Zagęszczenie gruntu to kluczowy parametr geotechniczny, mający fundamentalne znaczenie dla stabilności i trwałości wszelkich konstrukcji budowlanych. W budownictwie lądowym, szczególnie w drogownictwie i przy projektowaniu fundamentów, precyzyjne określenie i kontrola zagęszczenia materiału gruntowego jest niezbędna do zapewnienia odpowiedniej nośności podłoża oraz minimalizacji niepożądanych osiadań. W kontekście gruntów budowlanych używa się także pojęcia zagęszczalności, rozumianej jako zdolność gruntu do uzyskiwania maksymalnej możliwej gęstości objętościowej szkieletu, w zależności od użytej energii zagęszczania, sposobu jej użycia, rodzaju gruntu i jego wilgotności.
Podstawowe pojęcia i znaczenie zagęszczenia gruntu
Wiadomo, że luźno usypany grunt na skutek ciężaru własnego i oddziaływań zewnętrznych, spowodowanych zarówno kolejnymi warstwami układanego gruntu, jak też ruchem budowlanym i ruchem drogowym, zacznie się w naturalny sposób zagęszczać. Zagęszczanie będzie powodowało osiadanie podłoża gruntowego, a w konsekwencji całej konstrukcji. Zgodnie z normą BN-77/8931-12, w celu oceny zagęszczenia gruntu w budowlach komunikacyjnych należy określić jego wskaźnik zagęszczenia Is. Zagęszczenie gruntu w sensie ścisłym może dotyczyć gruntów sypkich (żwirów, piasków itd.), wśród których rozróżnia się stany od luźnego do bardzo zagęszczonego.
Wpływ zagęszczenia na właściwości podłoża gruntowego
Podatność podłoża gruntowego ma istotny wpływ na projekt konstrukcji. We współczesnych analizach konstrukcyjnych podatność podłoża uwzględniana jest przez wprowadzenie liniowego i obrotowego współczynnika sprężystości podpór. W przypadku podpór posadowionych na gruncie (fundamentów) wymagana jest znajomość współczynnika sprężystości podłoża Ks (indeks s od soil - ang. grunt), czyli współczynnika sprężystości podłoża Winklera. Poprawne wyznaczenie tego współczynnika jest zadaniem trudnym ze względu na znaczną zmienność parametrów gruntów, a w szczególności ich zagęszczenia. Stopień zgęszczenia podłoża istotnie wpływa na zmianę podatności podłoża i w rezultacie na wytrzymałość i stateczność konstrukcji. Osiadanie jest niestacjonarnie (zależne od czasu), co oznacza, że nie występuje natychmiast po wprowadzeniu obciążenia, lecz jest zależne od konsolidacji gruntu. Mniej ściśliwe grunty (piasek, żwir) odkształcają się szybciej, natomiast nawodnione grunty gliniaste o niskiej przepuszczalności doświadczają osiadań przez dłuższy czas.
- Współczynnik podatności podłoża gruntowego: Określa szacunkową wartość współczynnika podatności podłoża gruntowego (w literaturze spotyka się też inne jego nazwy np. współczynnik sztywności, współczynnik sprężystości, współczynnik reakcji podłoża/gruntu) pod fundamentem (stopą, ławą lub płytą fundamentową) w oparciu o dane geotechniczne warstw podłoża oraz model podłoża sprężystego. Do obliczenia współczynnika potrzebne są następujące dane: typ fundamentu i wymiary jego podstawy, obciążenie pionowe, zadeklarowane podłoże pod fundamentem.
- Dopuszczalne obciążenia: Z. Wiłun w podręczniku "Zarys geotechniki" podaje orientacyjne wartości dopuszczalnego obciążenia skał i gruntów. Użytkownik wybiera rodzaj gruntu należący do jednej z grup: skały lite, grunty mineralne rodzime, organiczne rodzime lub nasypowe i - jeśli jest to wymagane - podaje wartość parametru wiodącego (stopień zagęszczenia lub stopień plastyczności).
