dr hab. inż. Henryk Woźniak, prof. AGH

Dr hab. inż., prof. AGH Henryk Woźniak
Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska
Akademia Górniczo-Hutnicza
im. Stanisława Staszica w Krakowie
Recenzja
rozprawy doktorskiej mgr. inż. Kamila Kiełbasińskiego pt. „Geologicznoinżynierska i geofizyczna ocena zachowania się gruntów spoistych w
przekroju doliny Wisły wzdłuż Trasy Siekierkowskiej w Warszawie pod
wpływem obciążeń dynamicznych”
1. Podstawa prawna
Niniejszą recenzję opracowałem na podstawie pisma Dziekana Wydziału
Geologii Uniwersytetu Warszawskiego z dnia 22.12.2014 r wystosowanego
zgodnie z uchwałą Rady Wydziału z dnia 19.12.2014 r.
2. Analiza rozprawy
Recenzowana rozprawa obejmuje 207 stron, na które składa się tekst wraz z
126 figurami, 38 tabelami i 18 załącznikami. W wykazie literatury podano
74 pozycje, z czego 27 stanowią pozycje w języku polskim, a 47 w języku
angielskim.
Całość rozprawy łącznie ze wstępem i podsumowaniem została podzielona na
12 rozdziałów. We wstępie Autor wprowadza czytelnika w problematykę
swojej pracy. Zwraca uwagę na złożoność zależności naprężenie –
odkształcenie w warunkach obciążeń dynamicznych oraz na kluczową rolę
modułu ścinania dla zakresu małych odkształceń w projektowaniu
konstrukcji inżynierskich. Wyjaśnia też powody zainteresowania podjętym
tematem – zamierza wyjść naprzeciw potrzebie stosowania nowych,
dokładniejszych modeli konstytutywnych opisujących zachowanie się
ośrodka gruntowego poddanego wpływom oddziaływań dynamicznych.
Dalej określa cel naukowy swojej pracy i precyzuje zadania prowadzące do
jego osiągnięcia. Według Doktoranta celem jest geologiczno-inżynierska oraz
geofizyczna ocena zachowania się trzech genetycznych typów gruntów
spoistych. Jest to określenie bardzo ogólne, wręcz lapidarne i na pewno nie
oddające całej wartości bogato udokumentowanej pracy. Z lektury rozprawy
wyłania się wyraźny cel nadrzędny – którym zapewne kierował się jej Autor
ustalając metodykę i zakres badań. Jest nim dokonanie oceny wpływu
obciążeń dynamicznych, w szczególności ich intensywności i częstotliwości,
1
na charakterystykę wytrzymałościowo-deformacyjną oraz jakościowe i
ilościowe zmiany mikrostrukturalne w badanych gruntach spoistych, co w
dalszej kolejności będzie
stanowić podstawę do stworzenia modelu
zachowania się gruntów w opisanych warunkach.
Do swoich badań doktorant wybrał trzy rodzaje gruntów występujących w
dolinie Wisły na terenie Warszawy: iły plioceńskie, gliny lodowcowe oraz
mady. Jest to wybór trafny i uzasadniony. Wybrane grunty występują
powszechnie na terenie Warszawy i stanowią podłoże budowlane istniejących
i nowopowstających obiektów budowlanych. Są to równocześnie grunty o
odmiennej genezie i historii obciążeń, różniące się składem mineralnym,
granulometrycznym i właściwościami fizyczno-mechanicznymi. Badania
polowe i pobór próbek do badań laboratoryjnych realizowano na trzech
poligonach badawczych: Stegny – iły plioceńskie, Kiedacza – gliny lodowcowe
oraz Bluszczańska – Trasa Siekierkowska – mady. Budowę geologiczną oraz
genezę i warunki geologiczno-inżynierskie utworów
na wytypowanych
poligonach badawczych Doktorant scharakteryzował w odrębnym rozdziale.
Dla oceny geologiczno-inżynierskich i geofizycznych właściwości badanych
gruntów Doktorant zastosował szerokie spektrum właściwie dobranych
metod badań polowych i laboratoryjnych. W badaniach polowych stosował
sondę CPT wyposażoną w stożek elektryczny rozbudowany o system SCPTu
firmy Geotech, sejsmiczny dylatometr Marchettiego SDMT, aparaturę do
badania parametrów sprężystych metodą CSWS, zestaw do badania
oporności gruntu metodą tomografii elektrooporowej oraz uniwersalny
zestaw RAMAC GPR do profilowania georadarowego.
