ANALIZA WYNIKÓW WYTRZYMAŁOŚCI NA ŚCINANIE GRUNTÓW

CUPRUM – Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud
nr 1 (70) 2014, s. 37-48
37
________________________________________________________________________
ANALIZA WYNIKÓW WYTRZYMAŁOŚCI NA ŚCINANIE
GRUNTÓW SPOISTYCH Z REJONU OSTROWA
WIELKOPOLSKIEGO NA PODSTAWIE RÓŻNYCH
METOD BADAWCZYCH
Krzysztof Chudy1), Katarzyna Pawlak 2)
1)
KGHM CUPRUM sp. z o.o. – CBR, ul. gen. Wł. Sikorskiego 2-8, 53-659 Wrocław,
e-mail: [email protected]
2)
Absolwentka Geologii, Uniwersytet Wrocławski, Masłowo, ul. Śląska 61a,
63-900 Rawicz, e-mail: [email protected]
Streszczenie
W pracy przedstawiono wyniki laboratoryjnych badań wytrzymałości gruntów spoistych na
ścinanie z rejonu Ostrowa Wielkopolskiego, zaburzonych glacitektonicznie. Głównym
celem pracy była praktyczna analiza związków parametrów wytrzymałościowych gruntów
spoistych od właściwości fizycznych i programu badań oraz ocena zmienności wytrzymałości na ścinanie w obrębie danej populacji. Badania wykonano dla gruntów w stanie nienaruszonym bezpośrednio w terenie oraz o naruszonej strukturze metodami laboratoryjnymi, bez drenażu. Z punktu widzenia mechaniki gruntów, jako wskaźniki klasyfikacyjne
zaproponowano: kształt formy, wielkości naprężeń normalnych oraz wartości wilgotności
granicy płynności i stopnia plastyczności. Szczegółową analizę parametrów wytrzymałościowych zinterpretowano w odniesieniu do obowiązującej normy PN-81/B-03020.
Słowa kluczowe: wytrzymałość na ścinanie, zaburzenia glacitektoniczne, grunty spoiste,
stopień plastyczności, kąt tarcia wewnętrznego, kohezja
PRELIMINARY STUDIES SHEAR STRENGTH OF COHESIVE
SOILS IN THE OSTRÓW WIELKOPOLSKI REGION ON THE
BASIS OF VARIOUS RESEARCH METHODS
Abstract
The paper describes the results of laboratory investigations performed to explore shear
strength of glaciotectonically disturbed cohesive soils obtained from the Ostrów Wielkopolski region. The main purpose of this study was to conduct a practice analysis of shear
strength parameters of cohesive soils and a research program. This report is also an
attempt to assess the variability of shear strength within one particular
population. The research of undisturbed soil was conducted directly in the field, whereas
the samples of disturbed soil were investigated in controlled laboratory without drainage
enforcement. In terms of mechanical properties there were chosen following indicators
for the classification: shape, total stress, magnitude of humidity for fluidity limit and
degree of plasticity. The detailed analysis of the parameters was interpreted in regard to
the current standards PN-81/B-03020.
Key words: shear strength, glacitectonically disturbed, cohesive soils, plasticity
degree, angle of internal friction, cohesion
38
K. Chudy, K. Pawlak, Analiza wyników wytrzymałości na ścinanie…
________________________________________________________________________
Wstęp
Ze względu na trójfazową budowę gruntu spoistego, jego właściwości ulegają
ciągłym zmianom np. na skutek zmian wilgotności czy też porowatości, czy na
skutek konsolidacji [3]. W związku z tym wytrzymałość na ścinanie nie jest wartością stałą, a ściśle powiązaną z genezą gruntu, grupą konsolidacji, jego stanem, wilgotnością, uziarnieniem i porowatością.
W programie badań skupiono się na poznaniu wytrzymałości maksymalnej
charakterystycznej dla stanów: zwartego i półzwartego, często omijanych w normach krajowych dla aparatu skrzynkowego.
