WPàYW ZAWARTOĝCI FRAKCJI DROBNEJ NA CHARAKTERYSTYKI KONSOLIDACYJNE I ĝCIĝLIWOĝû GRUNTÓW ZIARNISTYCH
Mirosáaw J. LipiĔski, Maágorzata K. Wdowska
Szkoáa Gáówna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
Streszczenie. ZawartoĞü frakcji drobnej róĪnicuje zachowanie gruntów, które pod wzglĊ- dem klasy¿ kacyjnym znajdują siĊ na granicy gruntów spoistych i niespoistych oraz są po- strzegane jako materiaáy przejĞciowe i trudne do opisu. W artykule przedstawiono wyniki badaĔ 5 materiaáów ziarnistych o zróĪnicowanej zawartoĞci frakcji drobnej od 10 do 97%.
Analizowano charakterystyki konsolidacji i ĞciĞliwoĞci. Analiza wyników badaĔ pozwoliáa na sformuáowanie wniosków dotyczących zaobserwowanych prawidáowoĞci w zmianach charakterystyk konsolidacji i ĞciĞliwoĞci wraz ze zmianą zawartoĞci frakcji drobnej.
Sáowa kluczowe: grunty niespoiste, zawartoĞü frakcji drobnej, ĞciĞliwoĞü
WSTĉP
W literaturze geotechnicznej dotyczącej okreĞlania cech i wáaĞciwoĞci gruntów zde- cydowana wiĊkszoĞü wyników badaĔ koncentruje siĊ na okreĞlonym rodzaju gruntu. Pod- stawowe badania eksperymentalne prowadzone w komorach kalibracyjnych, wirówkach, zaawansowanej aparaturze laboratoryjnej (kolumny rezonansowe, TSHC, zaawansowane aparaty trójosiowe) dotyczą zwykle czystych „akademickich” piasków, jak: Ticino, Otta- wa, Toyoura, lub konkretnych gruntów spoistych, np. iáów londyĔskich. NajwczeĞniejsza publikacja dotycząca zróĪnicowanej roli w przenoszeniu naprĊĪenia przez ziarna i cząstki gruntu o róĪnych wymiarach to propozycja Mitchella [1976]. PóĨniejsze prace dotyczyáy wpáywu zawartoĞci frakcji drobnej na moĪliwoĞü upáynnienia gruntu [np. Kuerbis i in.
1988] czy sztywnoĞü początkową [Rahman i in. 2012]. Niewiele jest informacji na te- mat gruntów przejĞciowych znajdujących siĊ, z punktu widzenia uziarnienia, pomiĊdzy gruntami spoistymi a niespoistymi, natomiast w ogóle brak jest udokumentowanych ba- daĔ zmierzających do opisu zmian podstawowych charakterystyk gruntu wraz ze zmianą
Adres do korespondencji – Corresponding author: Mirosáaw LipiĔski, Maágorzata Wdowska, Szkoáa Gáówna Gospodarstwa Wiejskiego, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska, Katedra GeoinĪynierii, ul. Nowoursynowska 159, 02-776 Warszawa, e-mail: malgorzata_wdowska@sggw.
pl, miroslaw_lipinski@sggw.pl
uziarnienia. Dowodem na to jest brak poáączenia pomiĊdzy klasy¿ kacjami gruntów i ich wáaĞciwoĞciami mechanicznymi. Podejmowane w przeszáoĞci próby (np. grunty A, B, C, D, z normy PN-81/03020, uszeregowane wedáug rodzaju i genezy) nie byáy (eufemi- stycznie to opisując) sukcesem. Tymczasem istnieje duĪe zapotrzebowanie na zrozumie- nie zachowania siĊ gruntów przejĞciowych poprzez przypisanie zmian w uziarnieniu do odpowiadających im zmian parametrów mechanicznych. Potencjalne poĪytki z wyjaĞnie- nia tego zagadnienia miaáyby, oprócz walorów poznawczych, wymiar praktyczny nie do przecenienia.
Jednymi z podstawowych charakterystyk wáaĞciwoĞci mechanicznych, które dostar- czają wielu cennych informacji o materiale, są charakterystyki konsolidacji i ĞciĞliwoĞci.