Szeroki zakres zastosowanych metod badawczych pozwolił Doktorantowi na
dokonanie
pełnej
charakterystyki
właściwości
wytrzymałościowoodkształceniowych i sejsmicznych badanych gruntów. Interpretacja
pomierzonych wartości oporu wciskania sondy CPTu umożliwiła określenie
wartości stopnia prekonsolidacji, naprężenia prekonsolidacji, współczynnika
parcia bocznego w spoczynku, wytrzymałości na ścinanie bez odpływu oraz
modułów odkształcenia i ściśliwości. Zarejestrowane na podstawie sondowań
stożkiem sejsmicznym SCPTu prędkości generowanych na powierzchni fal
podłużnych i poprzecznych stały się podstawą do
wyznaczenia w
określonych interwałach profilu głębokościowego charakterystyk deformacji
w postaci takich parametrów jak początkowy moduł ścinania oraz moduł
ściśliwości edometrycznej. Badanie to zasługuje na szczególne uznanie
właśnie ze względu na możliwość otrzymania modułu ścinania dla małych
odkształceń, który jest jednym z najbardziej istotnych parametrów
odkształcalności gruntów i odgrywa kluczową rolę w ocenie zachowania się
gruntów w warunkach obciążeń dynamicznych. Ponadto, jak zaznacza Autor,
wyznaczenie tego parametru metodami sejsmicznymi daje bardzo dobre
2
rezultaty, a numeryczne modelowanie interakcji grunt – obiekt inżynierski
przy zastosowaniu tak wyznaczonych parametrów daje wyniki deformacji
zbliżone do rzeczywistych. W wyniku zastosowania kolejnej, bardzo
popularnej i nieinwazyjnej metody badawczej – sejsmiki powierzchniowej
realizowanej w wersji CSWS (Continuous Surface Wave System) otrzymano
na każdym poligonie badawczym profile sztywności, czyli profile zmian
maksymalnego modułu ścinania w funkcji głębokości.
Ważne, z poznawczego i praktycznego punktu widzenia, są wyniki pomiarów
sejsmicznych drgań ośrodka gruntowego wywołanych ruchem kołowym.
Badania przeprowadzono przy wykorzystaniu aparatury sejsmicznej firmy
DMT w trzech reprezentatywnych lokalizacjach wybranych ze względu na
rodzaj i nasilenie ruchu drogowego. Rejestrowano wpływy przejazdu
samochodów ciężkich i lekkich, tramwajów oraz metra. Na podstawie
pomiarów określono dominujące częstotliwości oraz prędkości i
przyspieszenia drgań cząstek gruntu. Ważną, utylitarną stroną tych badań
była
możliwość
zaimplemntowania
pomierzonych,
rzeczywistych
intensywności drgań w dynamicznych badaniach wytrzymałościowych.
Ważnym i wartościowym aspektem pracy, któremu Doktorant poświęca dużo
uwagi, jako jednemu z problemów, z którymi spotykamy się w dynamicznych
badaniach gruntów, są badania wskaźnika tłumienia drgań. Szczególnie
nowatorski charakter miały eksperymentalne badania wskaźnika tłumienia
w zakresie małych odkształceń przeprowadzone na utworach madowych.
Oryginalność ich polegała na zastosowaniu punktowych źródeł drgań
harmonicznych o regulowanej częstotliwości w postaci wibratora systemu
CSWS oraz rejestracji amplitudy drgań za pomocą sondy SCPT.
Równie wartościowych informacji dostarczyły wyniki obliczeń wskaźnika
tłumienia wyznaczone na podstawie analiz pętli histerezy z kolejnych cykli
obciążeń dynamicznych próbek w aparacie trójosiowego ściskania. Efektem
ich są sporządzone przez Doktoranta, dla wszystkich badanych gruntów,
wykresy wskaźnika tłumienia w funkcji odkształcenia postaciowego dla
trzech różnych częstotliwości. Analizując otrzymane wyniki Doktorant
sformułował wniosek, że wzrost wskaźnika plastyczności zmniejsza
wrażliwość gruntów na wpływ obciążeń dynamicznych.