W celu zapewnienia optymalnie zbliżonych warunków: wilgotności, uziarnienia, gęstości, porowatości itp., zdecydowano się świadomie zrezygnować z gruntu o naturalnej strukturze [8] i wyrabiać pastę gruntową do każdego badania.
Program badań pozwalał na określenie wpływu poszczególnych czynników na
wytrzymałość gruntu spoistego na ścinanie.
Kolejne problemy badawcze rozwiązywano uwzględniając wcześniej ustalone
wnioski i obserwacje, odpowiednio je systematyzując, by ograniczyć zakres badań laboratoryjnych do najważniejszych i niezbędnych oraz móc podjąć próbę
analizy uzyskanych wyników [8]. Program badań laboratoryjnych obejmował
m.in.: analizę makroskopową gruntów, analizę granulometryczną, oznaczenie
właściwości fizycznych i parametrów wytrzymałościowych badanych gruntów
spoistych: mineralnych oraz organicznych, z naciskiem na wytrzymałość na ścinanie τf.
1. Metodyka badań
Głównym celem pracy była praktyczna analiza związków parametrów wytrzymałościowych gruntów spoistych (rejon Ostrowa Wielkopolskiego) od właściwości fizycznych i programu badań oraz ocena zmienności wytrzymałości na ścinanie w obrębie danej populacji.
Oznaczono podstawowe wskaźniki identyfikacyjne: wilgotność naturalną wn
metodą suszenia w temp. 105-110° oraz gęstość objętościową ρ przy pomocy
pierścienia tnącego oraz ich pochodne: gęstość objętościową szkieletu mineralnego ρd, porowatość n, wskaźnik porowatości e. Analizę granulometryczną wykonano metodą kombinowaną: sedymentacyjną w pierwszym etapie (analiza
pipetowa) oraz mechaniczną z pozostałości naważki (analiza sitowa). Wyznaczono granice Atteberga: granicę plastyczności wp (metoda wałeczkowania) oraz
granicę płynności wL (metoda penetrometru stożkowego), które pozwoliły określić
podstawowe wskaźniki klasyfikacyjne gruntów spoistych: wskaźnik plastyczności
Ip oraz stopień plastyczności IL i w rezultacie ocenić stan gruntów spoistych.
Oznaczenie zawartości części organicznych Iom wykonano metodą Tiurina (utlenianie za pomocą dwuchromianu potasu K2Cr207).
Badania wytrzymałości na ścinanie przeprowadzono w aparacie bezpośredniego ścinania firmy MATEST S277-01, w skrzynkach kwadratowych i okrągłych,
zalecanych przez PN-EN ISO [10, 11]: o wymiarach 60 × 60 mm i Ф 60 mm,
z ramkami pośrednimi tworzącymi strefę ścinania o wysokości h = 25 mm i dwoma płytkami perforowanymi uszczelnionymi bibułą filtracyjną. Do badań wykorzystano materiał gruntowy pobrany do cylindrów o wymiarach Ф 70 mm × 97 mm
podczas prac polowych. Reprezentatywne próbki pobrano w obrębie poligonów
K. Chudy, K. Pawlak, Analiza wyników wytrzymałości na ścinanie…
39
________________________________________________________________________
badawczych w Ostrowie Wlkp. z czterech głębokości dla ul. Spichrzowej – grunty
spoiste mineralne i dwóch dla ul. Kaliskiej – grunty spoiste organiczne.
Ścinania przeprowadzono na paście gruntowej NS, o modyfikowanej wilgotności
i konsolidowanej 24h w celu rozproszenia nadciśnienia wody porowej pod przybliżonym naciskiem pionowym Q [kPa]:
− 197,6 kPa w aparacie skrzynkowym o wymiarach 60 × 60 × 25 mm. Przy
ścinaniu stosowano obciążenie normalne σn o wielkości 54,48; 108,96;
163,44; 190,68; i 217,93 kPa.
− 200,1 kPa w aparacie skrzynkowym o wymiarach Ф 60 mm × h= 25 mm.
