
Promotorzy: prof. dr hab. inż. Antoni Florkiewicz i dr hab. Katarzyna Machowiak
Poznań, 2017
PODZIĘKOWANIA
Bardzo dziękuję moim Promotorom, prof. dr. hab. inż. Antoniemu Florkiewiczowi i dr hab. Katarzynie Machowiak za opiekę naukową, nieocenioną pomoc merytoryczną i liczne dyskusje oraz życzliwość w czasie pisania pracy.
Dziękuję dr. inż. Sławomirowi Janińskiemu za poświęcony czas, cenne dyskusje i uwagi przy interpretacji wyników badań oraz dr. hab. Albertowi Kubzdeli za wprowadzenie mnie w temat analiz statystycznych.
Dziękuję wszystkim Koleżankom i Kolegom z Zakładu Geotechniki i Geologii Inżynierskiej za okazaną pomoc i wsparcie.
Koleżankom i Kolegom z firmy Hydroconsult Sp. z o.o. dziękuję za życzliwość i wyrozumiałość w trakcie pisania pracy.
Pawłowi Kaczmarkowi i Michałowi Kubiakowi dziękuję za przygotowanie próbek do badań i wykonanie analiz rentgenograficznych.
Serdecznie dziękuję Rodzinie i Przyjaciołom za to, że we mnie wierzyli i wspierali w wielu trudnych chwilach. Rodzicom i Karolinie dziękuję również za cierpliwość i nieocenioną pomoc w opiece nad Zygusiem.
Dziękuję Adamowi za pomoc w profilowaniu ścian odsłonięć, pobieraniu próbek gruntów oraz za nieustanne wsparcie i motywację.
3
Spis treści
STRESZCZENIE ... 9
SUMMARY ... 10
1. Wstęp ... 11
1.1 Cel i zakres pracy ... 11
1.2 Tezy badawcze ... 12
1.3 Studium literatury o iłach warwowych ... 12
1.4 Zakres pracy ... 17
2. Procesy glacjalne na obszarze Wielkopolski ... 19
2.1 Glacitektonika na Niżu Polskim ... 21
2.2 Zlodowacenia południowopolskie ... 21
2.3 Interglacjał wielki ... 22
2.4 Zlodowacenia środkowopolskie ... 22
2.5 Interglacjał eemski ... 23
2.6 Zlodowacenie północnopolskie ... 24
2.6.1 Stadiał główny – faza leszczyńska ... 24
2.6.2 Stadiał główny – faza poznańska ... 25
2.6.3 Stadiał główny – faza pomorska ... 26
2.6.4 Stadiał główny – Bölling – młodszy dryas ... 26
3. Charakterystyka iłów warwowych ... 27
3.1 Geneza iłów warwowych i związana z nią budowa anizotropowa ... 27
3.2 Obecny stan wiedzy o iłach warwowych z doliny Strumienia Junikowskiego .. ... 29
4. Charakterystyka obszaru badań w świetle dotychczasowego stanu wiedzy ... 37
4.1 Położenie i zagospodarowanie terenu ... 37
4.2 Budowa geomorfologiczna ... 40
4.3 Budowa geologiczna ... 41
4.4 Wody powierzchniowe i warunki hydrogeologiczne ... 44
4.4.1 Wody powierzchniowe ... 44
4.4.2 Warunki hydrogeologiczne ... 45
5. Metody badań ... 47
5.1 Badania terenowe ... 47
5.2 Badania laboratoryjne ... 52
5.2.1 Skład granulometryczny ... 52
5.2.2 Skład mineralny frakcji iłowej ... 53
5.2.3 Wilgotność gruntu ... 53
5.2.4 Gęstość objętościowa gruntu, gęstość objętościowa szkieletu gruntowego, porowatość, wskaźnik porowatości ... 54
5.2.5 Granica plastyczności, granica płynności, wskaźnik plastyczności, stopień plastyczności , wskaźnik konsystencji ... 55
4 5.2.6 Wytrzymałość na ścinanie oznaczona w aparacie bezpośredniego
ścinania ... 57
5.2.7 Wytrzymałość na ścinanie oznaczona w aparacie trójosiowym ... 63
6. Badania i wyniki badań parametrów fizyko–mechanicznych iłów warwowych 66 6.1 Skład granulometryczny ... 66
6.2 Skład mineralny frakcji iłowej ... 71
6.3 Wilgotność gruntu ... 73
6.4 Gęstość objętościowa gruntu, gęstość objętościowa szkieletu gruntowego, porowatość, wskaźnik porowatości ... 75
6.5 Granica plastyczności, granica płynności, wskaźnik plastyczności, stopień plastyczności, wskaźnik konsystencji ... 77
6.6 Wytrzymałość na ścinanie oznaczona w aparacie bezpośredniego ścinania . 81 6.6.1 Wyniki badań próbek gruntów o nienaruszonej strukturze z warstw jasnych i ciemnych ... 83
6.6.2 Wyniki badań próbek preparowanych z warstw jasnych i ciemnych ... 93
6.7 Wytrzymałość na ścinanie oznaczona w aparacie trójosiowym ... 107
7. Analiza uzyskanych wyników ... 112
7.1 Analiza podstawowych i pochodnych cech fizycznych iłu warwowego ... 112
7.2 Analiza parametrów wytrzymałościowych iłów warwowych ... 120
8. Wnioski ... 129
9. Literatura ... 133
10. Spis rycin, tabel i fotografii ... 141
ZAŁĄCZNIKI
Załącznik 1. Wyniki oznaczania składu granulometrycznego badanych próbek gruntów Załącznik 2. Dyfraktogramy rentgenowskie badanych próbek gruntów
Załącznik 3. Wyniki oznaczania granic plastyczności i granic płynności badanych próbek gruntów
Załącznik 4. Zestawienie tabelaryczne wyników wartości parametrów fizycznych badanych próbek gruntów
Załącznik 5. Charakterystyki wytrzymałościowe badanych próbek gruntów (wykresy zależności naprężeń ścinających τ od przemieszczeń poziomych skrzynki s)
Załącznik 6. Zestawienia tabelaryczne z danymi wyjściowymi do wykresów zależności maksymalnych naprężeń ścinających τ od naprężeń normalnych σn
5 Wykaz symboli i nazw zastosowanych w pracy
fi – zawartość frakcji iłowej [%]
fπ – zawartość frakcji pyłowej [%]
fp – zawartość frakcji piaskowej [%]
fż – zawartość frakcji żwirowej [%]
fk – zawartość frakcji kamienistej [%]
d – średnica zastępcza ziarna [mm]
G – glina
Gπ – glina pylasta Gz – glina zwięzła
Gπz – glina pylasta zwięzła I – ił
Iπ – ił pylasty
w1 – wilgotność próbki gruntu przed badaniem [%]
w2 – wilgotność próbki gruntu po badaniu [%]
ρ – gęstość objętościowa gruntu [g/cm3]
ρd – gęstość objętościowa szkieletu gruntowego [g/cm3] ρs(n)
– normowa wartość gęstości właściwej szkieletu gruntowego [g/cm3] n – porowatość [-]
e – wskaźnik porowatości [-]
wp – granica plastyczności [%]
wL – granica płynności [%]
Ip – wskaźnik plastyczności [%]
IL – stopień plastyczności [-]
IC – wskaźnik konsystencji [-]
IL1 – stopień plastyczności próbki gruntu przed badaniem [-]
IL – stopień plastyczności próbki gruntu po badaniu [-]
IC1 – wskaźnik konsystencji próbki gruntu przed badaniem [-]
IC2 – wskaźnik konsystencji próbki gruntu po badaniu [-]
tpl – stan twardoplastyczny gruntu pl – stan plastyczny gruntu
tpl/pl – stan twardoplastyczny na pograniczu stanu plastycznego gruntu Mo – moduł ściśliwości pierwotnej [kPa]
M – moduł ściśliwości wtórnej [kPa]
6 σn – naprężenia normalne, przy których próbka gruntu była pierwszy raz poddana
badaniu wytrzymałości na ścinanie [kPa]
σn*
– naprężenia normalne, przy których ta sama próbka gruntu była ponownie poddana badaniu wytrzymałości na ścinanie [kPa]
τ – naprężenia ścinające, przy których próbka gruntu była pierwszy raz poddana badaniu wytrzymałości na ścinanie [kPa]
τ* – naprężenia ścinające, przy których ta sama próbka gruntu była ponownie poddana badaniu wytrzymałości na ścinanie [kPa]
P –siła ścinająca [kN]
Pmax – maksymalna siła ścinająca [kN]
a – długość boku próbki gruntu [mm]
s – przemieszczenie poziome skrzynki [mm]
smax – przemieszczenie poziome skrzynki w momencie osiągnięcia maksymalnej siły ścinającej [mm]
c – spójność gruntu o nienaruszonej strukturze [kPa]
c* – spójność gruntu o naruszonej strukturze (spójności) [kPa]
cw-j –spójność dla próbki gruntu z warstwy jasnej o nienaruszonej strukturze [kPa]
cw-c – spójność dla próbki gruntu z warstwy ciemnej o nienaruszonej strukturze [kPa]
cp-j – spójność dla próbki z pasty gruntowej z warstwy jasnej wyznaczona na podstawie pierwszych pomiarów wytrzymałości na ścinanie [kPa]
cp-c – spójność dla próbki z pasty gruntowej z warstwy ciemnej wyznaczona na podstawie pierwszych pomiarów wytrzymałości na ścinanie [kPa]
