Badania warunków gruntowo-wodnych
Roboty ziemne polegają na wykonaniu budowli, której
środowiskiem i materiałem jest grunt.
Ze względu na to określenie warunków gruntowo-
wodnych oraz właściwości gruntów jest bardzo ważnym
etapem, związanym z projektowaniem robót ziemnych.
Badania mają dostarczyć informacji dotyczących:
- form zalegania warstw gruntu i ich grubości,
- rodzaju gruntu,
- warunków wodnych,
- danych o właściwościach i stanie gruntu, określonych
in-situ lub (oraz) na podstawie pobranych próbek.
Cele badania warunków gruntowo-wodnycch
Dostosowanie przebiegu trasy do istniejących warunków
gruntowo – wodnych (np. omijanie bagien),
Określenie przydatności gruntów na nasypy oraz jako
podłoże pod nawierzchnię,
Prawidłowe zaprojektowanie przekopów poprzecznych w
nasypie i wykopie (kształt, nachylenie skarp),
Określenie sposobów odwodnienia wgłębnego i
powierzchniowego,
Prawidłowe zaprojektowanie konstrukcji nawierzchni,
Ocena przydatności gruntów do stabilizacji,
Prawidłowe określenie technologii robót,
Wyszukanie ew. Złóż materiałów miejscowych.
Badania warunków gruntowo-wodnych
Według "Instrukcji badań podłoża gruntowego budowli
grogowych i mostowych" GDDP (1998) wyróżnia się trzy
etapy badań podłoża
Rozpoznawczy -faza
studiów,
Podstawowy – faza
dokumentacji (dla uzyskania
wskazań lokalizacyjnych,
decyzji, materiałów
przetargowych – koncepcji,
projektu wstępnego,
budowlanego),
Badania uzupełniające – w
fazie projektowania, budowy,
utrzymania/modernizacji
Badania warunków gruntowo-wodnych
Ponadto w "Instrukcji" wyróżnia się trzy stopnie
złożoności podłoża:
proste,
złożone,
skomplikowane.
Wykonanie trzech odrębnych etapów badań jest
zalecane dla dużych obiektów w złożonych i
skomplikowanych warunków podłoża.
W typowych przypadkach można wykonać badanie w
dwóch etapach, a dla małych robót, w prostych
warunkach podłoża, zwłaszcza modernizacyjnych i
utrzymaniowych – w jednym etapie.
O liczbie etapów decyduje zamawiający (inwestor) w
porozumieniu z biurem projektowym.
Etap rozpoznawczy
Na etapie rozpoznawczym celem badań jest dostarczenie
informacji o podłożu gruntowym, które umożliwią wybór
najlepszego wariantu trasy oraz przyjęcie koncepcji
rozwiązania technicznego i wstępną ocenę kosztów.
Najważniejsze informacje to:
ogólny model budowy geologicznej i warunków
hydrologicznych,
określenie obszarów szczególnie niekorzystnych,
możliwość uzyskania materiałów do budowli ziemnych,
dane do ogólnej oceny wpływu obiektu na środowisko.
Etap rozpoznawczy badania obejmuj:
analizę materiałów archiwalnych,
badania metodami pośrednimi,
przegląd terenu (wizja lokalna); w razie potrzeby
kontrolnresondowania i pomiary wód.
Badania pośrednie
Do pośrednich metod badań należą:
fotogrametria,
badania geofizyczne:
metoda elektrooporowa,
metoda sejsmiczna,
metoda georadarowa.
Fotogrametria polega na interpretacji zdjęć lotniczych lub
satelitarnych. Zdjęcia tego samego obiektu (terenu) wykonuje
się jednocześnie zdwóch punktów (kamer). Powstaje w ten
sposób
przestrzenny
obraz
(efekt
stereoskopowy),
poddawany interpretacji.
Analiza zdjęć pozwala na uzyskanie informacji na temat form
geologicznych
oraz
warunków
wodnych.
Interpretacja
wymaga dużego doświadczenia.
Metoda elektrooporowa
Metoda elektrooporowa polega na przepuszczeniu
przez podłoże gruntowe prądu elektrycznego. Na
podstawie pomiarów różnicy potencjałów określa się
opór właściwy ośrodka gruntowego.
Wykonuje się profilowanie poziome (przemieszczanie
układu elektrod po określonym kierunku, bez zmiany
rozstawu) lub profilowanie pionowe (zmiana rozstawu
elektrod – głębokość sondowania).
Grunty różnią się opornością, jednak interpretacja
wyników wymaga dużego doświadczenia. Celowe jest
łączenie tej metody np. z metodą sejsmiczną.
Metoda sejsmiczna
Metoda sejsmiczna
polega na wzbudzeniu
drgań podłoża oraz na
określeniu czasu, w jakim
drgania te pojawiają się w
określonej odległości od
punktu wzbudzania
(rejestratory – geofony).
Wykorzystuje się zjawisko
różnej prędkości
rozchodzenia się fal w
różnych warstwach
gruntu, podobnie jak w
metodzie georadarowej.