- Współczynnik tarcia: Według normy PN-83/B-03010 (p.2.3.2) podaje wartości obliczeniowe współczynnika tarcia gruntu pod podstawą fundamentu. W programie zadaje się stan gruntu pod podstawą fundamentu (np. jak w przypadku układania świeżego betonu na powierzchni gruntu w stanie naturalnym) oraz rodzaj gruntu spoistego lub sypkiego. Określa się też stan powierzchni podstawy fundamentu (beton gładki lub chropowaty, cegła/kamień).
Metody laboratoryjne oceny zagęszczenia gruntu
Pobieranie próbek do badań laboratoryjnych polega na oznaczeniu cech na próbkach pobranych z warstwy gruntu bez naruszenia jej struktury (czyli próbek kategorii A - najwyższej wg PN-EN ISO 22475-1 oraz wg PN-B-04452). Próbki kategorii A to próbki pobierane bez naruszania struktury gruntu z zachowaną wilgotnością i porowatością, co realizuje się poprzez pobraniu próbki cylindrem o znanej objętości i przeniesieniu jej do laboratorium, gdzie oznacza się masę oraz wilgotność. Metoda laboratoryjna jest pracochłonna i wymaga pobrania jakościowo dobrych próbek materiału o nienaruszonej strukturze i wilgotności. W gruntach sypkich zwykle nie można uzyskać nienaruszonej próbki do badań laboratoryjnych.
Badanie wilgotności optymalnej i maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego
Badanie wilgotności optymalnej gruntu oraz maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego jest fundamentalne do określenia potencjału zagęszczenia gruntu. Te badania stanowią punkt odniesienia dla oceny wskaźnika zagęszczenia w terenie.
Zastosowanie objętościomierzy
Do oznaczenia wskaźnika zagęszczenia przy pomocy objętościomierza piaskowego potrzebny jest naturalny, przemyty i wysuszony, jednofrakcyjny piasek kalibrowany o uziarnieniu 1/2 lub 0,5/1, bez zawartości nadziarna. Dla takiego piasku należy wcześniej wyznaczyć gęstość nasypową. Procedura obejmuje wybranie gruntu lub kruszywa z otworu na środku podstawy objętościomierza (kształt wybranego dołka powinien być w miarę regularny i zwarty), należy pobrać około 1 dm sześcienny. Dla ułatwienia pomiarów warto mieć w pojemnikach (butelkach) przygotowaną stałą masę piasku kalibrowanego, od której odejmuje się masę piasku, wypełniającego odwrócony stożek, a następnie masę piasku, jaki wypełnia wykonany wcześniej dołek.
Stosuje się również objętościomierze wodne. Wartość wskaźnika zagęszczenia najczęściej waha się w granicach 0,90-1,00, niekiedy może dochodzić nawet do 1,05 i więcej. Może się okazać, że grunt jest bardziej zagęszczony niż można by się po nim spodziewać, lub niż można by go zagęścić celowo - przykładowo grunt pod nawierzchnię jezdną może być zagęszczany zagęszczarkami płytowymi do wartości maksymalnej ok. 0,98, a następnie przez lata w wyniku długotrwałych wibracji może osiągnąć 1,03. Badania wskaźnika zagęszczenia stosuje się tylko w odniesieniu do gruntów nasypowych.
Metody polowe (in situ) badania zagęszczenia gruntu
Metody polowe (in situ) są najczęściej stosowanymi w budownictwie metodami badania zagęszczenia gruntu. Do oceny podłoża gruntowego w trakcie budowy najbardziej użyteczne są badania polowe, które z kolei mogą być wykonane sondami dynamicznymi (SPT, DP (DPL,DPM,DPH,DPSH) i in.) lub statycznymi (CPT/CPTU, DMT,PMT, FVT, WST, PLT i in.).
Sondowanie dynamiczne
W praktyce drogowej stosowane jest także wyznaczanie zagęszczenia gruntu za pomocą sondy dynamicznej, zgodnie z normą PN-B-04 452:2002. Sondowania gruntu polegają na penetracji podłoża gruntowego przy użyciu różnych końcówek zagłębianych przez wbijanie, wciskanie lub wkręcanie, z jednoczesnym określaniem oporów występujących przy ich pogrążaniu.