cp-j+c –spójność dla próbki z pasty gruntowej mieszanej z warstwy jasnych i ciemnych wyznaczona na podstawie pierwszych pomiarów wytrzymałości na ścinanie [kPa]
ϕ –kąt tarcia wewnętrznego gruntu o nienaruszonej strukturze [°]
ϕ* – kąt tarcia wewnętrznego gruntu o naruszonej strukturze (spójności) [°]
ϕw-j – kąt tarcia wewnętrznego dla próbki gruntu z warstwy jasnej o nienaruszonej strukturze [°]
ϕw-c – kąt tarcia wewnętrznego dla próbki gruntu z warstwy ciemnej o nienaruszonej strukturze [°]
ϕp-j – kąt tarcia wewnętrznego dla próbki z pasty gruntowej z warstwy jasnej wyznaczona na podstawie kolejnych pomiarów wytrzymałości na ścinanie [°]
ϕp-c – kąt tarcia wewnętrznego dla próbki z pasty gruntowej z warstwy ciemnej wyznaczona na podstawie kolejnych pomiarów wytrzymałości na ścinanie [°]
7 ϕp-j+c – kąt tarcia wewnętrznego dla próbki z pasty gruntowej mieszanej z warstw jasnych i ciemnych wyznaczona na podstawie kolejnych pomiarów wytrzymałości na ścinanie [°]
c’ – efektywna spójność [kPa]
ϕ’ – efektywny kąt tarcia wewnętrznego [°]
σv – σh – dewiator naprężenia [kPa]
ε1 – odkształcenie pionowe [%]
εv – odkształcenie objętościowe [%]
σ’ – średnie naprężenie efektywne [kPa]
σ0 – naprężenia normalne na fizycznej płaszczyźnie ścięcia [kPa]
c0 + ϕ0 – zastępcze wartości parametrów wytrzymałościowych dla warwy iłów μ – stosunek grubości warstw [-]
hw-j – miąższość warstwy jasnej [mm]
hw-c – miąższość warstwy ciemnej [mm]
SDR – pęcznienie [-]
FSHG – swobodne pęcznienie [%]
PE – potencjalna ekspansywność [-]
A – aktywność koloidalna [-]
k – współczynnik filtracji [m/s]
R2 – współczynnik determinacji r – współczynnik korelacji α – poziom istotności
p – prawdopodobieństwo testowe (p – wartość) Nważnych – liczba pomiarów
n – liczba elementów
c(n) – normowa wartość spójności (według treści normy PN-81/B-03020)
ϕ(n) – normowa wartość kąta tarcia wewnętrznego (według treści normy PN-81/B- 03020)
C – symbol geologicznej klasyfikacji genetycznej gruntów spoistych, do której zaliczono inne niż morenowe grunty spoiste nieskonsolidowane (według treści normy PN-81/B-03020)
D – symbol geologicznej klasyfikacji genetycznej gruntów spoistych, do której zaliczono iły, niezależnie od pochodzenia geologicznego (według treści normy PN-81/B-03020
8 metoda CD – metoda badania wytrzymałości na ścinanie w aparacie trójosiowym
z konsolidacją izotropową i ścinaniem w warunkach z odpływem wody
próbka A.1 – próbka gruntu o nienaruszonej strukturze, kategorii 1 o klasie jakości 1 według normy PN-EN 1997-2:2009
próbka bruzdowa – próbka z iłu warwowego rozdzielona osobno na warstwę jasną i warstwę ciemną
próbka monolityczna – próbka gruntu z iłu warwowego nierozdzielona na warstwy jasne i ciemne (próbka gruntu z całej warwy)
próbka preparowana – rozumiana jako próbka z pasty gruntowej, która została zhomogenizowana z materiału budującego warstwę jasną lub warstwę ciemną;
lub pasta gruntowa mieszana, która została zhomogenizowana w odpowiednich proporcjach z materiału budującego warstwy jasne i ciemne (tj. 80 % gruntu z warstw jasnych i 20 % gruntu warstw ciemnych)
9
STRESZCZENIE
W pracy przedstawiono wyniki badań parametrów fizyko-mechanicznych iłów warwowych, występujących w południowo-zachodniej części miasta Poznania, w centralnej części doliny Strumienia Junikowskiego. Dla badanych gruntów oznaczono podstawowe parametry fizyczne oraz parametry mechaniczne (wytrzymałościowe).
Pomiary wytrzymałości na ścinanie wykonywano w aparacie bezpośredniego ścinania na próbkach gruntów z warstw jasnych i oddzielnie z warstw ciemnych, zarówno na próbach o nienaruszonej strukturze jak i próbkach przygotowanych z past gruntowych. Podjęto także próbę oznaczenia wytrzymałości na ścinanie iłów warwowych w aparacie trójosiowym (metodą CD) dla badań pilotażowych próbek nierozdzielonych na warstwy jasne i ciemne o nienaruszonej strukturze.
Na podstawie wyników przeprowadzonych badań parametrów fizycznych stwierdzono, że grunty tworzące warstwy jasne i ciemne, w iłach warwowych z doliny Strumienia Junikowskiego, posiadają zbliżone wartości wilgotności, którym odpowiadają różne stany fizyczne. Otrzymane wyniki badań wykazały, że wytrzymałość na ścinanie iłów warwowych zależy od wytrzymałości każdej z warstw (tj. warstwy jasnej i warstwy ciemnej).
Wyniki wartości średnich parametrów wytrzymałościowych wyznaczonych oddzielnie dla gruntów z warstw jasnych i ciemnych, iłów warwowych z doliny Strumienia Junikowskiego, porównano z wartościami normowymi dla gruntów spoistych oznaczonych symbolem „C” i „D”, według geologicznej klasyfikacji genetycznej gruntów (PN-81/B-03020) oraz z wynikami badań wytrzymałości na ścinanie z dwóch innych obszarów występowania iłów warwowych na obszarze Polski.
Wartości parametrów wytrzymałościowych wyznaczonych oddzielnie dla gruntów z warstw jasnych i ciemnych pozwoliły określić opór na ścinanie układu warstw, tj. warw wzdłuż dowolnego kierunku.
10
SUMMARY
Physical and mechanical parameters of varved clay from the Junikowski Stream Valley with specific consideration of their shear strength
The results of laboratory testing performed to determine physical and mechanical parameters of varved clay from the central section of the Junikowski Stream Valley in the south-western part of Poznan city are presented in this thesis. Basic physical (i.e. index) and mechanical (i.e. strength) parameters were determined for the tested soil.
The shear strength of clay was determined in the direct shear apparatus on samples prepared from separated light and dark layers. The shear strength parameters were determined for both, undisturbed soil samples and a fully remoulded clay paste.
An attempt was also made to determine the shear strength of varved clay in triaxial apparatus (CD method) on trial undisturbed samples without separating them into light and dark layers.
Based on the test results of index parameters, it was concluded that soils consisting of light and dark layers in the varved clay from the Junikowski Stream Valley, are characterised by similar moisture contents, which correspond to different physical states. The obtained strength test results showed that the shear strength of varved clay depends on the strength of each individual layer (i.e. light and dark layer).
The mean values of shear strength parameters determined separately for soils from light and dark layers of the varved clay from the Junikowski Stream Valley were compared with the standard strength parameters of cohesive soils type ‘C’ and ‘D’
according to geological classification of soil origin (PN-81/B-03020). These results were also compared with the shear strength results of varved clay from two other locations in Poland.
The values of strength parameters determined separately for soils from the light and dark layers allowed determination of the shear resistance of the layered soil structure (i.e. varves along any direction).
11
1. Wstęp
1.1 Cel i zakres pracy
Celem niniejszej pracy jest doskonalenie metod badań w zakresie sposobu określenia wartości parametrów fizyko-mechanicznych oraz opis iłów warwowych.
Badaniami zostały objęte iły warwowe występujące w dolinie Strumienia Junikowskiego, znajdującego się w południowo – zachodniej części Poznania.