Próbki przy ścinaniu poddawano obciążeniu normalnemu σn o wielkości
52,54; 113,83; 166,36; 192,63; i 218,90 kPa.
W teorii na skutek ścinania próbek gruntu o różnych kształtach, powinniśmy uzyskiwać całkowicie przeciwstawne wyniki. Różnice w wynikach uzasadnia się
odmiennymi rozkładami naprężeń stycznych i normalnych w wymuszonej powierzchni ścinania (rys. 1). Bardziej korzystne warunki zapewnia forma okrągła,
gdzie rozkład w każdym punkcie pola jest równomierny. Prosta przechodząca
przez punkty z odchyłką nie większą niż 10% od τf mogła być przyjęta za prostą
Coulomba, opisaną równaniem:
τ f =σ ⋅x+c
(1)
gdzie:
σ - naprężenie normalne, „x” stanowi współczynnik kierunkowy prostej τf,
a „c” jej przesunięcie na osi τf.
Forma: A) kwadratowa i B) okrągła: Q - obciążenie normalne [kg], σz - naprężenie normalne [kPa],
τf- naprężenie ścinające [kPa], β - kąt padania siły normalnej [°], z - wysokość [cm], a - długość [cm],
r - promień [cm]
Rys. 1. Układ działających sił w poszczególnych formach: A - okrągłej, B - kwadratowej
(zmodyfikowano na podst. Siuta [13])
40
K. Chudy, K. Pawlak, Analiza wyników wytrzymałości na ścinanie…
________________________________________________________________________
Sam kąt tarcia wewnętrznego Ф obliczano za pomocą funkcji cyklometrycznej:
Ф = arc tg (x)
(2)
W przeciwnym przypadku należało zastosować metodę najmniejszych kwadratów. Powolne ścinanie próbek skonsolidowanych dawało wartości zbliżone do
Φ i c [14, 9]. Dla każdej badanej próbki określono wilgotność w przed i po badaniu.
2. Właściwości fizyczne
Cały rejon Ostrowa Wlkp. zdominowany jest przez procesy i osady związane
ze zlodowaceniem środkowopolskim, stadiału mazowiecko-podlaskiego (Warty),
które leżą bezpośrednio na starszych osadach plejstoceńskich (gliny zwałowe),
a także bezpośrednio na podłożu neogeńskim [4].
Gliny zwałowe stanowią 60-70% opisywanego terenu i tworzą kompleksy
o kilkunastometrowych miąższościach i wychodniach w obrębie całego miasta.
Tylko lokalne obniżenia zostały wypełnione osadami inetrglacjału emskiego: piaskami, mułkami, iłami, torfami, gytiami jeziornymi [1].
Według obowiązującego podziału gruntów budowlanych [12], badane grunty
klasyfikujemy w większości jako gliny zwięzłe. W składzie granulometrycznym
(rys. 2) dominowała frakcja pyłowa, której średnia zawartość wynosiła 41,81%.
Średnia zawartość frakcji piaskowej wynosiła ponad 33%, a iłowej 24,66%
(tab. 1).
Rys. 2. Wykres uziarnienia gruntów
K. Chudy, K. Pawlak, Analiza wyników wytrzymałości na ścinanie…
41
________________________________________________________________________
Tabela 1. Procentowa zawartość poszczególnych frakcji [%]
Procentowa zawartość frakcji [%]
Nazwa gruntu wg
L.p.