Oprócz szerokiego zakresu badań polowych Doktorant wykonał liczne
badania laboratoryjne. Do najbardziej wartościowych, z naukowego punktu
widzenia, należy niewątpliwie zaliczyć badania parametrów sprężystych, w
tym modułu ścinania, metodą BES (Bender element system) oraz badania
wytrzymałości na ścinanie w warunkach obciążeń dynamicznych w aparacie
trójosiowego ściskania . Badania parametrów sprężystych zostały wykonane
na gruntach pobranych ze wszystkich poligonów badawczych na próbkach o
3
nienaruszonej strukturze oraz na pastach. Zestawienie wyników
otrzymanych z badań laboratoryjnych (BES) z wynikami z badań polowych
(CSWS, SCPT, SDMT) w postaci graficznych diagramów posłużyło
Doktorantowi do stwierdzenia, że mimo wykorzystania różnych metod
badawczych obserwuje się dużą zbieżność prędkości fal sejsmicznych, w
szczególności fali poprzecznej, a tym samym maksymalnego modułu
sztywności.
Przeprowadzone badania wytrzymałościowe w wyspecjalizowanym, wysokiej
klasy aparacie trójosiowego ściskania pozwoliły na przedstawienie
charakterystycznych zachowań gruntów spoistych w warunkach obciążeń
dynamicznych, w tym określenia stopnia degradacji modułu sztywności oraz
zmian wskaźnika tłumienia. Dzięki odpowiednio dobranej metodyce
Doktorant
dokonał szerokiej charakterystyki testowanych gruntów z
uwzględnieniem
krytycznych
wartości
współczynników
cyklicznego
obciążenia, spadku wskaźnika degradacji modułu sztywności, kumulacji
ciśnienia porowego oraz częstotliwości zmian naprężenia. Analiza całości
wyników upoważniła z kolei do sformułowania kilku istotnych wniosków
odnośnie odporności gruntów na wpływ obciążeń dynamicznych, w tym
szczególnie wpływu stopnia przekonsolidowania, wskaźnika plastyczności
oraz częstotliwości naprężenia. Oryginalnym osiągnięciem Autora jest
również sformułowanie dla badanych gruntów o nienaruszonej strukturze
równań krzywej degradacji modułu ścinania w funkcji odkształceń w
zależności od częstotliwości zadawanego obciążenia.
3. Ocena rozprawy
Rozprawa mgr. inż. Kamila Kiełbasińskiego stanowi oryginalną, logicznie
skonstruowaną pracę naukową o jasno skonkretyzowanym celu i
sprecyzowanym sposobie jego rozwiązania. Oparta jest na wynikach
własnych badań polowych i laboratoryjnych Autora, umiejętnej i wnikliwej
ich interpretacji, umiejętnej syntezie wyników uzyskiwanych z różnych
metod badawczych i logicznym wnioskowaniu. Tematyka pracy jest aktualna
pod względem poznawczym. Całkowicie oryginalne wyniki dostarczają
nowego spojrzenia i rzucają nowe światło na stosunkowo mało dotychczas
znane i raczej nie podejmowane przez badaczy zagadnienie kompleksowej
oceny zachowania się wybranych gruntów spoistych w warunkach obciążeń
dynamicznych w oparciu o wyniki standardowych i nowoczesnych badań
geologiczno-inżynierskich i geofizycznych. W tej dziedzinie omawiana
rozprawa znacznie poszerza dotychczasowy stan wiedzy i zawiera szereg
elementów stanowiących oryginalny dorobek Autora. Zawiera szereg
elementów o charakterze poznawczym i aplikacyjnym. Wysoka wartość
merytoryczna kwalifikuje ją do opublikowania.
4
Oceniając całość pracy należy stwierdzić, że Doktorant osiągnął zamierzony
cel naukowy. Wykazał się bardzo dobrą znajomością przedmiotowego
zagadnienia, wysokim poziomem wiedzy teoretycznej, umiejętnością
prowadzenia prac badawczych oraz pogłębioną znajomością metod
interpretacyjnych.
Doktorant nie jest przy tym osobą bezkrytycznie podchodzącą do
uzyskiwanych rezultatów badań. Ma świadomość niedoskonałości sprzętu
badawczego i ograniczoności stosowanych metod badawczych, a także
możliwej przypadkowości niektórych wyników badań wynikających z
niejednorodności i zmienności ośrodka gruntowego. Prezentuje podejście
zgodne z wymaganiami Eurokodu kładąc nacisk na określanie parametrów
bezpośrednio z badań terenowych lub laboratoryjnych. Stąd też prezentuje
krytyczne podejście do niektórych zależności empirycznych, które z reguły
ustalane są na podstawie lokalnych związków korelacyjnych.