Iły warwowe, zwane również iłami wstęgowymi, są osadami warstwowanymi o periodycznej budowie, które powstawały w jeziorach zastoiskowych tworzących się w strefie krawędzi lodowców. Pod względem granulometrycznym, w profilu pionowym, są osadami silnie niejednorodnymi. Ich cechą charakterystyczną jest warstwowana (anizotropowa) budowa związana ze zmianami warunków depozycji w okresie glacjalnego lata i zimy. Warwa (osad jednego glacjalnego roku) zbudowana jest z warstwy jasnej – letniej (piaszczysto – pylastej lub pylastej) oraz warstwy ciemnej – zimowej (pylasto – ilastej lub ilastej). Anizotropia struktury powoduje zmienność właściwości fizycznych i mechanicznych opisywanych gruntów zastoiskowych oraz powoduje trudności w prawidłowym określaniu wartości wyżej wymienionych parametrów (np. Gradziński et al. 1976; Myślińska 1967, 2004).
Celem badań, których wyniki są prezentowane w pracy, jest powiązanie zmienności składu granulometrycznego iłów warwowych (osadów o anizotropowej budowie) z parametrami fizyko-mechanicznymi, a szczególnie z ich cechami wytrzymałościowymi. Ze względu na znaczną niejednorodność granulometryczną w obrębie warwy postanowiono wyznaczyć podstawowe parametry fizyczne i mechaniczne, oddzielnie dla warstw jasnych i ciemnych. Badania laboratoryjne, obejmujące oznaczenie wartości parametrów wytrzymałościowych, były prowadzone na próbkach o nienaruszonej strukturze – kategorii A o klasie 1 (wg PN-EN ISO 1997-2) oraz na odpowiednio przygotowanych, próbkach preparowanych (pastach gruntowych).
Anizotropia struktury iłów warwowych, wywołuje w badaniach terenowych, znaczne trudności związane z pobieraniem próbek o nienaruszonej strukturze (zwłaszcza gruntu o małej wilgotności) i dlatego jednym z celów badań laboratoryjnych było sprawdzenie czy istnieje możliwość otrzymywania porównywalnych wartości oznaczonych parametrów mechanicznych (wytrzymałościowych) próbek z past gruntowych i próbek o nienaruszonej strukturze.
12 Na podstawie uzyskanych wyników cech fizyko-mechanicznych, dla iłów warwowych, przeprowadzono analizę zmienności parametrów w obrębie warstw jasnych i ciemnych.
1.2 Tezy badawcze
Sformułowano następujące tezy badawcze:
1) Wydzielone warstwy jasne i warstwy ciemne posiadają zbliżone wilgotności, którym odpowiadają różne stany fizyczne.
2) Wytrzymałość na ścinanie iłu warwowego zależy od stosunku grubości warstw i wytrzymałości każdej z nich.
3) Wartości parametrów wytrzymałościowych iłów warwowych z doliny Strumienia Junikowskiego różnią się od wartości parametrów wytrzymałościowych, wyznaczanych według polskiej literatury przedmiotu, dla gruntów spoistych oznaczonych symbolem „D” geologicznej klasyfikacji genetycznej gruntów oraz różnią się w porównaniu z wartościami parametrów fizycznych wyznaczanych, według polskiej literatury przedmiotu, dla gruntów spoistych oznaczonych symbolem „C” geologicznej klasyfikacji genetycznej gruntów.
1.3 Studium literatury o iłach warwowych
Plejstoceńskie zlodowacenia objęły wszystkie kontynenty półkuli północnej, na których mechanizm powstawania osadów glacjalnych i fluwioglacjalnych był podobny. Stąd, jeziorne osady warwowe są wykształcone w wielu regionach półkuli północnej, będąc efektem działania lodowców w czwartorzędzie. Iły warwowe o znacznym zasięgu występowania i dużej miąższości można znaleźć m. in. w Kanadzie (Eden 1955; Milligan et al. 1962; Lacasse et al. 1977; Eigenbrod, Burak 1991;
Eigenbrod, Wurmnest 1998), Stanach Zjednoczonych (Parson 1978; Bemben 1982;
De Groot, Lutenegger 2009), Szwecji (Petterson et al. 1993, Tröften 2000; Mörner 2011) i oczywiście w Polsce.
Wyniki badań dotyczące, zarówno składu mineralnego iłów warwowych, zróżnicowania granulometrycznego, lokalnych warunków sedymentacji, jak również cech fizycznych i wytrzymałościowych tych gruntów można spotkać stosunkowo często w literaturze światowej. Większość badaczy koncentruje jednakże swoją uwagę na warunkach paleośrodowiskowych, sposobach depozycji osadu, jego cechach mineralnych i strukturalnych, mniej jest natomiast badań związanych z analizą
13 parametrów fizycznych, a szczególnie wytrzymałościowych. Część najistotniejszych publikacji dotyczących iłów warwowych została przytoczona poniżej.
W pracach Eden (1954, 1955) oraz Milligan et al. (1962) zostały przedstawione wyniki badań terenowych i prac laboratoryjnych iłów warwowych występujących w okolicach Ontario, dotyczące składu granulometrycznego warstw jasnych i ciemnych, które na tym obszarze są o zbliżonej miąższości oraz ich cech fizycznych i wytrzymałości na ścinanie. Natomiast w pracy Lacasse et al. (1977) oprócz wyników podstawowych parametrów fizycznych warstw jasnych i ciemnych, przedstawiono badania in situ wytrzymałości na ścinanie oraz konkretny przypadek utracenia stateczności skarpy zbudowanej z iłów warwowych. Efekty badań laboratoryjnych wytrzymałości na ścinanie, w aparacie skrzynkowym i aparacie trójosiowym prezentowane są w artykułach Eigenbrod i Burak (1991) oraz Eigenbrod i Wurmnest (1998).
Charakterystykę wybranych jeziornych osadów warwowych na obszarze Stanów Zjednoczonych możemy spotkać między innymi w pracach Parson (1978), Bemben (1982), czy De Groot i Lutenegger (2009). Autorzy, oprócz przedstawienia genezy depozycji iłów warwowych, ich parametrów geologicznych i inżynierskich podają wyniki badań wytrzymałości na ścinanie, oznaczonej w warunkach in situ (np. sondą FVT czy CPTU) oraz badań laboratoryjnych (głównie w aparacie trójosiowym).
Ponadto, iły warwowe – jako osady rytmicznej depozycji często są wykorzystywane do rejestracji wydarzeń paleosejsmicznych związanych z podnoszeniem Fennoskandii po deglacjacji. Takie badania paleosejsmiczne na obszarze Szwecji prowadzone były m. in. przez Tröften (1997, 2000) i Mörner (1997, 2011). Opis procesu sedymentacji iłów warwowych na terenie północnej Szwecji przedstawiony został np. w artykule Petterson et al. (1993).
Na obszarze Polski również stosunkowo licznie występują iły zastoiskowe (w tym iły warwowe), zarówno na powierzchni terenu, jak i na niewielkich głębokościach, przez co często stanowią bezpośrednie podłoże budowlane.
Przy projektowaniu i posadowieniu konstrukcji budowlanych na iłach warwowych, ze względu na specyficzną budowę laminarną, powinny być uwzględniane ich zmienne właściwości fizyczne i mechaniczne. Dzięki swojej specyficznej, anizotropowej budowie często stanowią obszar zainteresowań naukowych.
Najbardziej pospolite obszary występowania tych osadów stanowią:
iły zastoiskowe środkowej Polski, iły zastoiskowe klifu południowego Bałtyku,
14 iły elbląskie oraz, występujące lokalnie, iły zastoiskowe związane z różnymi interglacjałami (o powierzchniach od 1 do 30 km2), które zostały zaznaczone na mapie rejonizacji występowania czwartorzędowych iłów zastoiskowych (w tym iłów warwowych) na obszarze Polski (Ryc. 1.1, Majer et al. 2007). Na terenie Polski występują również liczne, na tyle małe zastoiska, że ze względu na swoje rozmiary, nie zostały umieszczone na Szczegółowych mapach geologicznych Polski w skali 1:50 000. Na takie małe zastoiska można niespodziewanie natrafić w trakcie badań warunków gruntowo – wodnych pod konkretną inwestycję, wówczas konieczne jest uwzględnienie ich obecności przy projektowaniu i wykonawstwie fundamentów.
Iły zastoiskowe klifu południowego Bałtyku występują na powierzchni, a ich miąższość może osiągać wartość do około 15 m. Iły elbląskie natomiast to międzylodowcowe morskie iły plejstoceńskie, interglacjału eemskiego o barwie szarej i wiśniowej oraz zmiennej miąższości od 3 do ponad 30 m (Majer et al. 2007).
Iły zastoiskowe w środkowej Polsce występujące w rejonie Warszawy zostały wyróżnione w 1961 roku przez Różyckiego (1978) jako tzw. zastoisko warszawskie, które jest klasycznym przykładem zastoiska powstałego w okresie zlodowacenia środkowopolskiego. Geneza iłów wiąże się z depozycją w kilku oddzielnych zbiornikach, w których panowały różne warunki sedymentacji. Średnia miąższość osadów jest szacowana na około 4 m, które ze względu na typową sedymentację zastoiskową, charakteryzują się również naprzemiennym występowaniem warstw ciemnych i jasnych. Iły zastoiska warszawskiego mają bardzo zróżnicowane warstwowanie (zmienną miąższość warw i równie zmienny skład granulometryczny) oraz charakteryzują się zmienną litologią osadów w różnych częściach zbiorników (Grabowska-Olszewska 1998, Myślińska 2006).