1
fp
fπ
fi
PN-86/B-02480
42,40
36,20
21,40
Glina zwięzła
2
42,40
36,10
21,50
Glina zwięzła
3
23,50
45,90
30,60
Ił
4
21,80
47,90
30,30
Ił
5
24,10
50,30
25,60
Glina pylasta zwięzła
6
27,70
46,70
25,60
Glina zwięzła
7
25,70
48,20
26,10
Glina zwięzła
8
24,60
48,80
26,60
Glina zwięzła
9
53,40
29,00
17,60
Glina piaszczysta (Torf)
10
49,70
29,00
21,30
Glina zwięzła (Torf)
3
Gęstość objętościowa wynosiła średnio 2,1 g/cm , a gęstość właściwa szkie3
letu gruntowego 1,8 g/cm przy średniej wilgotności naturalnej 16%. Granica
plastyczności wahała się w przedziale od 14 do 18%. Jej zmienność przedstawiono w tab. 2. Największą wartość odnotowano dla iłów z głębokości 1,3 m
p.p.t. Wartość granicy płynności zmienia się w przedziale od 30 do 41% (najwyższa dla iłów, a najniższa dla glin zwięzłych z głębokości 0,8 m p.p.t.). Wartości
stopnia plastyczności w większości są niższe lub równe 0 i odpowiadają konsystencji zwartej (spąg i strop profilu litologicznego).
W przypadku gruntów organicznych dominującą frakcją była frakcja piaszczysta (rys. 2), średnio 51,55% (glina piaszczysta). Grunty charakteryzują się typowa, niską: gęstością objętościową, gęstością objętościową szkieletu mineralnego, porowatością oraz odpowiednio wysoką wilgotnością granicy plastyczności
i płynności (tab. 2). Średnia zawartość substancji organicznej została określona
w przedziale od 37,60 – 40,69%. Porównując zawartość pozostałości roślinnych,
barwę torfu, wyciskanej wody oraz jej odsączonej ilości w stosunku do całkowitej
masy zaklasyfikowano go jako torf amorficzny z dużą ilością humusu [7].
42
K. Chudy, K. Pawlak, Analiza wyników wytrzymałości na ścinanie…
________________________________________________________________________
Tabela 2. Własności fizyczne gruntów spoistych
Parametr
Nazwa gruntu wg PN/86B-02480
Własności fizyczne
gruntów
wilgotność naturalna
wn [%]
gęstość objętościowa
ρ [g/cm3]
gęstość objętościowa
szkieletu mineralnego ρd
[g/cm3]
porowatość n [-]
wskaźnik porowatości
e [-]
wilgotność granicy
plastyczności wp [%]
wilgotność granicy
płynności wL [%]
wskaźnik plastyczności
Ip [%]
stopień plastyczności
IL [-]
Iom [%]
C [%]
Glina piaszczysta/
Glina
zwięzła
(Torf)
Glina
zwięzła
Ił
Glina pylasta
zwięzła/glina
zwięzła
Glina
zwięzła
13
18
17
16
129
2,12
2,07
2,08
2,06
1,12
1,88
1,75
1,78
1,78
0,49
0,3
0,36
0,34
0,34
0,71
0,43
0,56
0,52
0,52
1,82
14
18
17
17
122
30
41
36
38
300
16
23
19
21
178
-0,06
0
0
-0,05
300
brak zawartości substancji organicznej
37,6 - 40,69
brak węgla organicznego
21,81 - 23,6
3. Parametry wytrzymałościowe
Procedura badawcza naśladuje monotoniczne obciążanie gruntu do momentu
ścięcia jego struktury i osiągnięciu τmax, a dalszym etapie uzyskaniu τ10%, czyli do
chwili osiągnięcia pewnej stałej wartości resztkowej przy kilkakrotnym ścinaniu
[14].
Ze względu na duży rozrzut wytrzymałości na ścinanie [8], metodą najmniejszych kwadratów ekstrapolowano proste średnich wytrzymałości na ścinanie dla
wybranych zakresów naprężeń normalnych, dobranych w programie badań. Eks2
trapolacja pozwoliła na wyznaczenie współczynnika dopasowania R oraz równań prostych dla gruntów, przypisanym konkretnym przedziałom głębokościowym i przynależącym do danej grupy litologicznej.