W przypadku materiaáów ziarnistych, zawierających znaczny procent frakcji drobnej, jest to szczególnie istotne, poniewaĪ grunty takie, traktowane czĊsto jako przejĞciowe, mogą wykazywaü cechy zachowaĔ gruntów niespoistych i spoistych. Charakterystyki ĞciĞli- woĞci gruntu niespoistego róĪnią siĊ zasadniczo od charakterystyk ĞciĞliwoĞci gruntów spoistych. Gáówna róĪnica polega na tym, Īe w przypadku piasków moĪliwe jest istnienie nieskoĔczenie wielu krzywych ĞciĞliwoĞci, które bĊdą siĊ róĪniáy od siebie wskaĨnikiem porowatoĞci początkowej, odpowiadającym stanowi po depozycji materiaáu, a takĪe zmia- ną wskaĨnika porowatoĞci wraz ze wzrostem naprĊĪenia. W gruncie spoistym natomiast, w przypadku materiaáu bez historii obciąĪenia, krzywa ĞciĞliwoĞci jest jedna, jednoznacz- nie związana z jego skáadem granulometrycznym czy granicami konsystencji. Z faktu, czy grunt zachowuje siĊ jak spoisty, czy niespoisty, wynika caáy szereg konsekwencji dla sposobu badania materiaáu, a takĪe dla jego póĨniejszego zachowania pod obciąĪeniem.
Z tego wzglĊdu w artykule przedstawiono charakterystyki konsolidacji i ĞciĞliwoĞci dla piĊciu rodzajów gruntów ziarnistych zawierających róĪną zawartoĞü frakcji drobnej. Ter- min „grunty ziarniste z róĪną zawartoĞcią frakcji drobnej” zostaá uĪyty celowo, aĪeby nie przyporządkowywaü ich a priori do gruntów spoistych lub niespoistych. ZawartoĞü frakcji drobnej w tym artykule rozumiana jest jako procent masy gruntu przechodzący przez sito nr 200, wedáug ASTM, o wymiarze oczka 0,075 mm.
METODYKA BADAē
Badania przeprowadzono na gruntach ziarnistych o róĪnej zawartoĞci frakcji drob- nej, wynoszącej od 10 do 97%, których krzywe uziarnienia przedstawiono na rysunku 1.
Dla kaĪdego gruntu przeprowadzono co najmniej cztery badania przy róĪnych warto- Ğciach początkowego wskaĨnika porowatoĞci. Dokáadną listĊ przeprowadzonych badaĔ, dodatkowo scharakteryzowaną przez początkowe wskaĨniki porowatoĞci, przedstawiono w tabeli 1.
Badania gruntów niespoistych przeprowadzono w konsolidometrze na próbkach o Ğrednicy 150 mm i wysokoĞci 60 mm [LipiĔski 1997]. Próbki byáy przygotowane w czterech warstwach. W zaleĪnoĞci od wymaganego początkowego wskaĨnika porowa- toĞci warstwy byáy spryskiwane wodą. DuĪe wymiary próbki (pow. = 176,7 cm2) wyma- gaáy przyáoĪenia odpowiednio duĪej siáy, dlatego zastosowano wielodĨwigniowy system obciąĪania, który umoĪliwia zadanie siáy do 60 kN (rys. 2). Takie rozwiązanie ma teĪ pewne ograniczenia, m.in. ze wzglĊdu na maksymalny skok táoka aparatu, który w tej
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0,001 0,010 0,100 1,000 10,000 100,000
PN-86 B-02480
Frakcje/ Fraction Iáowa/
Clay
Kamien./
Cobble ĩwirowa/ Gravel
Pyáowa/ Silt Piaskowa/ Sand
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 zawartoĞü cząstek < d [%] percent passing < d [%]
Ğrednica zastĊpcza cząstek particle size d [mm ]
zawartoĞü cząstek > d [%]percent retained > d [%]
6,3
0,05 40
0,002 0,02 0,2 2 20
0,0063 0,063 0,63 63
Cl Si Sa Gr
Co Bo LBo CGr
FGr
FSi MSi CSi FSa MS CSa MGr
EN ISO 14688-1
10% frakcji drobnej, U=2,4 17% frakcji drobnej, U=4,4 36% frakcji drobnej, U=16,4
10% of fines, U=2.4 17% of fines, U=4.4 36% of fines, U=16.4
60% frakcji drobnej, U=45,6 97% frakcji drobnej, U=33,7 60% of fines, U=45.6 97% of fines, U=33.7
Rys. 1. Krzywe uziarnienia badanych gruntów Fig. 1. Grain size distribution of tested soils
Tabela 1.Zestawienie wskaĨników porowatoĞci badanych próbek gruntów Table 1. Void ratios of tested soils
Grunt – Soil Początkowy wskaĨnik porowatoĞci – Initial void ratio, e0 10% frakcji drobnej – of ¿ nes 1,094 0,943 0,853 0,814 0,779 0,711
17% frakcji drobnej – of ¿ nes 0,994 0,950 0,828 0,702 – –
36% frakcji drobnej – of ¿ nes 1,014 0,811 0,726 0,615 – –
60% frakcji drobnej – of ¿ nes 1,645 1,110 0,948 0,850 0,676 –
97% frakcji drobnej – of ¿ nes 2,168 1,141 0,981 0,909 – –
Rys. 2. Widok stanowiska badawczego oraz konsolidometru Fig. 2. Consolidometer and loading system used during tests
kon¿ guracji wynosiá 17 mm. Dlatego teĪ dla luĨnych gruntów zawierających wiĊcej niĪ 60% frakcji drobnej stosowano jeden lub dwa cykle obciąĪenia-odciąĪenia i ponownego obciąĪenia, aby skok táoka dostosowaü do wielkoĞci deformacji.