15 Ryc. 1.1 Mapa rejonizacji występowania czwartorzędowych iłów zastoiskowych (w tym warwowych) na obszarze Polski (Grabowska-Olszewska 1998 vide Majer et al. 2007, zmodyfikowana)
Obszerne badania laboratoryjne w zakresie analizy własności mineralogicznych oraz fizyko-mechanicznych iłów warwowych występujących na obszarze tzw. zastoiska warszawskiego, wraz z oceną i analizą otrzymanych wyników, przedstawiła w swoich pracach Myślińska (1964, 1965, 1967). Badania te prowadziła osobno dla warstw jasnych i ciemnych, które wykazały znaczne różnice właściwości fizycznych i mechanicznych, co jest wynikiem przede wszystkim różnic w składzie granulometrycznym. Skład mineralny frakcji iłowej obydwu warstw jest natomiast zbliżony i ma charakter illitowy z nieznaczną domieszką montrmorillonitu i kaolinitu.
Autorka, na podstawie analizy ich cech strukturalnych i tekstualnych, wydzieliła również trzy typy litologiczne oraz szereg podtypów iłów warwowych. Obszerny opis warunków sedymentacji osadów warstwowanych w zastoisku warszawskim przedstawił również w swojej pracy Merta (1978).
16 Szeroką analizę skonsolidowania iłów warwowych zastoiska warszawskiego w rejonie Radzymina i Sochaczewa przeprowadził Zawrzykraj (2004, 2007). W wyniku badań stwierdził, że są to grunty przekonsolidowane. Jednakże prekonsolidacja tych iłów jest pozorna, a zachowanie gruntu wynika ze specyficznej struktury, na którą składa się układ oraz wszelkie wiązania istniejące między cząstkami i ziarnami gruntu.
Wskazuje on, iż na obecny stan skonsolidowania miały wpływ zmiany klimatyczne (obniżanie się zwierciadła wód gruntowych, rozwój procesów wydmotwórczych co doprowadziło do wysuszania poziomów akumulacji zastoiskowej, zagęszczania i cementacji iłów warwowych). W kolejnych artykułach przedstawił wyniki badań terenowych wykonanych za pomocą metod geofizycznych (sondowanie geoelektryczne i badania dylatometryczne) i przeprowadzonych w laboratorium analiz areometrycznych. W swoich artykułach wykazuje, że miąższości poszczególnych warw w profilu pionowym dają się korelować z zawartością frakcji iłowej – wraz ze wzrostem miąższości warwy spada zawartość frakcji iłowej (2004, 2005).
W publikacji Dembickiego (2003) dotyczącej określenia współczynnika filtracji iłów zastoiskowych na przykładzie iłów występujących w północno – wschodniej Polsce, w rejonie Łajs – opisane wyniki badań wskazują, że właściwości przepuszczalności tych gruntów są również anizotropowe. Wartości współczynnika przepuszczalności w kierunku równoległym do warw są około 10-krotnie większe od współczynnika przepuszczalności w kierunku do nich prostopadłym.
Iły warwowe występujące w północnej i środkowej Polsce, w formie lokalnych zastoisk, są często przedmiotem publikacji, w których możemy znaleźć informacje na temat ich genezy, wykształcenia lamin, cech strukturalnych i teksturalnych, lokalnego zróżnicowania litologicznego serii rytmicznie warstwowanych, składu mineralnego i chemicznego (np. Krygowski 1934; Paluszkiewicz 1996; Paluszkiewicz 1998a, 2005; Paluszkiewicz 1998b; Ratajczak 2007; Rutkowski 2007; Błaszkiewicz, Gruszka 2005; Gruszka 2007; Gedl 2011, Flieger-Szymańska et al. 2012). Publikacje te zwracają uwagę na lokalne różnice w składzie granulometrycznym, wykształceniu warw i zawartości poszczególnych frakcji, które związane są z różnym sposobem depozycji materiału źródłowego osadu, jak również reżimem wód glacjalnych, oddaleniem od czoła lądolodu i wieloma czynnikami lokalnymi, które mogły mieć wpływ na sedymentację.
W ujęciu inżynierskim, iły warwowe zawsze traktowane są jako grunty anizotropowe, których warstwy jasne i ciemne mają zróżnicowane cechy fizyko-
17 mechaniczne. Na obszarze Polski lokalnie występujące zastoiska mogą stosunkowo często stanowić podłoże budowlane, w związku z tym konieczne jest prawidłowe rozpoznanie ich właściwości geotechnicznych, poprzez określenie ich parametrów fizycznych i mechanicznych (w szczególności wytrzymałości na ścinanie), aby w prawidłowy sposób móc przyjąć uśrednione parametry do konkretnych obliczeń inżynierskich. Analiza i opis wyników badań in situ oraz badań laboratoryjnych iłów warwowych zostały zaprezentowane w wielu pracach m. in. cytowanych już wyżej np. Myślińska 1965, 1967, 2006; Grabowska-Olszewska 1998; Dembicki 2003, Zawrzykraj 2004, 2007, 2017; Kostrzewski 1980; Florkiewicz, Kostrzewski 1995;
Florkiewicz et al. 2015; Flieger-Szymańska, Machowiak 2010, 2011; Niedzielski et al.
2008; Łydżba, Tankiewicz 2010; Tankiewicz 2015, 2016). Można jednak przyjąć, że tematyka badawcza dotycząca ich wytrzymałości na ścinanie, jako ośrodka o charakterze anizotropowym nie została wyczerpana.
1.4 Zakres pracy
Zakres pracy obejmuje:
− przegląd literatury o iłach warwowych w zakresie genezy, zasięgu ich występowania, warunków sedymentacji oraz prowadzonych badań parametrów fizycznych i mechanicznych (rozdział 1);
− opis procesów glacjalnych na obszarze Wielkopolski wraz ze wskazaniem okresu, w którym wykształciły się iły warwowe będące przedmiotem pracy (rozdział 2);
− omówienie genezy i związanej z nią budowy anizotropowej iłów warwowych oraz dotychczasowych badań parametrów fizyko-mechanicznych iłów warwowych występujących w dolinie Strumienia Junikowskiego (rozdział 3);
− charakterystykę obszaru badań (rozdział 4) i metodyki badań (rozdział 4);
− opis badań i wyników parametrów fizyko-mechanicznych wraz z analizą statystyczną otrzymanych wyników (rozdział 6);
− analizę wyników badań parametrów fizycznych i wytrzymałościowych (rozdział 7) i wnioski (rozdział 8).
W załącznikach, w końcowej części pracy zamieszono wyniki badań laboratoryjnych w formie tabelarycznej i graficznej.
Proces interpretacji i adaptacji treści norm opatrzonych symbolem PN-EN w praktyce geotechnicznej jest w toku i z tego powodu dla uzyskania większej
18 czytelności i jednoznaczności opisu, w pracy przyjęto terminologię, symbolikę i tok oznaczeń opisane w normach opatrzonych symbolem PN.
Przykładowo, w przypadku oznaczenia wartości granicy płynności metodą zalecaną przez specyfikację techniczną PKN-CEN ISO/TS 17892-12:2009 jest metoda penetrometru stożkowego, natomiast metoda Casagrande’a jest cit.: „alternatywną metodą oznaczania granicy płynności”. Biorąc pod uwagę, że w polskich laboratoriach geotechnicznych metoda Casagrande’a jest w dalszym ciągu metodą wiodącą zadecydowano, że to właśnie ta metoda będzie stosowana w niniejszej pracy.
Podejmując taką decyzję przyjęto również, że z pojęcia „konsystencje” i „stany gruntów spoistych” będą rozumiane zgodnie z polską literaturą przedmiotu, tzn. będą wyróżniane 3 konsystencje (zwarta, plastyczna, płynna) oraz 6 stanów gruntu (zwarty, półzwarty, twardoplastyczny, plastyczny, miękkoplastyczny, płynny). Do wyróżnienia stanów gruntów, konsekwentnie będzie używana wartość stopnia plastyczności IL, a tylko w celach informacyjnych będzie podawana wartość wskaźnika konsystencji IC.
Do określenia składu granulometrycznego badanych gruntów, również ze względu na jej powszechność stosowania w laboratoriach geologicznych i geotechnicznych, zgodnie z polską normą PN-R-04032, zdecydowano się zastosować analizę areometryczną według Prószyńskiego. Zastosowana metoda stwarza bowiem możliwość porównania otrzymanych wyników badań, uzyskanych w niniejszej pracy, z zebranymi wcześniejszymi materiałami publikowanymi w polskiej literaturze przedmiotu.