Grunty pochodzenia organicznego charakteryzuje niska początkowa wytrzymałość na ścinanie oraz duża odkształcalność. Analizy reakcji pomiędzy naprężeniami a odkształceniami wskazują także na ogromną rolę konsolidacji podczas
obciążania gruntu [6]. W wyniku obciążania uruchamiany zostaje proces wymuszonej pionowej filtracji, co powoduje zmniejszenie porowatości [5] i osiągnięcie
odpowiednio niskiego wskaźnika porowatości, typowego w tym wypadku dla
gruntów organicznych po zakończeniu konsolidacji.
Średnie wartości parametrów wytrzymałościowych dla torfów z głębokości
0,7 - 1,3 m p. p.t. ścinanych w skrzynce kwadratowej wynoszą Ф=24,84°
c=48,86 kPa, z kolei dla skrzynki okrągłej Ф=17,96° c=33,41 kPa (rys. 3).
K. Chudy, K. Pawlak, Analiza wyników wytrzymałości na ścinanie…
43
________________________________________________________________________
Rys. 3. Zależność maksymalnych naprężeń ścinających od naprężeń normalnych
dla gruntów spoistych mineralnych: A – skrzynka kwadratowa, B – skrzynka okrągła
i organicznych: C – torf
44
K. Chudy, K. Pawlak, Analiza wyników wytrzymałości na ścinanie…
________________________________________________________________________
Porównując poszczególne przedziały głębokościowe dla gruntów mineralnych
(tab. 3) wynika, iż średnie wartości parametrów wytrzymałościowych dla glin
zwięzłych z głębokości 0,8-1,0 m p. p.t., ścinanych w skrzynce kwadratowej wynoszą Ф=16,69° c=9,97 kPa, dla skrzynki okrągłej Ф=23,29° c=32,03 kPa. Dla
iłów z głębokości 1,0-1,3 m p.p.t. ścinanych w skrzynce kwadratowej uzyskano
Ф=8,11° c=24,26 kPa, a dla skrzynki okrągłej Ф=23,02° c=21,92 kPa. Parametry
wytrzymałościowe glin pylastych zwięzłych/glin zwięzłych z przedziału głębokościowego 1,3-1,5 m p.p.t. ścinanych w skrzynce kwadratowej wynoszą Ф=12,69°
c=21,67 kPa, z kolei dla skrzynki okrągłej Ф=24,64° c=37,42 kPa. Dla glin zwięzłych z głębokości 1,5-1,8 m p.p.t. ścinanych w skrzynce kwadratowej otrzymano
wartości Ф=12,65° c=3,89 kPa, z kolei dla skrzynki okrągłej Ф=29,38°
c=28,60 kPa. Najbardziej zbliżone, przesunięte symetrycznie proste rozkładu
występują dla warstw środkowych (iłów i glin pylastych zwięzłych), których średnie wilgotności są takie same 18%.
Tabela 3. Różnicowy rozkład parametrów wytrzymałościowych –
kątów tarcia wewnętrznego Ф i kohezji c
Różnica [%]
< 20
20 – 40
40 – 60
> 60
c [kPa]
Litologia
PN-86/
B-02480
Gz
Głębokość
[m p.p.t.]
kwadratowa
okrągła
0,8 – 1,0
16,69
I
Gπz/Gz
1,0 – 1,3
1,3 -1,5
8,11
12,69
Gz
1,5 – 1,8
12,65
φ [°]
kwadratowa
okrągła
23,29
9,97
32,03
23,02
24,64
24,26
21,67
21,92
37,42
29,38
3,89
28,60
Bardzo dobrze widoczne są zależności, pomiędzy poszczególnymi obciążeniami (rys. 3). W przypadku form kwadratowych, największy rozrzut wyników
wytrzymałości na ścinanie występuje przy większych obciążeniach normalnych,
rzędu ponad 200 kPa, a najbardziej równomierny jest przy najniższym obciążeniu ok. 50 kPa. Ścinanie w formach okrągłych pokazało sytuację odmienną. Największą zgodność uzyskano przeciwnie, przy dużych obciążeniach, a różnorodność przy małych. We wszystkich przypadkach parametry wytrzymałościowe
otrzymane przy użyciu formy okrągłej są o blisko 50% wyższe [8] od wyników
uzyskanych metodą tradycyjną. Pewien wyjątek stanowi jedynie spójność iłu,
która różni się zaledwie o 2,7 kPa.