Innymi ograniczeniami byáy:
tarcie wywoáane parą pierĞcieni uszczelniających niezbĊdnych dla uszczelnienia pier- Ğcienia konsolidometru w przypadku stosowania ciĞnienia wyrównawczego,
tarcie w wielodĨwigniowym systemie obciąĪania spowodowaáo powstawanie dla ma- áego zakresu naprĊĪeĔ niewielkiej histerezy podczas cyklu obciąĪenie-odciąĪenie.
Z tego powodu, pomimo Īe krzywe konsolidacji ilustrują faktyczny przebieg badania, powinno siĊ je interpretowaü w przedziale 100–1000 kPa.
Konstrukcja konsolidometru umoĪliwiaáa zastosowanie ciĞnienia wyrównawczego podczas badania (rys. 2), wyeliminowano wiĊc najczĊĞciej pojawiający siĊ problem nie- peánego nasycenia gruntu w badaniach konsolidacji [LipiĔski i Wdowska 2004, LipiĔski 2013]. Po umieszczeniu próbki w konsolidometrze przepuszczano przez nią CO2 (przez minimum 2 godziny), a nastĊpnie odpowietrzoną wodĊ destylowaną. W trakcie nasącza- nia ciĞnienie wyrównawcze o wartoĞci 300 kPa byáo wystarczające do zapewnienia peá- nego nasycenia. Parametr Skemptona (B) zwykle osiągaá wartoĞci od 0,95 do 1,0. NaleĪy podkreĞliü, Īe dla zachowania niezmiennoĞci naprĊĪeĔ efektywnych podczas nasączania ciĞnienie wyrównawcze byáo przykáadane etapami. Po zakoĔczeniu etapu nasączania na- stĊpowaáo wáaĞciwe badanie edometryczne, w którym wspóáczynnik przyrostu obciąĪe- nia (LIR) podczas zadawania obciąĪeĔ wynosiá 1, a badanie rozpoczynano od naprĊĪenia 25 kPa. Podczas procesu konsolidacji mierzono deformacje próbki i objĊtoĞü odpáywają- cej wody. Zastosowano dwie biurety: 20 cm3 – dla odczytów początkowych i 250 cm3 dla pozostaáych. Biurety byáy podáączone do systemu zadawania ciĞnienia wyrównawczego.
CHARAKTERYSTYKI KONSOLIDACJI
Charakterystyki konsolidacji przedstawiono w postaci odksztaácenia objĊtoĞciowego, w zaleĪnoĞci od czasu. Jako najistotniejsze czynniki uznano zawartoĞü frakcji drobnej, początkowy wskaĨnik porowatoĞci i wartoĞü efektywnego naprĊĪenia pionowego. Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono odpowiednio charakterystyki dla gruntów wykazujących zachowanie typowe dla gruntów niespoistych oraz spoistych. Z uwagi na ograniczenie objĊtoĞci artykuáu dla kaĪdego rodzaju gruntu przedstawiono po dwa wyniki badaĔ, dla maáej (stan zagĊszczony) i duĪej (stan luĨny) wartoĞci początkowego wskaĨnika poro- watoĞci. Na rysunku 3 przedstawiono charakterystyki dla gruntów zawierających 10 i 17% frakcji drobnej. Początkowe wskaĨniki porowatoĞci dla próbek zagĊszczonych nie- znacznie przekraczaáy wartoĞü 0,7, natomiast dla gruntów luĨnych w obu przypadkach wynosiáy okoáo 0,95. Wspólną cechą wszystkich wykresów jest rozproszenie nadwyĪki ciĞnienia wody w porach juĪ po 5 sekundach. Tylko dla najmniejszego obciąĪenia dla gruntu o zawartoĞci frakcji drobnej 17% czas ten wynosiá 30 sekund. Poza tym widaü, Īe dla tej grupy gruntów 7% róĪnicy w zawartoĞci frakcji drobnej bardziej wpáywa na od- ksztaácenie gruntów zagĊszczonych niĪ luĨnych. Dla materiaáu zawierającego 17% frak-
–
–
cji drobnej zagĊszczenie powoduje dwukrotną redukcjĊ odksztaácenia objĊtoĞciowego, podczas gdy dla materiaáu zawierającego 10% frakcji drobnej ta redukcja juĪ jest prawie czterokrotna.
