Wilgotność Gruntów a Projektowanie Konstrukcji Zgodnie z Eurokodem
- Szczegóły
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 $K_s$ (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.
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. Stopień zgęszczenia podłoża istotnie wpływa na zmianę podatności podłoża i w rezultacie na wytrzymałość i stateczność konstrukcji.
Moduły Sprężystości Gruntu
Moduł Younga jest współczynnikiem proporcjonalności w klasycznym prawie Hooka. Tab.1. Definicję modułu Younga (modułu sprężystości) opisuje formuła ($\ref{1}$). Moduł Younga jest wyznaczany w warunkach jednoosiowego stanu naprężenia. Pobieranie próbek do badania modułu Younga gruntu z definicji ($\ref{1}$) 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 rys. 15 zamieszczonego w rozdziale Korelacja z modułem Younga.
Definicję modułu edometrycznego podobnie jak modułu Yonga też opisuje formuła ($\ref{1}$), ale moduł ściśliwości edometrycznej jest mierzony w warunkach jednoosiowego stanu odkształcenia poprzez ograniczenie odkształceń bocznych przez cylinder edometru- urządzenia w którym jest mierzony edometru (stąd nazwa moduł „edometryczny’). gdzie $\nu$ - współczynnik Poissona gruntu. Znając E i M można z tej zależności wyznaczyć $\nu$, ale częściej z modułu edometrycznego $M$ wyznacza się moduł Younga $E$ dla znanego współczynnika Poissona gruntu $\nu$. Lunne i in. Powyższe podejście wynikające z analiz 1-D można zastosować do wszystkich gruntów i jest ogólniejsze od wyznaczania $\alpha_E$ z rys.
Współczynnik Poissona $\nu$ jest stosunek odkształcenia poprzecznego do odkształcenia podłużnego w próbie jednoosiowego ściskania. Szacunkowe wartości modułu wspólczynnika Poissona $\nu$ dla dużej klasy gruntów podano w tab.2, tab.3 oraz w tab. Szacunkowe parametry gruntów sypkich i spoistych w różnym stanie zestawione w tab. 2 oraz tab. 3 . W tab. 5 oraz na rys. 3. W normie [14] zamieszczono zależności korelacyjnych pokazane na rys. 2 dla gruntów piaszczystych na na rys. 3 dla gruntów spoistych.
Przeczytaj także: Poradnik: walka z wilgocią w mieszkaniu
Moduł $E_0$ i $M_0$ w relacji ($\ref{3}$) są modułami odpowiednimi dla obciążeń pierwotnych. Przy powtórnym obliczeniu gruntu odpowiednie moduły E i M należy wyznaczyć w zależności od wskaźnika skonsolidowania $\beta$ wg tab.
Zagęszczenie Gruntu
Zagęszczenie gruntu w sensie ścisłym może dotyczyć gruntów sypkich (żwirów piasków itd. ), wśród których rozróżnia się stany od od luźnego do bardzo zagęszczonego. 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 $I_D$ i wskaźnikiem zagęszczenia $I_S$. Zależności korelacyjne $I_D \to I_s$ wg różnych autorów podano w tab.
Miarą konsystencji gruntów spoistych jest wskaźnik konsystencji $I_c$ [18] zgodnie z tab. Uwaga wskaźnik konsystencji $I_c=1-I_L$ gruntu spoistego (tab. W niniejszym artykule stosuje się oznaczenia i klasyfikację gruntów zgodnie z normami [13] , [18], [19] oraz klasyfikacji rodzajów gruntu Robertsona (2010) (Robertson, P.K., (2010), Soil behaviour type from the CPT: an update. 2nd International Symposium on one Penetration Testing, CPT’10, Huntington Beach, CA, USA)).
Wynika stąd, że wytyczne z rys. Drogi są projektowane dla projektowego okresu użytkowania 20 lat lub 30 lat (drogi krajowe i autostrady) [23], a obiekty budowlane: zwykłe na T=50 lat , monumentalne i fundamenty na T=100 lat [22]. W tab. 8 zaczerpniętej z Katalogu [23] podano 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 , tzn. Parkingi dla samochodów osobowych ze sporadycznym parkowaniem samochodów ciężarowych należy projektować na kategorię KR2. Dla ustalonej zastępczej kategorii KR z rys. 6 (lub rys.
Przeczytaj także: Wakacje w Bodrum
Warstwa górna (spąg) warstwy nośnej gruntu rodzimego (na rys. 5 warstwy oznaczonej kolorem żółtym) jest jednocześnie spodem konstrukcji. Spodem konstrukcji nawierzchni jest spód jej najniższej warstwy, spoczywającej na podłożu gruntowym nawierzchni lub na warstwie ulepszonego podłoża. 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.
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 $E_1$.
Hajduk (2013) [27] podał minimalny moduł odkształcenia wtórnego $E_2$ ($\ref{27}$), 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 obciążenie a 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.