W formie tabelarycznej przedstawiono uśrednione rozkłady różnicowe parametrów wytrzymałościowych w zależności od stosowanej metody badawczej
i wydzielonych 4 klas zmienności (tab. 3). Największa zmienność widoczna jest
dla glin zwięzłych, zarówno dla wielkości kąta wewnętrznego i wymiaru kohezji.
Zmienność tą można tłumaczyć licznymi przewarstwienia ilastymi, zaburzającymi
proporcje uziarnienia pasty. Najmniejszą zmienność kohezji w obrębie całej populacji wykazują iły, różnica wynosi wtedy zaledwie 11%. W przypadku kąta tarcia wewnętrznego najbardziej zbliżone wyniki wykazują gliny zwięzłe z większą
zawartością frakcji piaskowej, różnice wynoszą wówczas 28%.
Aby precyzyjnie ocenić parametry mechaniczne gruntów, nie wystarczy podać
tylko ich uśrednione wyniki, należy także przeanalizować ich przedziały wielkościowe [8]. Uzyskane przedziały wynikowe przedstawia tabela (tab. 4). Widoczna
jest duża różnica pomiędzy gruntami zwięzło i bardzo spoistymi. W przypadku
gruntów zwięzło spoistych ścięcie występowało często od razu, bez wzbudzania
K. Chudy, K. Pawlak, Analiza wyników wytrzymałości na ścinanie…
45
________________________________________________________________________
większych naprężeń ścinających (tab. 4, rys. 4). Ich zakres jest także znacznie
szerszy, co można tłumaczyć większą predyspozycją do tracenia wilgotności,
która niewątpliwie wpływa na parametry wytrzymałościowe (rys. 5, rys. 6). Efekt
„kruchego” ścięcia próbki, po którym następował poślizg wzdłuż wymuszonej
powierzchni zniszczenia, zachodził najczęściej dla glin zwięzłych z większą zawartością frakcji piaszczystej. Nasilał go także stan, w jakim grunt znajdował się
podczas ścięcia, w większości zwarty i półzwarty. Wyraźny efekt, w postaci
„ostrego piku”, był w szczególności widoczny przy wyższych stanach naprężeń
normalnych i częstszy o wiele bardziej dla form kwadratowych. Przy niskich wartościach naprężeń normalnych rzędu około 50 kPa, niszczenie miało często charakter plastyczny, przy przesunięciu skrzynki bliskim 6 mm εi=10% przesuwu.
Zauważa się wyraźną zależność pomiędzy wielkością naprężeń ścinających
i przyłożonym obciążeniem normalnym. Dla naprężeń normalnych 160 kPa, wartości τmax zawierają się w przedziale 100 – 200 kPa dla całej badanej populacji.
W zakresie o wiele niższych naprężeń normalnych, przedział wielkościowy nie
jest już tak szeroki, dla porównania τf 8 – 39 kPa przy σn 50 kPa.
Tabela 4. Zestawienie przedziałów wytrzymałościowych τf [kPa]
Lokalizacja
Litologia
Spichrzowa
Glina zwięzła
Ił
Glina pylasta zwięzła
Aparat
Aparat
Aparat
Aparat
Aparat
Aparat
Wartości
skrzynkowy skrzynkowy skrzynkowy skrzynkowy skrzynkowy skrzynkowy
k
ok.
k
ok.
k
ok.