Praca napisana jest poprawnie pod względem stylistycznym. Autor używa
języka prostego i zwartego, a zarazem przejrzystego i zrozumiałego. Figury
autorstwa Doktoranta wykonane są bardzo starannie i czytelnie.
Chciałbym zaznaczyć, że w zasadzie nie wnoszę do rozprawy zastrzeżeń o
charakterze merytorycznym. W odniesieniu do całości pracy można jedynie
wysunąć kilka uwag o charakterze dyskusyjnym lub wymagających
dodatkowych objaśnień, co może też posłużyć lepszemu jej przygotowaniu do
publikacji:
1) W kilku przypadkach można odczuć pewien niedosyt z powodu braku
komentarza, czy chociażby prób wyjaśnienia zaobserwowanych
rozbieżności w otrzymywanych wynikach, np. dlaczego naprężenia
prekonsolidacyjne i stopnie prekonsolidacji z badań polowych są wyższe
od wartości z badań laboratoryjnych ?, czym wytłumaczyć znaczne
różnice w wartościach modułu ścinania z badań sondą SCPTu oraz
BES ?
2) Zarówno z badań polowych (sonda CPT) jak też laboratoryjnych
(odpowiednio str. 72 i 112) wynika, że stopień prekonsolidacji mad jest
większy od 1. W obu przypadkach Doktorant stwierdza, że z punktu
widzenia genezy nie są to grunty prekonsolidowane, z tym, że na str. 72
efekt ten przypisuje, moim zdaniem słusznie, prekonsolidacji pozornej, a
na str.112 – wskaźnikowemu charakterowi stopnia prekonsolidacji
wyznaczanego sondą CPT. Pomijając fakt podważania stosowalności
sondy CPT do oznaczania stopnia prekonsolidacji, może słuszniejsze
byłoby stwierdzenie, że wartości OCR > 1 otrzymane z badań sondą CPT
są istotnie wynikiem prekonsolidacji pozornej, a nie wynikiem
przeciążenia.
5
3) Z badań metodą BES dla niektórych gruntów uzyskano bardzo wysokie
wartości współczynnika Poissona, nawet wartości równe 0,49 co
praktycznie odpowiada ciałom absolutnie nieściśliwym. Badane grunty
do takich zaliczyć nie można. Błąd prawdopodobnie wynika z
trudności precyzyjnego wyznaczenia prędkości przejścia fali podłużnej
i poprzecznej. Nie mniej konieczny byłby tutaj odpowiedni komentarz
Autora.
4) W spisie literatury brak jest niektórych pozycji, na które Autor powołuje
się w pracy.
Autor nie ustrzegł się również pewnych usterek językowych, redakcyjnych
oraz pomyłek w nazwach, symbolach i znakach. Dość liczne są tzw.
„literówki”. Zauważone usterki dotyczą jednak szczegółów, a nie istoty
zagadnienia i w niczym nie umniejszają merytorycznej wartości pracy.
4. Wniosek końcowy
W wyniku przeprowadzonej analizy stwierdzam, że:
 rozprawa stanowi istotny wkład Autora w rozpoznanie właściwości
badanych gruntów spoistych, w tym szczególnie ich zachowania się w
warunkach obciążeń dynamicznych,
 stanowi samodzielne rozwiązania podjętego przez Autora problemu,
 Autor
wykazał pogłębioną wiedzę teoretyczną w swej dyscyplinie
naukowej oraz umiejętność swobodnego posługiwania się aparatem
badawczym.
Wobec powyższego stwierdzam , że rozprawa doktorska mgr. inż. Kamila
Kiełbasińskiego pt. „Geologiczno-inżynierska i geofizyczna ocena zachowania
się gruntów spoistych w przekroju doliny Wisły wzdłuż Trasy Siekierkowskiej
w Warszawie pod wpływem obciążeń dynamicznych” spełnia wszystkie
wymagania stawiane pracom doktorskim zgodnie z przepisami ustawy z dnia
14 marca 2003 (Dz.U. Nr 65. Poz. 595 z późn. zm.) stopniach naukowych i
tytule naukowym oraz stopniach i tytule w zakresie sztuki i wnoszę o jej
dopuszczenie do publicznej obrony.
Kraków, styczeń, 2015
6