Metoda georadarowa
Refleksyjna metoda pomiarów georadarowych polega na
odwzorowaniu granic litologicznych, zmian ich ciągłości i
lokalizacji niejednorodności. Profil georadarowy rejestrowany
jest w dziedzinie czasu. Jest to suma czasu propagacji fali z
nadajnika do miejsca odbicia i z powrotem do odbiornika.
Połowa tego czasu pomnożona przez prędkością fali EM w
danym ośrodku określa głębokość
położenia obiektu
odbijającego. Wielkość amplitudy odbicia jest proporcjonalna
do kontrastu prędkości fali w ośrodkach nad i pod granicą
odbijającą. Czas odbicia impulsu po przeskalowaniu w
głębokość
odwzorowuje przebieg granic odbijających,
natomiast zmiana amplitudy odbicia wzdłuż danej granicy
świadczy o zmianach własności w ośrodku nad i pod granicą
odbijającą.
Metody geofizyczne
Metody geofizyczne mająszereg zalet:
są szybkie i tanie w stosudku do prac bezpośrednich
(np. wiercenia),
nie wymagają wyrobisk, nie niszczą środowiska,
dają ciągły profil podłoża,
odnoszą się do ośrodka zalegającego w naturalnych
warunkach,
można nimi objąć większy obszar niż badaniami
bezpośrednimi.
Wadą jest to, że ocena jest generalna i nie uzyskuje się
szczegółowych parametrów gruntowych.
Badania podstawowe i uzupełniające
Badania podstawowe i uzupełniające obejmują
rozpoznanie weunów gruntowo-wodnych przede
wszystkim metodami bezpośrednimi. Należy też
wykorzystać wyniki studiów (etap rozpoznawczy).
Metody bezpośrednie polegają na wykonaniu otworów
próbnych (wiercenia sondowania, odkrywki) oraz
przeprowadzieniu badań – w terenie oraz w laboratorium
na pobranych próbkach.
Badania bezpośrednie są kosztowne dlatego ich ilość i
rodzaj powinny być uzasadnione. Rozmieszczenie i ilość
otworów badawczych i próbek powinny jednak
umożliwiać pełne rozpoznanie warunków gruntowo-
wodnych
Badania podstawowe i uzupełniające
Ilość i zakres baadań podstawowych zotały określone w
"Instrukcji" GDDP.
W instrukcji określono, w zależności od:
stopnia złożoności podłoża,
klasy drogi,
jakie powinny być:
rozstaw miejsc badania wzduż osi drogi,
rozstaw miejsc badania w kierunku poprzecznym do
osi drogi,
liczba miejsc badania w kierunku poprzecznym do osi
drogi.
Określono również zakres badań, które należy
przeprowadzić.
Badania własności gruntu
Badania geotechniczne powinny m. in. pozwolić na
ocenę właściwości gruntów, które są istotne dla:
określenia ich przydatności do wykonania korpusu
ziemnego,
prawidłowego zaprojektowania korpusu ziemnego,
oceny nośności podłoża ziemnego (wykop – podłoże
rodzime, nasyp – podłoże uformowane).
Podstawowe cechy fizyczne:
odporność na działanie wody (W
L,
W
p,
IP),
wodoprzepuszczalność,
porowatość,
zawartość części organicznych.
Badania własności gruntu
Podstawowe cechy mechaniczne:
wytrzymałość na ścinanie (Ф, c),
nośność podłoża/gruntu (CBR, E, E
SPR,
M).
Inne właściwości gruntu istotne w projektowaniu i
wykonawstwie robót ziemnych:
zagęszczalność (- uziarnienie),
wysadzinowość (- uzuarnienie, granice konsystencji,
kapilarność bierna),
odspajalność i spulchnienie (- granice konsystencji,
wilgotność naturalna, zagęszczenie w stanie
naturalnym).
Nośność podłoża gruntowego
Nośność – zdolność do przenoszenia (przejęcia)
obciążeń bez powstawania nadmiernych odkształceń.
Nośność podłoża gruntowego w budownictwie
transportowym określa się za pomocą następujących
wskaźników:
Nośność podłoża gruntowego jest ważnym parameterm
uwzględniającym w projekcie nawierzchni.
wskaźnik CBR (kalifornijski wskaźnik nośności),
moduł odkształcenia,
moduł sprężystości.
Badanie CBR
p – ciśnienie przy wciskaniu trzepienia
w badany materiał na głębokość 2,5
lub 5,0 mm,
pwz – ciśnienie przy wciskaniu
trzepienia na głęgokość 2,5 lub 5,0
mm (odpowiednio) w materiał
wzorcowy - tłuczeń.
p
wl
dla zagłębienia 2,5 mm
wynosi 7,0 Mpa,
p
wl
dla zagłębienia 5,0 mm
wynosi 10,0 MPa.
CBR=(p/p
wz
)x100%
Po obliczeniu wybiera się warstość
większą z dwóch wartośći.