Z uwagi na wyżej wymienione powody, w rozprawie podano nazwy gruntów zgodnie z treścią normy PN-86/B-02480 i standardami utrwalonymi w polskiej literaturze przedmiotu oraz polskiej praktyce geotechnicznej.
19
2. Procesy glacjalne na obszarze Wielkopolski
W czwartorzędzie większość terytorium Polski została objęta kilkoma zlodowaceniami, których zasięgi przedstawiono na rycinie 2.1. Opis procesów glacjalnych ograniczono do obszaru Wielkopolski, ze szczególnym uwzględnieniem obszaru Poznania i jego okolic, które wchodzą w skład Niżu Polskiego obejmującego Pojezierza Wielkopolskie i Nizinę Wielkopolską.
Ryc. 2.1. Zasięgi zlodowaceń na obszarze Polski (Lindner 1991)
Na obszarze Polski można wyróżnić trzy główne okresy zlodowaceń:
południowopolskie, środkowopolskie i północnopolskie (bałtyckie), w obrębie których, na podstawie rangi klimatycznej okresów oddzielających poszczególne transgresje lądolodu skandynawskiego, wyróżnia się kilka jednostek glacjalnych (zlodowaceń) i interglacjalnych (Lindner 1991).
Za pierwsze zlodowacenie północno – wschodniopolskie uznaje się zlodowacenie Narwi, które prawdopodobnie sięgało po północne przedpole Wyżyny Lubelskiej.
W czasie zlodowaceń południowopolskich miało miejsce zlodowacenie Nidy, Sanu 1 i Sanu 2, z których największy zasięg miało zlodowacenie Sanu 2 (Ryc. 2.1). Objęło ono całe terytorium Polski z wyjątkiem Karpat i Sudetów, gdzie rozwijały się lodowce górskie (Lindner 1991).
20 W okresie interglacjału wielkiego, pomiędzy osadami interglacjału mazowieckiego i interglacjału Zbójna, Lindner (1991) wydziela zlodowacenie Liwca, które udokumentowane jest na obszarze środkowo – wschodniej Polski przez odrębny poziom gliny zwałowej.
Do zlodowaceń środkowopolskich zalicza się natomiast zlodowacenie Odry i Warty, rozdzielone osadami interglacjału lubawskiego. Zlodowacenia środkowopolskie dotarły do zboczy Wyżyn Środkowopolskich, Wyżyny Śląskiej i Sudetów, a dalej na południe sięgały jedynie w strefie dorzecza górnej Odry, a być może i dolnego Sanu (Ryc. 2.1 – Lindner 1991).
Po okresie interglacjału eemskiego na obszar Polski wkroczyło ostatnie zlodowacenie północnopolskie (bałtyckie, zwane również zlodowaceniem Wisły) o najmniejszym zasięgu (Ryc. 2.1 i 2.2). Dotychczasowe badania paleontologiczne i datowania bezwzględne osadów pozwoliły podzielić zlodowacenie północnopolskie na trzy stadiały: Torunia, Świecia i stadiał główny, które oddzielają dwa interstadiały:
Gniewu i Grudziądza. Stadiał główny zlodowacenia północnopolskiego (Ryc. 2.2) na obszarze zachodniej Polski reprezentowany jest przez osady lodowcowe, wodnolodowcowe, rzeczne, jeziorne i zboczowe fazy leszczyńskiej (leszczyńsko – poznańskiej), fazy poznańskiej i fazy pomorskiej (Lindner et al. 1992).
Ryc. 2.2. Zasięgi stref marginalnych stadiału głównego zlodowacenia północnopolskiego (Lindner et al. 1992)
Według Mojskiego (2005), zlodowacenie Wisły jest ostatnim zimnym piętrem plejstocenu, w czasie którego udowodniono istnienie dwóch nasunięć: starszego (stadiał Świecia = stadiał przedgrudziądzki) i młodszego (stadiał główny). Stadiał Świecia
21 poprzedził interstadiał Rudunek, a pomiędzy dwoma stwierdzonymi stadiałami wydzielono osady związane z interstadiałem grudziądzkim.
2.1 Glacitektonika na Niżu Polskim
U schyłku neogenu, obszar niżowy stanowił względnie płaską równinę, a najniższe miejsca (niecka mazowiecka i sedymentacyjny zbiornik poznański) znajdowały się w dwóch centralnych częściach zanikającego zbiornika jeziornego.
Do obu obniżeń spływały dobrze rozwinięte rzeki tworząc stożki akumulacyjne.
Aktywny tektonicznie wał kujawsko – pomorski, ruchome struktury solne oraz permomezozoiczne struktury antyklinalne i synklinalne odgrywały również znaczącą rolę w kształtowaniu rzeźby, zarówno przed plejstocenem, jak i w plejstocenie. Na Niżu Polskim często spotykaną strukturą podłoża czwartorzędowego są rowy tektoniczne, których wypełnianie w czasie plejstocenu pozwoliło na zachowanie się w miarę pełnych sekwencji litostratygraficznych tego okresu (Mojski 2005).
Cechy litologiczne podłoża czwartorzędu, w czasie okresów dłuższych postojów czoła lądolodu w trakcie jego nasuwania, sprzyjały powstawaniu zaburzeń glacitektonicznych o miąższościach do ok. 200 m i kilkudziesięciokilometrowych rozciągłościach, które głównie występują w części zachodniej i północnej Niżu Polskiego. Zaburzenia glacitektoniczne widoczne są w licznych odsłonięciach oraz w rzeźbie terenu w postaci ciągów pagórów, wałów i pojedynczych wzniesień, które w swym wnętrzu ujawniają struktury glacitektonicznie zaburzone. W czasie zlodowacenia Sanu 2 w Wielkopolsce, większymi obszarami zaburzonymi tektonicznie były np. Wzgórza Ostrzeszowskie i Wał Pożegowski (Mojski 2005).
2.2 Zlodowacenia południowopolskie
Najstarsze zlodowacenie Narwi na pewno nie dotarło na Nizinę Południowowielkopolską, Pojezierze Wielkopolskie i Pojezierze Pomorskie (Lindner 1991; Mojski 2005). Na Niżu Polskim pomimo dobrego rozpoznania terenu, nie stwierdzono również osadów najstarszego, ciepłego piętra plejstocenu – interglacjału augustowskiego (Mojski 2005).
W rejonie Poznania wydzielenie glin z okresu zlodowaceń południowopolskich możliwe jest jedynie w obrębie rynien subglacjalnych rozcinających osady paleogeńsko – neogeńskie, spotykanych między innymi w rejonie Złotnik, Kiekrza, Krzyżownik, Przeźmierowa, Krzesin, Junikowa i Komandorii (Chmal 1997).
22 W profilach wiertniczych, wykonanych w rejonie Poznania, najlepiej widoczne są ciemnoszare gliny zwałowe zlodowacenia południowopolskiego o bardzo dużej zwięzłości w obrębie doliny Cybiny – Bogdanki, wokół Jeziora Maltańskiego. Utwory te występują poniżej rzędnej 20 m n. p. m. (Troć 2006).
2.3 Interglacjał wielki
Interglacjał wielki można podzielić na co najmniej dwie jednostki cieplne przedzielone wyraźnym ochłodzeniem (zlodowacenie Liwca). Starszą jednostką cieplną jest interglacjał mazowiecki, a młodszą interglacjał Zbójna (Lindner et al. 1992).
W interglacjale mazowieckim Niziny Środkowopolskie były pojezierzem – w takim znaczeniu jakie ten termin ma obecnie. Na ówczesnych wysoczyznach, w obrębie których istniało wiele wychodni osadów mioceńskich, występowały liczne zbiorniki jeziorne. Doliny często powstawały na obniżeniach synklinalnych będących częścią fałdowych zaburzeń glacitektonicznych. W tym czasie na Niżu Polskim powstawały kolejne rowy tektoniczne (Mojski 2005). Z tego okresu, w interglacjale mazowieckim, znane są także liczne wystąpienia piasków i żwirów akumulacji rzecznej. W tym też czasie przez obszar Wielkopolski przebiegał, rozpoznany na długości ok. 170 km, równoleżnikowy odcinek doliny kopalnej (pra-Warty). Dolina rzeczna (Wielkopolska Dolina Kopalna) osiągała szerokość do 20 km i wypełniona była aluwiami o miąższości do 50 m, złożonymi w dwóch cyklach akumulacyjnych. Dolina pra-Warty odwadniała cały obszar zachodniej Polski, wraz z łączącą się z nią doliną pra-Odry i pra-Noteci. Kolejno z pra-Łabą uchodziła do zatoki Morza Holsztyńskiego na północny – zachód od Berlina (Dąbrowski 1985, Lindner et al. 1992).
2.4 Zlodowacenia środkowopolskie
Podczas zlodowaceń środkowopolskich, lądolód kilkakrotnie wkraczał na obszar Polski, pozostawiając od jednego do pięciu głównych poziomów glin zwałowych.