Nieco inaczej wyglądają charakterystyki materiaáów wykazujących cechy gruntów spoistych, zawierających odpowiednio 36, 60 i 70% frakcji drobnej. Wykresy konsolida- cji tych gruntów przedstawiono w analogicznych ukáadzie jak dla gruntów piaszczystych, na rysunku 4. Odksztaácenia objĊtoĞciowe są wiĊksze niĪ w przypadku gruntów piasz- czystych i rosną proporcjonalnie do zawartoĞci frakcji drobnej. Wspólną cechą gruntów luĨnych jest powstawanie relatywnie duĪych odksztaáceĔ objĊtoĞciowych juĪ przy nie- wielkich wartoĞciach naprĊĪenia i póĨniejsze maáe jego zmiany przy podwajaniu obcią- Īenia. Dla stanów zagĊszczonych początkowe przyrosty odksztaácenia objĊtoĞciowego są rozáoĪone proporcjonalnie do stosunków przyrostu obciąĪenia. Wspólną cechą piĊciu przedstawionych wykresów jest przesuniĊcie punktu przegiĊcia krzywych konsolidacji w prawo, co Ğwiadczy o odbywającej siĊ konsolidacji. Jedynie w badaniu zagĊszczonego gruntu, zawierającego 36% frakcji drobnej, krzywe konsolidacji zachowują ksztaát po- dobny jak dla gruntów piaszczystych, co moĪe Ğwiadczyü o tym, Īe grunt o tej zawartoĞci frakcji drobnej moĪe wykazywaü cechy przejĞciowe.
0
0,5
1
1 10 100 1000 10000 100000
Ğciowe, 'V/V [%] ic strain
czas t, s
time 10% frakcji drobnej; e0=0,711 10% of fines
1,5
2
odksztaácenie objĊto volumetri2,5
czas t, s time
10% frakcji drobnej; e0=0,943 10% of fines
0,01 10 100 1000 10000 100000
1,0 2,0
'V/V [%]
3,0 4,0 oĞciowe, ' c strain
5,0 6,0 nie objĊto volumertic0
7,0 8,0 ksztaácen 9 0v kod 9,0
czas t, s
c) time 17% frakcji drobnej; e0=0,702 17% of fines
0,0
1 10 100 1000 10000
] 0,5
V/V [%'] 1,0 1,5 Ğciowe, c strain 2,0
2,5 e objĊtoĞ olumetric 3,0
3,5 kszaácenie vo 4,0 kod 4,5
czas t, s
d) time 17% frakcji drobnej; e0=0,950 17% of fines
0,0 1 0
1 10 100 1000 10000 100000
1,0 2,0 /V [%]V 3 0
3,0 4,0 5 0
ciowe, 'V
strain5,0 6,0 e objĊtoĞc lumetric s7,0
7,0 8,0 ztaácenie vol9,0
, zodks10,0
a b
c d
Rys. 3. Charakterystyki konsolidacji gruntów piaszczystych przygotowywanych przy maáych i duĪych wartoĞciach początkowego wskaĨnika porowatoĞci
Fig. 3. Consolidation characteristics of sandy materials prepared at low and high values of void ratio
25 kPa 50 kPa 100 kPa 200 kPa
400 kPa 830 kPa 1740 kPa
CHARAKTERYSTYKI ĝCIĝLIWOĝCI
Krzywe ĞciĞliwoĞci wszystkich badaĔ przedstawiono na rysunkach 5 i 6 w postaci za- leĪnoĞci wskaĨnika porowatoĞci od pionowego naprĊĪenia efektywnego przedstawionego w podziaáce logarytmicznej. Na rysunku 5 przedstawiono krzywe dla gruntów piaszczy-
25 kPa 50 kPa 100 kPa p 25 kPa
p 50 kPa p 100 kPa 200 kPa 400 kPa
830 kPa 1740 kPa p 25 kPa p 50 kPa
p 100 kPa p 200 kPa p 400 kPa p 830 kPa
p1740 kPa
Rys. 4. Charakterystyki konsolidacji gruntów z duĪą zawartoĞcią frakcji drobnej przygotowywa- nych przy maáych i duĪych wartoĞciach początkowego wskaĨnika porowatoĞci
Fig. 4. Consolidation characteristics materials with high amount of ¿ nes prepared at low and high values of void ratio
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0
1 10 100 1000 10000
odksztaácenie objĊtoĞciowe, 'V/V [%] volumetric strain]
czas t, s time