minimalne
8,33
27,86
23,88
33,57
11,11
24,64
mediana
36,11
110,00
41,67
79,92
49,86
111,97
91,94
196,07
71,11
130,71
110,28
130,72
maksymalne
Rys. 4. Zmienność wytrzymałości na ścinanie w zależności od kształtu formy:
kwadratowej i okrągłej (Gz – glina zwięzła, I - ił, Gπz – glina pylasta zwięzła)
Wyznaczone korelacje (rys. 5) potwierdzają duży wpływ poszczególnych właściwości fizycznych: wilgotności, wilgotności granicy płynności i kształtu formy (rys. 6)
46
K. Chudy, K. Pawlak, Analiza wyników wytrzymałości na ścinanie…
________________________________________________________________________
na parametry wytrzymałościowe badanych gruntów [8]. Z zamieszczonych rysunków wynika, że dla skrzynki kwadratowej wraz ze wzrostem wilgotności kąt tarcia
wewnętrznego maleje, a spójność rośnie, zwiększając tym samym wytrzymałość
gruntów na ścinanie.
W przypadku form okrągłych sytuacja jest odwrotna: kąt tarcia wewnętrznego
jest prawie stały (ustabilizowane ciśnienie wody w porach), a spójność spada.
Sytuacja ta wymaga dalszych badań prowadzonych na większej populacji prób.
Przypuszczalnie została przekroczona wytrzymałość na ścinanie gruntu w niektórych wypadkach, gdzie całkowite obciążenie normalne przenosił już tylko szkielet
mineralny (górne wartości) przy oddawaniu wody związanej. Przyspieszyło to
konsolidację i zwiększyło tarcie suwne cząstek budujących grunt.
Rys. 5. Porównanie wyników badań dla formy kwadratowej i okrągłej: sił ścinających (A),
wytrzymałości na ścinanie (B) od wilgotności oraz kątów tarcia wewnętrznego (C) i kohezji
(D) od wilgotności granicy płynności
Wszystkie parametry wytrzymałościowe wyznaczone w skrzynce okrągłej są
znacznie wyższe od parametrów uzyskanych w formie kwadratowej [8]. Kształt
formy ma szczególny wpływ na wytrzymałość na ścinanie, siłę ścinającą i spójność. Na kąt tarcia wewnętrznego wpływa wówczas, gdy jest to grunt o niskiej
zawartości frakcji piaszczystej. Wyznaczone korelacje potwierdzają duży udział
poszczególnych właściwości fizycznych, w tym wilgotności na parametry wytrzymałościowe badanych gruntów (rys. 6). Wraz ze wzrostem wilgotności, a co za tym
idzie wzrostem stopnia plastyczności, rośnie nieznacznie wytrzymałość na ścinanie zarówno w formach kwadratowych i okrągłych. Kąt tarcia wewnętrznego
K. Chudy, K. Pawlak, Analiza wyników wytrzymałości na ścinanie…
47
________________________________________________________________________
nieznacznie tylko maleje (dla skrzynki kwadratowej), a spójność jest prawie stała
dla obu form. Ciężko jednak mówić o jednoznacznych, liniowych korelacjach [8].
Rys. 6. Porównanie wyników parametrów wytrzymałościowych w zależności od
zastosowanej formy dla wybranych gruntów: siły ścinającej (A), wytrzymałości na ścinanie
(B), kątów tarcia wewnętrznego (C), kohezji (D)
Wyniki są bardzo rozproszone. Ma to związek prawdopodobnie ze zmianami
strukturalnymi (rozrabianie pasty), stanem gruntu i niską zawartością wody wolnej.
Podsumowanie
Otrzymano bardzo duży rozrzut parametrów wytrzymałościowych w gruntach
spoistych zaburzonych glacitektonicznie [8]. W przypadku aparatu skrzynkowego, okazuje się, że ogromne znaczenie ma kształt konsolidowanej, a w następnym etapie ścinanej powierzchni. Wyniki wytrzymałości na ścinanie dla form
okrągłych, w zakresie małych odkształceń są średnio wyższe o 1,4-3,0 razy od
form kwadratowych. W zakresie większych odkształceń są to wartości wyższe
rzędu 2,0 razy. Różnice w wynikach uzasadnia się odmiennymi rozkładami naprężeń stycznych i normalnych w wymuszonej powierzchni ścinania (rys.1). Bardziej korzystne warunki zapewnia forma okrągła, gdzie rozkład w każdym punkcie pola jest równomierny.