Dwa dolne poziomy tych glin zaliczono do zlodowacenia Odry, a trzy młodsze poziomy glin uznano za pozostałość po zlodowaceniu Warty (Lindner et al. 1992).
Na obszarze Poznania, w okresie zlodowaceń środkowopolskich zachodziła głównie sedymentacja glin zwałowych, które tworzą dwudzielny kompleks o zmiennych miąższościach, maksymalnie do kilkudziesięciu metrów. Dwudzielność ta związana jest z lokalnym występowaniem międzymorenowej serii osadów wodnolodowcowych i zastoiskowych. Rozdzielenie tych utworów na dwa kompleksy
23 glin środkowopolskich – dolny i górny, jest możliwe tylko na podstawie cech fizyko- chemicznych i petrograficznych (Chmal 1997).
Na terenie Poznania, za osady pochodzące z okresu zlodowacenia Odry przyjmuje się gliny zwałowe występujące w obrębie wielkoskalowych struktur glacitektonicznych, rozpoznanych na przykład w otworze wiertniczym koło Moraska, w którym stwierdzono w profilu obecność skonsolidowanych ciemnoszarych piaszczystych glin zwałowych o miąższości około 67 m. Do zlodowacenia Odry zaliczono również kompleks piasków i żwirów wodnolodowcowych (lokalnie lodowcowych) zalegających na glinach dolnych o miąższości do około 20 m. Osady te nie tworzą jednolitego poziomu i występują na bardzo różnych wysokościach (od 48 do 88 m n. p. m. – Chmal op. cit.).
Do zlodowacenia Warty zaliczane są górne gliny zwałowe. Ich miąższość w rejonie Poznania dochodzi do ok. 30 m, ale na ogół jednak jest znacznie mniejsza niż miąższości glin dolnych (Chmal op. cit.). Trójdzielność gliny zwałowej nasunięcia warciańskiego najlepiej zaznaczyła się w środkowej części Pojezierza Wielkopolskiego.
Gliny te nigdzie nie występują w superpozycji, osiągają niewielką miąższość i nie są oddzielone od siebie innymi osadami o znacznej miąższości. W uziarnieniu glin zlodowacenia Warty stwierdzono większy udział frakcji grubszych w stosunku do glin zlodowacenia Odry (Czerwonka, Krzyszkowski 1994 vide Mojski 2005).
Okres zlodowaceń środkowopolskich kończy się sedymentacją piasków i żwirów wodnolodowcowych, występujących lokalnie w obrębie wzgórz, o charakterze kemowym (Chmal 1997).
2.5 Interglacjał eemski
Na obszarze Niziny Środkowopolskiej licznie występują różnego typu obniżenia terenu – wytopiska, rynny glacjalne, małe zagłębienia w obniżeniach końcowych, starorzecza, przetrwałe dna dolin, itp., w których zachowały się najpełniejsze zapisy zdarzeń z okresu interglacjału eemskiego (Mojski 2005).
Osady aluwialne interglacjału eemskiego występują we wszystkich większych dolinach rzecznych Niżu Polskiego i składają się z dwóch – trzech cyklów erozyjno – akumulacyjnych, w których grubszy materiał znajduje się w spągu (Lindner et al. 1992).
W rejonie Poznania, na głębokości kilku, kilkunastu metrów, często pod glinami zwałowymi i mułkami zastoiskowymi stwierdzono obecność utworów interglacjału
24 eemskiego, w postaci piasków i żwirów wodnolodowcowych, ze szczątkami organicznymi oraz mułków jeziornych (Chmal 1997).
2.6 Zlodowacenie północnopolskie
W czasie stadiału głównego lądolód skandynawski zlodowacenia północnopolskiego osiągnął w Polsce maksymalny zasięg, pozostawiając na przedpolu bogatą młodą rzeźbę polodowcową. Biorąc pod uwagę kryteria morfostratygraficzne, stadiał główny na Niżu Polskim podzielono na trzy fazy postojowe czoła lądolodu:
leszczyńską, poznańską i pomorską (Ryc. 2.2 – Mojski 2005).
2.6.1 Stadiał główny – faza leszczyńska
W rejonie Poznania większość powierzchniowych osadów glacjalnych w obrębie wysoczyzn i rynien subglacjalnych związana jest z nasunięciem i deglacjacją fazy leszczyńskiej. Na początku tego zlodowacenia sedymentowały w większości piaski i żwiry wodnolodowcowe dolne, pochodzące z okresu transgresji lądolodu. Piaski te odsłaniają się w wielu fragmentach na krawędziach wysoczyzn (np. w Puszczykowie, Daszewicach) lub znajdują się pod cienką powłoką glin zwałowych i piasków lodowcowych (np. w rejonie Żabikowa, Czerwonaka, Moraska; Chachaj 1996, Chmal 1997). Lokalnie, wkroczenie ostatniego zlodowacenia zaznacza sedymentacja zastoiskowych mułków piaszczystych w obniżeniach już wcześniej częściowo wypełnionych (w interglacjale eemskim) osadami limnicznymi (Chmal op. cit.).
Największe rozprzestrzenienie spośród utworów fazy leszczyńskiej mają gliny zwałowe, które są silnie spiaszczone, mają barwę żółtą, miejscami szarą z żółtymi smugami. Miąższość ich wynosi na ogół 2 – 5 m, a miejscami dochodzi do 10 – 12 m (Chachaj 1996, Chmal 1997). Na glinach zwałowych wytopionych w spągu lądolodu występują często piaski pylaste lub żwiry i pospółki, będące inicjalnie pokrywą supraglacjalną (Chmal 1997).
Położenie stanowisk interglacjału eemskiego wskazuje, że lądolód nasuwał się na omawiany obszar, w sytuacji, gdy ukształtowane były już wszystkie elementy rzeźby terenu przez zlodowacenia środkowopolskie. Istniało już między innymi obniżenie Warty, obniżenie na linii Bogdanki i Potoku Junikowskiego oraz wzgórza na północ od Poznania (Chmal op. cit.).
Na obszarze Poznania granicę rozdzielenia na fazę leszczyńską i poznańską osadów lodowcowych i wodnolodowcowych zlodowacenia bałtyckiego należy traktować jako umowną, gdyż często zasięg fazy poznańskiej nie jest dobrze czytelny.
25 Pozycja stratygraficzna i morfologiczna iłów warwowych w rynnie Potoku Junikowskiego oraz piasków sandrowych w obrębie obniżenia Warty wskazuje, że w trakcie fazy poznańskiej zachowany był jeszcze martwy lód transgresji leszczyńskiej (blokujący np. zastoisko junikowskie). Co za tym idzie, trudno jest określić dokładnie następstwo wytapiania się glin lądolodu fazy leszczyńskiej i poznańskiej (Chmal op. cit.).
W fazie leszczyńskiej miało miejsce subglacjalne rozcięcie wysoczyzny na liniach Jezioro Kierskie – Potok Junikowski – Jezioro Kórnickie oraz Bogdanka – Cybina, które przyczyniło się do powstania rynien glacjalnych. W rynnach tych sedymentowały iły, a następnie mułki zastoiskowe (w tym warwowe), które pochodzą prawdopodobnie z okresu interfazy przedpoznańskiej. W rynnie, w rejonie Junikowa – Kotowa miąższość osadów zastoiskowych (w tym warwowych) dochodzi do ok. 12 m i ich strop ma wychodnie na znacznym obszarze. W rynnie Cybiny – Bogdanki miąższość iłów warwowych nie przekracza 6 m, a obecnie ich spąg – w rejonie Komandorii leży na głębokości około 5 m poniżej obecnego poziomu wody Warty.
Interpretacja licznych profili wiertniczych z obszaru Poznania wskazuje, że martwy lód blokował także obniżenie w strefie między rynną Potoku Junikowskiego a rynną Bogdanki (Chmal op. cit.).
2.6.2 Stadiał główny – faza poznańska
W rejonie Poznania zasadniczym osadem związanym z lądolodem fazy poznańskiej są piaski i żwiry oraz gliny moren czołowych, które tworzą liczne pagórki i wzgórza. Występują one pokrywowo na południowym obrzeżu strefy wzgórz powstałych na wypiętrzeniu osadów neogeńskich w rejonie Suchego Lasu – Moraska – Czerwonaka (Chmal 1997).
Zwiększenie aktywności lądolodu w fazie poznańskiej spowodowało sedymentację piasków i żwirów wodnolodowcowych poziomu wyższego o miąższości do ok. 8 m, które pokryły iły i mułki zastoiskowe w obniżeniach rynnowych na odcinku Ławica – Junikowo, Komandoria. Większość powierzchniowych osadów wodnolodowcowych w rejonie Poznania stanowią piaski i żwiry wodnolodowcowe fazy poznańskiej. Lokalnie, w strefie przypowierzchniowej można spotkać piaski i żwiry wodnolodowcowe moren martwego lodu oraz piaski i żwiry tarasów kemowych (Chmal op. cit.).