a 36% frakcji drobnej; e0=0,615
36% of fines
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
1 10 100 1000 10000
odksztaácenie objĊtoĞciowe, 'V/V [%] volumetric strain
czas t, s
b time 36% frakcji drobnej; e0=1,014
36% of fines
0
2 4
6
8
10
12 14
16
1 10 100 1000 10000
odksztaácenie objĊtoĞciowe, 'V/V [%] volumetric strain
czas t, s time
c 60% frakcji drobnej; e0=0,676
60% of fines
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0
1 10 100 1000 10000
odksztaácenie objĊtoĞciowe, 'V/V [%] volumetric strain
czas t, s
d time 60% frakcji drobnej; e0=1,645
60% of fines
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
1 10 100 1000 10000
odksztaácenie objĊtoĞciowe, 'V/V [%] volumetric strain
czas t, s time
97% frakcji drobnej; e0=0,909 97% of fines
e
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
1 10 100 1000 10000
odksztaácenie objĊtoĞciowe, 'V/V [%] volumetric strain
czas t, s time
97% frakcji drobnej; e0=2,168 97% of fines
f
0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2
10 100 1000 10000
wskaĨnik porowatoĞci, e [-] void ratio
początkowy wskaĨnik porowatoĞci, initial void ratio 10% frakcji drobnej,
10% of fines
0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1
10 100 1000 10000
wskaĨnik porowatoĞci, e [-] void ratio
efektywne naprĊĪenie pionowe, V'v[kPa]
vertical effective stress
początkowy wskaĨnik porowatoĞci, initial void ratio 17% frakcji drobnej,
17% of fines
Rys. 5. Charakterystyki ĞciĞliwoĞci gruntów zawierających 10 i 17% frakcji drobnej Fig. 5. Compressibility characteristics for materials with 10 and 17% of ¿ nes
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
10 100 1000 10000
wskaĨnik porowatoĞci, e [-] void ratio
36% frakcji drobnej, 36% of fines
początkowy wskaĨnik porowatoĞci, initial void ratio
0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
10 100 1000 10000
wskaĨnik porowatoĞci, e [-] void ratio
60% frakcji drobnej, początkowy wskaĨnik porowatoĞci, initial void ratio
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2
10 100 1000 10000
wskaĨnik porowatoĞci, e [-] void ratio
efektywne naprĊĪenie pionowe, V'v[kPa]
vertical effective stress
97% frakcji drobnej, początkowy wskaĨnik porowatoĞci, initial void ratio
Rys. 6. Charakterystyki ĞciĞliwoĞci dla gruntów zawierających 36, 60 i 97% frakcji drobnej Fig. 6. Compressibility characteristics of materials with 36, 60 and 97% of ¿ nes
stych, natomiast na rysunku 6 – wykresy dla gruntów zawierających 36, 60 i 97% frakcji drobnej. Porównanie tych dwóch rysunków wyraĨnie wskazuje na caákowicie odmienny charakter krzywych. W przypadku materiaáów piaszczystych przyrost obciąĪeĔ jedynie w niewielkim stopniu zmienia relacje początkowych wskaĨników porowatoĞci, natomiast dla materiaáów, których krzywe pokazane są na rysunku 6, od pewnego obciąĪenia róĪni- ce w początkowych wskaĨnikach porowatoĞci zanikają. WartoĞü tego naprĊĪenia jest tym mniejsza, im wiĊksza jest zawartoĞü frakcji drobnej. I tak dla materiaáów zawierających 36, 60 i 97% frakcji drobnej wartoĞci tych naprĊĪeĔ wynoszą odpowiednio: 1740, 830 i 400 kPa.