Bardzo ciekawe zależności otrzymano przy korelacjach ze stopniem plastyczności. W formie kwadratowej zależności układały się standardowo: ze wzrostem
plastyczności rosła spójność, a kohezja malała. W formach okrągłych sytuacja
48
K. Chudy, K. Pawlak, Analiza wyników wytrzymałości na ścinanie…
________________________________________________________________________
była odwrotna, według Horn i Deere [2] w niespoistych gruntach i przesuszanych
spoistych, wilgotność nie obniża już oporów tarcia, a przy małej zawartości wody
i dużym zagęszczeniu, towarzyszącym konsolidacji powoduje wzrost tarcia i tym
samym spadek spójności.
Obserwacje oraz analizy potwierdziły, że mineralne grunty spoiste z rejonu
Ostrowa Wielkopolskiego są wyjątkowo złożonym materiałem gruntowym. Grunty
te charakteryzuje stosunkowo mała wytrzymałość na ścinanie przy dużym stopniu diagenezy i niewielka wilgotność naturalna, a rzeczywiste parametry wytrzymałościowe są niższe w stosunku do tych, co podaje norma [8].
Bibliografia
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
Gruszecki J., Kuliński M., Dusza A., Pasieczna A., Kozłowska O., (red.) Sikorska –
Maykowska M., 2005, Objaśnienia do mapy geośrodowiskowej Polski 1: 50 000, Arkusz Ostrów Wlkp. (658), Państwowy Instytut Geologiczny, Warszawa.
Horn H., Deere M., 1962, Frictional characteristics of minerale, Geotechnique, no 4,
p. 319 -335.
Jastrzębska M., 2010, Badanie zachowania się gruntów spoistych poddanych obciążeniom cyklicznym w zakresie małych odkształceń, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice.
Król J., Lewczuk A., Dusza A., Pasieczna A., Wodyk K., (red.) Sikorska – Maykowska M., 2005, Objaśnienia do mapy geośrodowiskowej Polski 1: 50 000, Arkusz
Raszków (620), Państwowy Instytut Geologiczny, Warszawa.
Meyer Z., Bednarek R., Kowalów M., 2008, Wpływ zmian parametrów gruntowych na
szybkość konsolidacji torfu [w] Regionalne problemy ochrony środowiska. Geotechnika w projektach regionalnych UE na obszarze estuariowym, XVI Seminarium Naukowe, Szczecin – Praga, 12-14 czerwca 2008 r.
Meyer Z., Kozłowski T., 2003, Analiza osiadań sprężystych i plastycznych torfu
w oparciu o badania edometryczne w warunkach zmiennego obciążenia [w] Inżynieria Morska i Geotechnika, nr 3-4.
Myślińska E., 2001, Grunty organiczne i laboratoryjne metody ich badania, Wyd. 1,
Wydawnictwo PWN, Warszawa.
Pawlak K., Chudy K., 2013, Parametry wytrzymałościowe gruntów spoistych z rejonu
Ostrowa Wielkopolskiego zaburzonych glacitektonicznie – nowe możliwości i problemy interpretacyjne. CUPRUM Czasopismo Naukowo Techniczne Górnictwa Rud
Nr 2 (67), s: 87-99.
PN-88/B-04481. Grunty budowlane. Badanie próbek gruntu.
PN-EN ISO 14688. Projektowanie geotechniczne Część 1: Zasady ogólne.
PN-EN ISO 14688. Projektowanie geotechniczne Część 2: Rozpoznanie i badanie
podłoża gruntowego.
Polska Norma (PN-86/B-02480). Grunty budowlane, określenia, symbole, podział
i opis gruntu.
Siuta W., 1992, Mechanika techniczna, Wyd. 22, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa.
Wiłun Z., 2010, Zarys geotechniki, Wyd.9, Wyd. WKiŁ, Warszawa.
CUPRUM – Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud
nr 1 (70) 2014, s. 37-48
________________________________________________________________________
37