26 2.6.3 Stadiał główny – faza pomorska
W czasie fazy pomorskiej rozpoczęło się kształtowanie dna doliny Warty.
Na wysokości Mosiny, wody rzeki Warty uległy bifurkacji i w głównej mierze przepływały do pradoliny Odry. Przepływ jej wód do Odry skończył się na przełomie fazy pomorskiej i najstarszego dryasu. W okresie tym osadzały się piaski i żwiry rzeczne terasów nadzalewowych do poziomu 8,0 – 12,0 m n. p. rzeki (Warty) (I) (Chmal op. cit.).
2.6.4 Stadiał główny – Bölling – młodszy dryas
Pogłębianie dna doliny Warty ustało i na powstałej powierzchni erozyjnej zaakumulowana została warstwa osadów tarasu II o niewielkiej miąższości (2 – 3 m).
Piaski rzeczne tarasów nadzalewowych 6,0 – 9,0 m n. p. rzeki (II) wzdłuż całej doliny Warty są drobno- i średnioziarniste, bez szczątków organicznych. W obrębie tarasu II na głębokości około 3 m stwierdzono iły serii poznańskiej (Chmal op. cit.).
Po ustąpieniu lądolodów skandynawskich, w holocenie, sedymentowały osady aluwialne wypełniające doliny rzeczne, wykształcone w facji korytowej, pozakorytowej (rozlewiskowe, zastoiskowe) i starorzeczy (bagiennej – organicznej). W postglacjale powstawały również utwory eoliczne. Na obszarze Poznania, w strefie przypowierzchniowej występują również stosunkowo często utwory pochodzenia antropogenicznego (Troć 2006).
27
3. Charakterystyka iłów warwowych
3.1 Geneza iłów warwowych i związana z nią budowa anizotropowa
Nazwa warwy pochodzi od szwedzkiego słowa „hwert”, co oznacza: cykl, obrót, rotację i łączy się z periodyczną powtarzalnością, regularnym powrotem pewnych warunków. Termin „warwowy” zatem zawiera w sobie nie tylko pojęcie warstwowany, laminowany, a także wyraża, że osad powstał w czasie roku klimatycznego (Rühle et al. 1973).
Osady zastoiskowe, do jakich zaliczamy również iły warwowe, powstawały przeważnie przed czołem lądolodu, w jeziorach strefy proglacjalnej. W czasie, gdy transportowane przez wodę piaski i żwiry opadały sypiąc sandry, z najdrobniejszych zawiesin uniesionych do płytkich, pobliskich zbiorników, sedymentowały warstwowane iły, zwane warwowymi. Materiał, który był do zbiorników dostarczany w postaci zawiesiny był zwykle deponowany na całej powierzchni ich den. W miejscach, gdzie przeważała depozycja z suspensji powstawały utwory laminowane (Książkiewicz et al.
1965; Gradziński et al. 1976).
Iły warwowe w profilu pionowym są osadami bardzo niejednorodnymi pod względem granulometrycznym. Charakteryzują się specyficzną strukturą, z naprzemiennym występowaniem warstw jasnych (piaszczysto – pylastych lub pylastych o barwie jasnoszarej) oraz warstw ciemnych (pylasto – ilastych lub ilastych o barwie ciemnoszarej). Warstwa jasna i ciemna tworzy warwę, a ta reprezentuje osad powstały w czasie jednego roku. Rytmiczna sedymentacja osadów warwowych to wynik zmian warunków depozycji, jakie zachodziły w okresie rocznym. Różnica barwy związana jest z okresem glacjalnego lata, gdy deponowane były osady niesione przez dobrze natlenione wody roztopowe. W tym czasie jeziora zasilane były wodami z topniejącego lodowca, a na dnie zbiornika sedymentowała lamina złożona z ziaren głównie frakcji pyłowej i piaskowej. W okresie glacjalnej zimy pokrywa lodowa odcinała dostęp tlenu do zbiornika, przez co powstało środowisko redukcyjne, które przyspieszało rozkład substancji organicznej i to wpływało na powstanie ciemniejszej barwy osadu. Gdy dopływ wód do jeziora zamierał to osadzały się głównie cząstki frakcji ilastej, które utrzymywały się dłużej w zawiesinie, czemu sprzyjała niska temperatura wody i związana z tym duża jej gęstość oraz znikome zasolenie. Warwy są różnej miąższości, co związane jest z temperaturą i z długością trwania topnienia w poszczególnych okresach glacjalnych
28 oraz z warunkami lokalnymi (Książkiewicz et al. 1965; Gradziński et al. 1976;
Myślińska 2006; Flieger-Szymańska, Machowiak 2011).
Odpowiednia głębokość jeziora zastoiskowego jest istotnym czynnikiem warunkującym obecność warw, które odpowiadają glacjalnym okresom rocznym.
W płytszych jeziorach, których woda była wzburzona przez silne wiatry, przypuszczalnie mogły powstawać dodatkowe laminy (Gradziński et al. 1976).
W 1912 roku szwedzki badacz Gerard de Geera opracował jedną z metod wykorzystywanych w badaniach geologicznych do chronologicznego porządkowania osadów czwartorzędowych, która wykorzystuje rytmiczną sedymentację iłów warwowych do obliczeń wieku osadów związanych ze schyłkiem ostatniego zlodowacenia plejstoceńskiego i szybkością cofania się lądolodu. Badał on osady warwowe południowej Szwecji. Kolejno, metoda ta została następnie wykorzystana w sąsiednich obszarach Europy i w Ameryce Północnej (Rühle et al. 1973;
Gradziński et al. 1976).
Na rycinie 3.1 przedstawiony został schemat łuskowatego układu warw z recesyjnych stadiałów lodowca. Przy cofaniu się krawędzi lodowca ku północy jednocześnie wydłużała się seria warw o tyle, o ile cofnęła się krawędź lodu.
O chronologii ruchów oscylacyjnych lądolodu decydowała liczba warw w każdej nowej ich serii. Czas depozycji osadów warwowych każdego nowego stadium należy zacząć obliczać od powierzchni moreny dennej, tak, jak to podano na rycinie 3.1 (Rühle et al.
1973).
Ryc. 3.1. Schemat cofania się krawędzi lodowca w przeciągu 4 lat i powstające w tym czasie na dnie zbiornika warwy (wg Krasnowa, 1955 vide Rühle et al. 1973)
29 3.2 Obecny stan wiedzy o iłach warwowych z doliny Strumienia Junikowskiego
W minionych latach iły zastoiskowe z dorzecza Strumienia Junikowskiego były przedmiotem badań m. in. Krygowskiego (1934), Kostrzewskiego (1980, 1995) oraz Flieger-Szymańskiej (2006, 2010, 2011, 2012, 2015).
W swojej publikacji Krygowski (1934) opisał zasięg występowania iłów warwowych na terenie miasta Poznania, scharakteryzował warwy oraz określił mechanizm osadzania materiału ilastego zależnie od morfologii dna basenu. Zawarł też niektóre dane z analiz uziarnienia pobranych próbek i wstępne wyniki analiz chemicznych. Praca odnosiła się do genezy iłów, okresu sedymentacji poszczególnych warw i ich wieku.
Kostrzewski (1980) opisał natomiast wyniki badań geologiczno – inżynierskich iłów warwowych. Do badań pobrał po 3 próbki gruntów z trzech odkrywek:
przy cegielni Żabikowo, Kotowo i Rudnicze. Pomiędzy warstwami ciemnymi i jasnymi stwierdził obecność cienkich, wyraźnie jaśniejszych warstewek, zbudowanych z nieco grubszego materiału. Dla każdego rodzaju warstwy zostały wyznaczone parametry fizyko-mechaniczne.
Kostrzewski i Florkiewicz (1995) opisali budowę i właściwości osadów warwowych oraz przeprowadzili krytyczną analizę metodyki ich dotychczasowych badań. Zamieścili ponadto propozycję opisu wytrzymałościowego tych gruntów w postaci globalnego warunku stanu granicznego.
Tabela 3.1 prezentuje wyniki badań parametrów mechanicznych iłów warwowych występujących w rynnie Strumienia Junikowskiego. Zastosowane metody badań polegały na bezpośrednim ścinaniu gruntu w aparacie skrzynkowym i za pomocą ścinarki obrotowej oraz na pomiarach wykonanych penetrometrem i badaniach ściśliwości w edometrach dla przedziału naprężeń normalnych σn 0 – 400 kPa (Kostrzewski 1980; Florkiewicz, Kostrzewski 1995).