Istotne informacje moĪna uzyskaü, Ğledząc charakterystyki ĞciĞliwoĞci w postaci zmian wspóáczynnika ĞciĞliwoĞci (Cc), w zaleĪnoĞci od przyrostu naprĊĪenia efektywne- go. WartoĞü tego wspóáczynnika okreĞla siĊ z nastĊpującego wzoru:
log '
c
v
C de
d V
(1)
Do obliczenia Cc przyjmowano wskaĨnik porowatoĞci e2, odpowiadający zaáamaniu krzywej e–t.
Analogicznie jak w przypadku krzywych konsolidacji i ĞciĞliwoĞci, wykresy wskaĨ- nika ĞciĞliwoĞci (Cc) pogrupowano na rysunkach 7 i 8, odpowiednio dla gruntów piasz- czystych i spoistych. AnalizĊ rysunków moĪna przedstawiü nastĊpująco:
jednorodnoĞü rozkáadu wskaĨnika ĞciĞliwoĞci obserwowana jest w zakresie naprĊĪeĔ 200–1740 kPa,
zasadniczo moĪna zaobserwowaü, Īe wiĊksza wartoĞü wskaĨnika ĞciĞliwoĞci odpo- wiada wiĊkszej zawartoĞci frakcji drobnych,
dla gruntów modelowych o zawartoĞci frakcji drobnej 10 i 17% wartoĞci Cc mają tendencjĊ rosnącą w zakresie naprĊĪeĔ 200–1740 kPa i wyraĨnie zaleĪą od początko- wego wskaĨnika porowatoĞci,
dla gruntu zawierającego 36% frakcji drobnej rozkáad wartoĞci wskaĨnika Cc w zaleĪ- noĞci od pionowego naprĊĪenia efektywnego zasadniczo nie zmienia siĊ i wydaje siĊ, Īe nie zaleĪy od początkowego wskaĨnika porowatoĞci,
dla gruntów o zawartoĞci frakcji drobnej 60 i 97% wartoĞci wskaĨnika Cc wyraĨnie zmniejszają siĊ wraz ze wzrostem pionowego naprĊĪenia efektywnego i nie róĪnią siĊ miĊdzy sobą, niezaleĪnie od początkowego wskaĨnika porowatoĞci,
wiĊkszy gradient zmiany Cc wystĊpuje dla materiaáu drobniejszego.
W celu porównania wpáywu zawartoĞci frakcji drobnej na zmiennoĞü wskaĨnika Ğci- ĞliwoĞci (Cc), w zaleĪnoĞci od naprĊĪenia pionowego, na rysunku 9 przedstawiono uĞred- nione wartoĞci tego parametru dla wszystkich badanych gruntów. Rozpatrując wyniki podane na wykresie w liczbach bezwzglĊdnych, widaü, Īe wskaĨniki ĞciĞliwoĞci są tym wyĪsze, im wiĊksza jest zawartoĞü frakcji drobnej, przy czym wspóáczynniki propor- cjonalnoĞci pomiĊdzy tymi wielkoĞciami zmniejszają siĊ wraz ze wzrostem naprĊĪenia.
Generalizując, moĪna stwierdziü, Īe wraz ze wzrostem obciąĪenia róĪnice w ĞciĞliwoĞci poszczególnych rodzajów gruntu maleją. Taki wniosek nasuwa siĊ automatycznie, jeĪeli wspóáczynniki ĞciĞliwoĞci przedstawi siĊ w zaleĪnoĞci od miary uziarnienia (rys. 10).