Sondowanie statyczne CPT/CPTU
Sondowanie statyczne CPT/CPTU to podstawowy typ badań polowych gruntu na terenie Europy, który praktycznie zupełnie wyparł klasyczne odwierty geotechniczne. Badanie polega na wciskaniu w grunt stożka elektrycznego z systemem czujników rejestrujących parametry gruntu „in situ” (w stanie pierwotnym) w sposób ciągły. Sondowanie statyczne CPTU to jedna z najnowocześniejszych metod badania gruntu na świecie. Pozwala ona bardzo precyzyjnie określić parametry gruntów. Badania nie posiadają ograniczeń ze strony rodzaju badanego gruntu. Sondowania można wykonywać w gruntach sypkich, spoistych, organicznych oraz nasypowych, dzięki czemu jest uniwersalnym rodzajem badania gruntu. Sonda CPT oraz CPTU różni się od siebie rodzajem wykorzystywanego stożka pomiarowego. Sondowanie CPTU pozwala na pomiar ciśnienia porowego gruntu. Podczas sondowania statycznego CPT/CPTU rejestrowane są głębokość, prędkość penetracji oraz inklinacja (odchylenie sondy od pionu).
Wysoką skuteczność do badania zagęszczenia gruntu mają metody: FWD/LWD; CPT ze stożkiem elektrycznym, CPTU oraz RCPTU.
Klasyfikacja gruntów wg Robertsona
W niniejszym artykule stosuje się oznaczenia i klasyfikację gruntów zgodnie z normami [13], [18], [19] oraz klasyfikacji rodzajów gruntu Robertsona (2010). Klasyfikacja gruntów Robertsona (2010) jest często przedstawiana w formie nomogramów, gdzie na podstawie oporu stożka $q_c$ i tarcia na pobocznicy $f_s$ lub współczynnika tarcia $F_r$, grunty są przypisane do poszczególnych obszarów (typów gruntów).
Badanie płytą sztywną PLT (VSS)
Badanie płytą sztywną PLT (VSS) jest chętnie stosowane w drogownictwie za sprawą szczegółowych, praktycznych zaleceń zawartych w normie PN-S-02206. Najczęściej stosuje się płytę o średnicy 30cm. Moduł odkształcenia jest to iloczyn przyrostu obciążenia jednostkowego do przyrostu odkształcenia badanej warstwy w ustalonym zakresie obciążeń jednostkowych przez średnicę płyty obciążającej. Badania in situ za pomocą aparatu VSS polega na wyznaczeniu pierwotnego modułu odkształcenia $E_1$, wtórnego modułu odkształcenia $E_2$ - tzw. modułu odkształcenia sprężystego oraz wskaźnika odkształcenia $I_0$ (tzn. $I_0=E_2/E_1$).
Pomiar modułów prowadzony jest w dwóch cyklach obciążenia (i=1 i 2), pomiędzy którymi przeprowadza się proces odciążenia podłoża. Obciążenie odbywa się stopniami co 0,05 MPa do wymaganej wartości końcowej natomiast odciążenie realizuje się stopniami co 0,1 MPa. Moduły odkształcenia określa się z zależności podanych w normie [13] - dodatek K.2, uwzględniając współczynnik Poissona badanego podłoża.
Bezpośrednie oznaczanie osiadania fundamentu z badań PLT
Wyniki badania PLT mogą być wprost wykorzystane do prognozowania osiadania fundamentów bezpośrednich bez wyprowadzania parametrów gruntów, jednak efekt skali (różnicy wielkości płyty i fundamentu) może istotnie zaburzyć wyniki. W normie [13] wskazano, że bezpośredni pomiar osiadania płytą PLT można stosować w przypadku, gdy jednorodna warstwa gruntu występuje do głębokości równej dwukrotnej szerokości planowanych fundamentów bezpośrednich (do głębokości wpływu 2B). Osiadanie $s_1$ oznaczone w badaniu PLT można bezpośrednio przeliczyć na osiadania fundamentu $s$ poprzez skalę szerokości $b/b_1$.
Płyta dynamiczna
Płyta dynamiczna jest bardzo chętnie stosowanym urządzeniem w drogownictwie, ale najbardziej kontrowersyjnym. Kontrowersje dotyczą badań korelacyjnych, które są nakazane w instrukcjach obsługi, a które powszechnie nie są wykonywane przez prowadzących badania. Najważniejszą zaś zaletą jest szybkość prowadzonych badań i ich prostota. Ostatnio coraz częściej stosuje się także płytę dynamiczną, której podstawową wadą jest jednak brak podstaw prawnych do jej zastosowania.