Tab. 3.1. Zestawienie wartości parametrów mechanicznych oznaczonych dla zastoiska odłożonego w rynnie Strumienia Junikowskiego wg badań Kostrzewskiego (1980)
Rodzaj warstwy
IL ϕ
[°]
c [kPa]
Mo [kPa]
ciemna 0,10 9°00’÷13°30’ 59÷88 4040÷5942 jasna 0,10 13°00’÷19°20’ 69÷108 6354÷8708
30 W latach 2005 – 2006 autorka (Flieger 2006), w celu określenia zasięgu występowania osadów zastoiskowych i pobrania próbek iłów warwowych do badań laboratoryjnych, wykonała kartowanie obszaru w rejonie wyrobisk poeksploatacyjnych istniejących w centralnej części dorzecza Strumienia Junikowskiego. Na tym etapie badań założono, że podłoże budowlane wykształcone w postaci gruntów o anizotropowej strukturze, powinno się traktować jako całość (monolit), stąd analizy laboratoryjne przeprowadzono na próbkach monolitycznych, bez rozdzielania na warstwy jasne i ciemne. Poniżej w tabeli 3.2 przedstawiono zestawienie wyników badań parametrów fizycznych dla próbek nierozdzielonych, które poddano obróbce statystycznej (Flieger 2006; Flieger-Szymańska, Machowiak 2011).
Tab. 3.2. Odchylenie standardowe, moda, mediana, średnia arytmetyczna, przedział zmienności wyznaczonych parametrów fizycznych dla próbek monolitycznych
Parametr Liczba próbek
Przedział zmienności
od - do
Średnia
arytmetyczna Moda Mediana
Odchylenie standar-
dowe wilgotność naturalna
wn [%] 33 16,57 - 38,91 27,86 24,61 27,48 5,63 granica plastyczności
wp [%] 33 17,10 - 30,91 22,67 22,76 22,15 3,50 granica płynności
wL [%] 33 27,95 - 63,86 46,10 39,09 47,08 8,52 granica skurczalności
ws [%] 33 9,15 - 25,28 16,81 17,42 17,18 3,53
wskaźnik plastyczności
Ip [%] 33 9,52 - 36,99 23,43 - 23,08 6,85
stopień plastyczności
IL [-] 33 -0,43 - 0,67 0,24 0,39 0,24 0,21
aktywność koloidalna
A [-] 33 0,49 - 2,04 1,10 0,85 1,00 0,38
swobodne pęcznienie
FSHG [%] 33 0 - 50 24,09 20,00 20,00 11,45
porowatość
n [-] 28 0,34 - 0,49 0,44 0,44 0,44 0,04
wskaźnik porowatości
e [-] 28 0,51 - 0,97 0,78 0,79 0,79 0,13
współczynnik filtracji
k [m/s] 28 1,67·10-10 -
3,32·10-8 7,96·10-9 1,2·10-8
1,2·10-9 2,2·10-9 9,15·10-9 gęstość objętościowa
gruntu ρ [g/cm³] 28 1,61 - 2,15 1,89 1,75 1,90 0,12 gęstość objętościowa
szkieletu gruntowego ρd [g/cm³]
28 1,36 - 1,79 1,52 1,64 1,50 0,11
W pracy autorki (Flieger 2006) określono (także dla próbek monolitycznych) potencjalne pęcznienie, plastyczność, spoistość oraz zdolność do potencjalnej ekspansywności na podstawie nomogramów (Ryc. 3.2 i 3.3). Dominują tutaj próbki
31 iłów zastoiskowych (w tym warwowych) o średniej i wysokiej plastyczności (87,9 % badanych próbek) oraz o średnim i wysokim pęcznieniu (87,9 % badanych próbek), średnio i zwięzło spoiste (78,8 % badanych próbek). Analizowane próbki są zdolne na ogół do średniej i wysokiej potencjalnej ekspansywności (78,8 % badanych próbek) (Ryc. 3.3).
Ryc. 3.2. Nomogram Casagrande’a zmodyfikowany przez Grabowską-Olszewską (1998) dla 33 próbek monolitycznych o strukturze naruszonej (Flieger 2006; Flieger-Szymańska, Machowiak 2011)
32 Ryc. 3.3. Nomogram pozwalający określić potencjalną ekspansywność (PE) według Van der Merwego (1964), zmodyfikowany przez Grabowską-Olszewską (1998), sporządzony dla 33 próbek monolitycznych o naruszonej strukturze (Flieger 2006; Flieger-Szymańska, Machowiak 2011)
W publikacjach Flieger-Szymańska i Machowiak (2010, 2011) zamieszczono również wstępne wyniki składu granulometrycznego dla próbek bruzdowych (rozdzielonych na warstwy jasne i ciemne), w celu zwrócenia uwagi na duże różnice dotyczące zawartości poszczególnych frakcji. Przedziały procentowe zawartości poszczególnych frakcji dla 38 próbek monolitycznych i 40 próbek bruzdowych zestawiono w tabeli 3.3. W obrębie warstw jasnych, ze względu na skład granulometryczny, zgodnie z klasyfikacją gruntów w normie PN-86/B-02480, można wydzielić następujące rodzaje gruntów: ił pylasty Iπ (7 próbek), glinę pylastą zwięzłą Gπz (6 próbek), glinę zwięzłą Gz (1 próbka), glinę pylastą Gπ (3 próbki) i glinę G (3 próbki). Warstwy ciemne natomiast można określić jako: ił I (12 próbek), ił pylasty Iπ (5 próbek), glinę pylastą zwięzłą Gπz (3 próbki).
33 Tab. 3.3. Zestawienie procentowych zawartości poszczególnych frakcji dla próbek monolitycznych i bruzdowych
Rodzaj badanych próbek Zawartość procentowa poszczególnych frakcji fp [%] fπ [%] fi [%]
Próbki monolityczne – z całej warwy 1 – 36 48 – 89 10 – 46 Próbki bruzdowe – warstwy jasne 0 – 40 34 – 82 12 – 50 Próbki bruzdowe – warstwy ciemne 0 – 30 10 – 70 26 – 84
W publikacji Florkiewicz, Flieger-Szymańska, Machowiak i Wanatowski (2015) przedstawiono genezę anizotropowych osadów warwowych występujących w dolinie Strumienia Junikowskiego, ich podstawowe parametry fizyczne i mechaniczne, skład granulometryczny oraz charakterystykę wytrzymałościową. Omówiono również trudności jakie sprawiają grunty o anizotropowej strukturze przy interpretacji wyników badań laboratoryjnych. Mimo warstwowej budowy – w ujęciu inżynierskim, iły te najczęściej traktowane są jak jedna warstwa. W artykule – ze względu na znaczną niejednorodność tych osadów, zwrócono uwagę na konieczność oznaczania parametrów wytrzymałościowych osobno dla warstw ciemnych i jasnych. W celu ich pełnego opisu wytrzymałościowego konieczna jest jednak znajomość funkcji oporów ścinania
τ
, charakterystycznych dla materiałów, z których zbudowane są poszczególne warstwy składające się na warwę. W publikacji tej zamieszczono również propozycję opisu wytrzymałościowego dla ośrodka anizotropowego w postaci globalnego warunku stanu granicznego w warunkach płaskiego stanu naprężeń.Rycina 3.4 przedstawia rozkład składu granulometrycznego w obrębie warstw jasnych i ciemnych (według normy PN-EN ISO 14688-2:2006). W obrębie warstw jasnych, ze względu na zawartość poszczególnych frakcji można wydzielić: ił z pyłem siCl, ił Cl, pył z iłem clSi, pył z iłem i piaskiem saclSi, ił z pyłem i piaskiem sasiCl.
Warstwy ciemne można określić jako: ił Cl, ił z pyłem siCl (Florkiewicz et al. 2015).
Kostrzewski (1980) wyróżnił dodatkowo, oprócz warstw jasnych i ciemnych, obecność warstw bardzo jasnych (o miąższości do 2 mm) uformowanych z nieco grubszych ziaren (Ryc. 3.4 a). Zauważył również, że w płaszczyznach warstewek bardzo jasnych występuje największa tendencja do rozwarstwiania osadu.
34 Ryc. 3.4. Rozkład granulacji ziaren w warwie iłu junikowskiego: a – w układzie warwy podzielonej na warstwę bardzo jasną, jasną i ciemną wg badań Kostrzewskiego (1980), b – w układzie warwy podzielonej na warstwę jasną i ciemną wg badań Florkiewicza et al. (2015)
Na rycinie 3.5, w obrębie poszczególnych warstw wchodzących w skład pojedynczej warwy, przedstawiono natomiast zależność wskaźnika plastyczności Ip
od wartości granicy płynności wL (Florkiewicz et al. 2015; Florkiewicz, Kostrzewski 1995).
Ryc. 3.5. Zależność wskaźnika plastyczności od granicy płynności dla iłu junikowskiego: a – w układzie warwy podzielonej na warstwę bardzo jasną, jasną i ciemną według badań Kostrzewskiego (1980), b – w układzie warwy podzielonej na warstwę jasną i ciemną według badań Florkiewicza et al. (2015)