– – –
–
–
–
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
wskaĨnikĞciĞliwoĞci, Cc compression index
10% frakcji drobnej, 10% of fines
ei = 1.094 ei = 0.943 ei = 0.853 ei = 0.814 ei = 0.779 ei = 0.711 e0= 1,094 e0= 0,943 e0= 0,853 e0= 0,814 e0= 0,779 e0= 0,711
początkowy wskaĨnik porowatoĞci, initial void ratio
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
wskaĨnikĞciĞliwoĞci, Cc compression index
efektywne naprĊĪenie pionowe, V'v[kPa]
vertical effecive stress
ei = 1.094 ei = 0.943 ei = 0.853 ei = 0.814 e0= 0,994 e0= 0,950 e0= 0,828 e0= 0,702 17% frakcji drobnej,
17% of fines
początkowy wskaĨnik porowatoĞci, initial void ratio
Rys. 7. WskaĨniki ĞciĞliwoĞci w zaleĪnoĞci od efektywnego naprĊĪenia pionowego dla gruntów piaszczystych
Fig. 7. Compression indexes against vertical effective stress for sandy materials
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
wskaĨnikĞciĞliwoĞci, Cc compression index
36% frakcji drobnej, 36% of fines
początkowy wskaĨnik porowatoĞci, initial void ratio
ei = 1.09 ei = 0.94 ei = 0.85 ei = 0.81
e0= 1,014 e0= 0,811 e0= 0,726 e0= 0,615
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
wskaĨnikĞciĞliwoĞci, Cc compression index
60% frakcji drobnej, 60% of fines
początkowy wskaĨnik porowatoĞci, initial void ratio
ei = 1.09 ei = 0.94 ei = 0.85 ei = 0.81 ei = 0.77 e0= 1,645 e0= 1,110 e0= 0,948 e0= 0,850 e0= 0,676
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
wskaĨnikĞciĞliwoĞci, Cc compression index
efektywne naprĊĪenie pionowe, V'v[kPa]
vertical effective stress 97% frakcji drobnej,
97% of fines początkowy wskaĨnik porowatoĞci, initial void ratio
ei = 1.09 ei = 0.94 ei = 0.85 ei = 0.81
e0= 2,168 e0= 1,141 e0= 0,981 e0= 0,909
Rys. 8. WskaĨniki ĞciĞliwoĞci w zaleĪnoĞci od efektywnego naprĊĪenia pionowego dla gruntów z duĪą zawartoĞcią frakcji drobnej
Fig. 8. Compression indexes against vertical effective stress for materials with high amount of ¿ nes
Jako miarĊ uziarnienia przyjĊto wartoĞü wskaĨnika SFR (sand to ¿ nes ratio) [LipiĔski 2013], który, jak wynika z nazwy, jest stosunkiem masy frakcji powyĪej 0,075 mm do zawartoĞci frakcji o Ğrednicach mniejszych od 0,075 mm. Dla czytelnoĞci rysunku po- kazano jedynie trzy obciąĪenia (200, 830 i 1740 kPa). Dla relatywnie maáej wartoĞci efektywnego naprĊĪenia pionowego (ı’v = 200 kPa) wartoĞci Cc róĪnią siĊ znacznie dla róĪnych gruntów: od 0,04 dla gruntu zawierającego 10% frakcji drobnej do 0,35 dla grun- tu zawierającego 97% frakcji drobnej. RóĪnice maleją wraz ze wzrostem obciąĪenia i dla naprĊĪenia 1740 kPa zakres zmiennoĞci wspóáczynnika jest bardzo maáy (0,08–0,13).
JednoczeĞnie na wykresie widoczny jest wyraĨny spadek Cc przy wzroĞcie naprĊĪeĔ dla gruntów drobniejszych oraz wzrost wartoĞci Cc w miarĊ wzrostu naprĊĪeĔ dla gruntów o grubszym uziarnieniu. O ile pierwsza obserwacja jest zgodna z intuicją, to juĪ ta ostatnia wydaje siĊ byü niezgodna z oczekiwaniami. WyjaĞnieniem tego moĪe byü inny mecha- nizm przenoszenia obciąĪenia przez grunty piaszczyste i drobnoziarniste. To zagadnie-
0 35 0,4
c
10% frakcji drobnej/ 10% of fines 17% frakcji drobnej/ 17% of fines
0 2 0,25 0,3 0,35
iĞliwoĞci, C ion index
j j
36% frakcji drobnej/ 36% of fines 60% frakcji drobnej/ 60% of fines 97% frakcji drobnej/ 97% of fines
0 05 0,1 0,15 0,2
wskaĨnikĞc compresi 0 0,05
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
w
efektywne naprĊĪenie pionowe ,V'v[kPa]
vertical effective stress vertical effective stress
Rys. 9. UĞrednione wskaĨniki ĞciĞliwoĞci badanych gruntów w zaleĪnoĞci od efektywnego na- prĊĪenia pionowego
Fig. 9. Average compression indexes of tested soils against vertical effective stress
Rys. 10. Wspóáczynniki ĞciĞliwoĞci w zaleĪnoĞci od SFR dla wybranych wartoĞci naprĊĪenia pio- nowego
Fig. 10. Compression indices against SFR for selected values of vertical stress 0
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4
0,01 0,1 1 10
SFR, -
wspóáczynnik ĞciĞliwoĞci Cc, - 200 kPa
830 kPa 1740 kPa
wspóáczynnik ĞciĞliwoĞci, Cc [-]
SFR [-]
nie zasáuguje na poĞwiĊcenie mu znacznie wiĊkszej uwagi w dalszych badaniach. Warto teĪ zwróciü uwagĊ na fakt, Īe przy zawartoĞci frakcji drobnej 36% nastĊpuje inwersja wspóáczynników ĞciĞliwoĞci, co koreluje z postulatem istnienia tzw. progowej zawarto- Ğci frakcji drobnej (treshold ¿ nes content), przy której nastĊpuje zmiana podatnoĞci na upáynnienie gruntu.