Parametry geotechniczne a zagęszczenie gruntu
W artykule zaprezentowano metodologię wyznaczania liniowego modułu podłoża gruntowego $K_s$ oraz modułu podłoża na obrót $K_s^\varphi$ w funkcji jego modułów: sprężystości Younga E lub edometrycznego M, które są wyznaczane w badaniach gruntów in situ (metodami CPT, PLT i in.) z uwzględnieniem zagęszczenia gruntu.
Moduł Younga (moduł sprężystości)
Definicję modułu Younga (modułu sprężystości) opisuje formuła, która jest współczynnikiem proporcjonalności w klasycznym prawie Hooka. Moduł Younga jest wyznaczany w warunkach jednoosiowego stanu naprężenia. Pobieranie próbek do badania modułu Younga gruntu jest trudne, dlatego najczęściej stosuje się oznaczanie in situ, w tym sondowanie CPT, SPT, pomiary dylatometrem DMT lub sondą obrotową VST i innymi. Moduł Younga $E$ może być oszacowany z badań CPT jako efektywny moduł $E’$. Dokładniejsze wartości $\alpha_E$ dla młodych, niescementowanych piasków (głównie krzemianowych) można oszacować z nomogramu. W tablicach, jak Tab. 2 i Tab. 3, zestawiono szacunkowe parametry gruntów sypkich i spoistych w różnym stanie.
Moduł edometryczny
Definicję modułu edometrycznego podobnie jak modułu Younga też opisuje formuła, ale moduł ściśliwości edometrycznej jest mierzony w warunkach jednoosiowego stanu odkształcenia poprzez ograniczenie odkształceń bocznych przez cylinder edometru (urządzenia, w którym jest mierzony, stąd nazwa moduł „edometryczny”). Znając E i M oraz współczynnik Poissona $\nu$ (stosunek odkształcenia poprzecznego do odkształcenia podłużnego w próbie jednoosiowego ściskania), można wyznaczyć zależności między tymi parametrami. Szacunkowe wartości współczynnika Poissona $\nu$ dla dużej klasy gruntów podano w Tab.2, Tab.3 oraz w innych tabelach.
Moduły $E_0$ i $M_0$ są modułami odpowiednimi dla obciążeń pierwotnych. Przy powtórnym obciążeniu gruntu odpowiednie moduły E i M należy wyznaczyć w zależności od wskaźnika skonsolidowania $\beta$ wg tablic.
Wskaźnik konsystencji $I_c$ i stopień zagęszczenia $I_D$
Wskaźnik zagęszczenia $I_s$ jest parametrem zagęszczenia gruntu uformowanego (nasypanego i ew. zagęszczonego) przez człowieka. Wskaźnik zagęszczenia $I_s$ można oznaczać zarówno dla gruntów sypkich, jak i spoistych. Istnieje silna korelacja pomiędzy stopniem zagęszczenia $I_D$ (dla gruntów sypkich) i wskaźnikiem zagęszczenia $I_S$. Miara konsystencji gruntów spoistych jest wskaźnik konsystencji $I_c$ (zgodnie z tablicami normatywnymi, gdzie $I_c=1-I_L$). Stopień plastyczności $I_L$ gruntu spoistego określa jego konsystencję.
Korelacje między parametrami a zagęszczeniem
Zależności korelacyjne $I_D \to I_s$ wg różnych autorów podano w tablicach, jak np. Tab. 6. Istnieją również korelacje wskaźnika zagęszczenia $I_s$ z wtórnym modułem odkształcenia $E_2$ z badań PLT, a poprzez korelację również ze stopniem zagęszczenia $I_D$. W Austrii stosuje się korelacje modułu dynamicznego $E_{vd}$ z badań lekką płytą dynamiczną DPL do modułu pierwotnego $E_1$ z badania PLT, przyjmując że minimalna wymagana wartość, która odpowiada pierwotnemu modułowi obciążenia statycznego Ev1, może być sprawdzona płytą dynamiczną.