Metody Badania 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.). polegają na oznaczeniu tych cech na próbkach pobranych z warstwy gruntu bez naruszenia jej struktury (czyli próbek kategorii A -najwyższej wg PN-EN ISO 22475-1 [28] oraz wg PN-B-04452 [29]. 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 [30].
Przeczytaj także: Poradnik pomiaru wilgotności
Metody polowe (in situ) są najczęściej stosowanymi w budownictwie metodami badania zagęszczenia gruntu. Sondowania gruntu są penetracją podłoża gruntowego przy użyciu różnych końcówek zagłębianych przez wbijanie, wciskanie lub wkręcanie, z jednoczesnym określaniem oporów występujących przy ich pogrążaniu. W tab. 12 zestawiono za pracą Jermołowicz (2019 ) [31] najczęściej stosowane techniki badań in situ i ich przydatność do badań stanu zagęszczenia.
Wysoką skuteczność do badania zagęszczenia gruntu mają metody: FWD/LWD; CPT ze stożkiem elektryczny,; CPTU; SPTU oraz RCPTU. Sondowanie statyczne CPT/CPTU to podstawowy typ badań polowych gruntu na terenie Europy. 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 posiada ograniczeń ze strony rodzaju badanego gruntu. Sondowania można wykonywać w gruntach sypkich, spoistych, organicznych oraz nasypowych, dzięki czemu jest uniwersalnym rodzajem badania gruntu [32].
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 (rys. głębokość, prędkość penetracji oraz inklinację ( odchylenie sondy od pionu).
gdzie $\Delta u=u_2- u_0$ zmierzone ciśnienie porowe $u_2$ pomniejszone o ciśnienie porowe in situ $u_0$. Ciśnienie $u_0$ jest ciśnieniem hydrostatycznym (wyporem wody gruntowej). Tarcie na pobocznicy $f_s$ jest tak skalibrowane, że daje pomiar wytrzymałość gruntu na ścinanie przekształconego $s_{u(r)}$. Stopień plastyczności $I_L$ gruntu spoistego określa jego konsystencję zgodnie z tab.
Typy gruntów przypisane do poszczególnych obszarów na rys. W tab. 14 przedstawiono klasyfikację norm amerykańskich.
Badanie płytą sztywną PLT (VSS) jest chętnie stosowane w drogownictwie za sprawą szczegółowych, praktycznych zleceń zawartych w normie PN-S- 02206 [24]. 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. 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 [13]- dodatek K.2. Zgodnie z normą [38], kl. $\nu$ - współczynnik Poissona badanego podłoża.
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 wg rys. 21). Osiadanie $s_1$ oznaczone w badaniu PLT można bezpośrednio przeliczyć na osiadania fundamentu $s$ poprzez skalę szerokości $b/b_1$ zgodnie z rys.
Płyta dynamiczna jest bardzo chętnie stosownym 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. Częstość kontroli zagęszczenia w wykopach zgodnie z normą PN_S-02205 [24],, nie powinna być bowiem 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 . Współcześnie najczęściej stosowaną metodą badań polowych gruntu jest sondowanie CPT/CPTU.
Formułę Borowczyka zaleca polska norma [29] dla piasków o dowolnej ziarnistości (drobnych, grubych i średnich ). Jednak jak wynika z badań Bagnińskiej (2015) [44] dla stopni zagęszczenia $I_D<0,8$ , czyli w zakresie interesującym w budownictwie ($I_s<0,82$) znacznie lepsze dopasowanie do natury ma formułą Lancellota.
Użyteczne formuły regresji podał Melnikov i Boldyrev (2015) [47] . Formuły regresji dotyczą gruntów z obszarów I do V wg rys. 17 zaprezentowano nomogram do wyznaczania zagęszczenia gruntów polskich na podstawie badań Wysokińskiego z zespołem (2008) [48]. W zależności od oporu stożka $q_c$ i rodzaju gruntów ( żwir do ił) można oszacować dla gruntów sypkich wskaźnik zagęszczenia $I_D$ ($\ref{10}$), a dla gruntów spoistych stopień konsystencji $I_c=1-I_L $. (tab.
Korelacje wyników próby PLT ze wskaźnikiem $I_s$ ($\ref{8}$), a poprzez korelację ($\ref{10}$) również ze stopniem zagęszczenia $I_D$ są dokonywane z wtórnym modułem odkształcenia $E_2$, a nie ze wskaźnikiem $I_0$ ($\ref{26}$) przez co w istocie zakłada się, że proces obciążania podczas 1.
Z porównania tab.17 z tab. W Austrii z kolei stosuje się korelacje modułu dynamicznego $E_{vd}$ z badań lekka płytą dynamiczną DPL $E_{vd}$ do modułu pierwotnego $E_1$ z badania PLT ÖFSV (2008) [50]. Przyjmuje się że minimalna wymagana wartość, która odpowiada pierwotnemu modułowi obciążenia statycznego Ev1 może być sprawdzona płytą dynamiczną.
Każdy grunt posiada pory, wilgoć i gazy. 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 doświadcz...
tags: #wilgotność #gruntów #eurokod #definicja