WNIOSKI
Analiza wyników badaĔ konsolidacji i ĞciĞliwoĞci przeprowadzona na piĊciu rodza- jach gruntów zawierających 10, 17, 36, 60 i 97% frakcji drobnej oraz przy róĪnych począt- kowych stanach zagĊszczenia pozwoliáa na sformuáowanie nastĊpujących wniosków:
1. Granica zawartoĞci frakcji drobnej, której przekroczenie wiąĪe siĊ z istotną zmia- ną charakterystyk, na pewno zaczyna siĊ powyĪej 17%. Do tej wartoĞci charakterysty- ki konsolidacji i ĞciĞliwoĞci wykazują cechy typowe dla gruntu piaszczystego. Grunty o zawartoĞci frakcji drobnej 60 i 97% zachowują siĊ jak grunty spoiste, natomiast mate- riaá zawierający 36% frakcji drobnej w wiĊkszoĞci wykazuje cechy gruntu spoistego, ale (np. krzywe ĞciĞliwoĞci) w zaleĪnoĞci od stanu początkowego moĪe wykazywaü cechy typowe dla obydwu grup gruntów.
2. W gruntach z duĪą zawartoĞcią frakcji drobnej początkowy stan gruntu decyduje o rozkáadzie przyrostów odksztaáceĔ objĊtoĞciowych w zaleĪnoĞci od obciąĪenia.
3. Rozkáad wspóáczynników ĞciĞliwoĞci w zaleĪnoĞci od obciąĪenia wskazuje na inny mechanizm przenoszenia obciąĪenia w gruntach piaszczystych i bardzo drobnych.
4. W miarĊ przyrostu obciąĪenia wskaĨniki ĞciĞliwoĞci gruntów o róĪnej zawarto- Ğci wykazują silną konwergencjĊ. Inwersja wskaĨników ĞciĞliwoĞci, odpowiadająca za- wartoĞci frakcji drobnej 36%, potwierdza postulat istnienia progowej zawartoĞci frakcji drobnej stosowanej w zagadnieniach opisu podatnoĞci na upáynnienie gruntów o zróĪni- cowanej zawartoĞci frakcji drobnej.
PIĝMIENNICTWO
Kuerbis R., Negussey D., Vaid Y.P., 1988. Effect of gradation and ¿ ne content on the undrained response of sand. Hydraulic ¿ ll structure. Geotechnical Special Publication 21. ASCE, New York, 330–345.
LipiĔski M.J., 1997. Wyznaczenie charakterystyk konsolidacyjnych osadów na gruntach modelo- wych. Raport Katedry Geotechniki SGGW, Warszawa.
LipiĔski M.J., 2013. Kryteria wyznaczania parametrów geotechnicznych. Wydawnictwo SGGW, Warszawa.
LipiĔski M.J., Wdowska M.K., 2004. Kryteria nasączania gruntów prekonsolidowanych metodą ciĞnienia wyrównawczego. II Problemowa Konferencja Geotechniczna „Wspóápraca bu- dowli z podáoĪem gruntowym”, Biaáystok – BiaáowieĪa, 2, 71–81.
Mitchel J.K., 1976. Fundamentals of soil behavior. John Wiley & Sons, New York.
PN-81/B-03020 Grunty budowlane. Posadowienie bezpoĞrednie budowli. Obliczenia statyczne i projektowanie.
Rahman M.M., Cubrinovski M., Lo S.R., 2012. Initial shear modulus of sandy soils and equivalent granular void ratio. Geomechanics and Geoengineering 7, 3, 219–226.
INFLUENCE OF FINES CONTENT ON CONSOLIDATION AND COMPRESSIBILITY CHARACTERISTICS OF GRANULAR SOILS
Abstract. Fines content differentiates the behavior of soils which from classi¿ cation point of view are between cohesive and cohesionless and therefore are perceived as the transistio- nal soils and dif¿ cult to describe. The paper presents test results of 5 granular soils of vario- us ¿ nes content ranging from 10 to 97%. Consolidation and compressibility characteristics were considered. Analysis of test results made possible formulation of conclusions concer- ning tendencies in change of compressibility characteristics with ¿ nes content change.
Key words: cohesionless soils, ¿ nes content, compressibility
Zaakceptowano do druku – Accepted for print: 19.12.2014