Wymagania normowe i kryteria zagęszczenia
Wymagania odnośnie nośności i stopnia zagęszczenia gruntów i kruszyw dotyczą poziomu PG - powierzchni podłoża gruntowego (rodzimego) oraz PP - powierzchni podbudowy. Częstość kontroli zagęszczenia w wykopach zgodnie z normą PN-S-02205 nie powinna być mniejsza niż 3 testy na 500 m³ objętości zasypu, lecz nie rzadziej niż 1 test co 30m długości ściany konstrukcji oraz 50 m długości wykopów dla przewodów.
Wymogi zagęszczenia dla parkingów i dróg
Katalog [23] podaje wymagania dotyczące parkingów, placów i dróg manewrowych, które nieodłącznie występują wokół obiektu kubaturowego. Fundamenty konstrukcji odpowiedzialnych i silnie obciążonych należy projektować co najmniej na kategorię KR4. Parkingi dla samochodów osobowych ze sporadycznym parkowaniem samochodów ciężarowych należy projektować na kategorię KR2.
Poziomem niwelety robót ziemnych jest: poziom górnej powierzchni gruntu nasypowego w nasypie, lub poziom górnej powierzchni gruntu rodzimego w wykopie, lub poziom górnej powierzchni warstwy ulepszonego podłoża, o ile taka warstwa występuje. Wymagania zagęszczenia dla dróg w wykopie oraz dla dróg w nasypie są określone w odpowiednich normach i przedstawione w rysunkach i tabelach.
Warstwa górna (spąg) warstwy nośnej gruntu rodzimego jest jednocześnie spodem konstrukcji. Spodem konstrukcji nawierzchni jest spód jej najniższej warstwy, spoczywającej na podłożu gruntowym nawierzchni lub na warstwie ulepszonego podłoża. Hajduk (2013) podał minimalny moduł odkształcenia wtórnego $E_2$, który powinien być osiągnięty na obu tych poziomach w zależności od maksymalnych, oczekiwanych obciążeń punktowych $V$ podłogi, przy czym zagęszczenie gruntu lub kruszywa $I_0=E_2/E_1 \le 2,5$. Zadaniem podbudowy jest nie tylko doprowadzenie do równomiernego przekazywania obciążenia posadzki na grunt i ciągłe podparcie płyty betonowej, ale przede wszystkim regulowanie stosunków wodnych (odprowadzanie wody spod nawierzchni), zapobieganie jej wysadzin i przełomów. Na podbudowę nie powinno stosować się wyłącznie betonu lub gruntu stabilizowanego cementem.
Zastępcze kryteria oceny wymaganego zagęszczenia
Jako zastępcze kryterium oceny wymaganego zagęszczenia gruntów, dla których trudne jest pomierzenie wskaźnika odkształcenia $I_s$, przyjmuje się wartość wskaźnika odkształcenia $I_0$ równego stosunkowi modułów odkształcenia wtórnego $E_2$ do pierwotnego $E_1$.
Zastosowanie formuł i nomogramów do oceny zagęszczenia
Formułę Borowczyka zaleca polska norma [29] dla piasków o dowolnej ziarnistości (drobnych, grubych i średnich). Jednak jak wynika z badań Bagnińskiej (2015), dla stopni zagęszczenia $I_D<0,8$, czyli w zakresie interesującym w budownictwie ($I_s<0,82$), znacznie lepsze dopasowanie do natury ma formuła Lancellota.
Formuły regresji
Użyteczne formuły regresji podali Melnikov i Boldyrev (2015). Formuły regresji dotyczą gruntów z obszarów I do V.
Nomogramy Wysokińskiego
Na nomogramie do wyznaczania zagęszczenia gruntów polskich na podstawie badań Wysokińskiego z zespołem (2008) przedstawiono zależności między oporem stożka $q_c$ a rodzajem gruntów (żwir do ił). Na jego podstawie można oszacować dla gruntów sypkich wskaźnik zagęszczenia $I_D$, a dla gruntów spoistych stopień konsystencji $I_c=1-I_L$.
Wprowadzenie do CPT: badania penetracyjnego metodą stożkową
tags: #zageszczarka #obliczanie #zageszczenia