F= 20 cm2
V= 1,25 mm/min
Badanie CBR
przygotowanie wymaganej liczby próbek (w
opt
),
badanie (penetracja trzpieniem) jednej próbki,
ustawnienie pozostałych próbek do badania
pęcznienia,
wciskanie trzpienia w kolejne próbki – po 2, 4 (i
ew.6) dobach.
Pełnie badanie CBR obejmuje przygotowanie i zbadanie
3 (grunty niespoiste) lub 4 próbek (grunty spoiste).
Procedura:
Wskaźnik CBR
ponad 15% - bardzo dobra,
8 – 15% - dobra,
5 – 8% - przeciętna,
3 – 5% - zła (niedostateczna).
Orientacyjna ocena nośności podłoża w zależności od
wartości CBR:
Wartości CBR dla gruntów zamykają się praktycznie w
przedziale od 1% do 30%.
Wskaźnik CBR
gliny – 2 – 6%,
gliny piaszczyste – 6 - 12%,
piaski gliniaste – 6 - 15%,
piaski - 10 – 30%,
pospółki – 20 - 50%.
Orientacyjna wartości wskaźnika CBR niektórych
gruntów:
Wartość
wskaźnika
nośności
podłoża
CBR
jest
wykorzystywany
w
niektórych
prostych
metodach
prektowania nawierzchni drogowych.
Nośność podłoża gruntowego – moduł
odkształcenia
Moduł odkształcenia
0,25 MPa dla podłoża gruntowego zwykłego,
0,35 MPa dla ulepszonego podłoża gruntowego.
Podłoże obciąża się stopniami co 0,05 MPa. Rejestruje się
osiadanie płyty co 2 min. Po ustabilizowaniu się odkształceń
na danym poziomie można zwiększyć obciążenie i
procedura jest powtarzana.
Zakres obciążenia:
Wykonuje się dwukrotne obciążenie i otrzymuje się
następujące zależności:
Moduł odkształcenia
Δp – przyrost obciążenia (ciśnienia) [MPa],
Δs – przyrost odkształcenia (osiadania płyty) [m],
D – średnica płyty (0,3m).
Moduł odkształcenia jest wyliczany z następującego wzoru:
E=3/4(Δp/Δs)D
gdzie:
Z pierwszego obciążenia wylicza się pierwotny moduł
odkształcenia (E
I
) a z drugiego wtórny moduł
odkształcenia
(E
II
)
Moduł odkształcenia
pospółka – 100 – 120 MPa,
piasek - 60 – 100 MPa,
piasek gliniasty/glina piaszczysta – 30 – 60 MPa,
glina – 10 – 30 MPa,
grunty organiczne, grunty spoiste – 1 – 10 MPa.
Orientacyjne wartości wtórnego modułu odkształcenia (E
II
)
osiągane dla gruntów:
W przypadku gruntów spoistych nośność (E
II
) zależy w
decydującym stopniu od wilgotności naturalnej i spoistości.
Moduł sprężystości
• Metodę obciążeń płytowych można również
wykorzystać do określenia modułu wprężystości
gruntów.
• W obliczeniu modułu sprężystości uwzględnia się tylko
część całkowitego odkształcenia podłoża –
odkształcenie sprężyste.
• Podłoże obciąża się stopniami co 0,05 MPa. Rejestruje
się osiadanie co 2 min. Po ustabilizowaniu się
odkształceń podłoże odciąża się i oczekuje na
ustabilizowanie odkształceń. Następnie procedura jest
powtarzana dla wyższego poziomu obciążenia.
Moduł sprężystości
Δp
–
przyrost obciążenia (ciśnienia) [MPa],
Δs
spr
– przyrost odkształcenia sprężystego dla Δp [m],
D – średnica płyty (0,3m),
μ – współczynnik Poissona gruntu (0,30 – 0,35)
Moduł odkształcenia jest wyliczany z następującego wzoru:
E= Π /4 (Δp/Δs
spr
) D (1- μ
2
)
gdzie:
Dla gruntów niespoistych i mało spoistych wartość
modułu sprężystości jest zbliżona do wartości wtórnego
modułu odkształcenia (E
II
).
Za
gęszczalność gruntów
• zagęszczalność jest to zdolność gruntu do osiągania
maksymalnych gęstości objętościowych szkieletu
gruntowego. Określa łatwość zagęszczania gruntu.
• Zagęszczalność jest związana ze wskaźnikiem
różnoziarnistości gruntu.
• U
A
> U
B
– grunt A jest lepiej zagęszczalny niż grunt B
U = d
60
/d
10
Zagęszczalność gruntów
• Różnoziarnistość jest ważną cechą przede wszystkim w
przypadku gruntów niespoistych. W gruntach pylastych i
spoistych uziarnieni jest zazwyczaj zróżnicowane,
• Grunt uważa się za różnoziarnisty jeżeli U>=5. Grunty o
wskaźniku U w przedziale 3-5 są nieźle zagęszczalne,
• Gdy U<3 są kłopoty z zagęszczaniem, a poniżej 2 jest ono
praktycznie iemożliwe (piaski równoziarniste).
