Zagęszczalność gruntów niespoistych

Grunt jest mieszaniną cząstek stałych. Przestrzenie między cząsteczkami (pory) wypełnione są cieczą (wodą) i gazem (powietrzem) (rys. 1).

Zagęszczanie zwiększa gęstość szkieletu gruntowego, a tym samym: 

•  zwiększa kąt tarcia wewnętrznego,
•  zwiększa nośność,
•  zwiększa odporność na zmiany zawilgocenia,
•  zmniejsza osiadanie.

Parametry związane z gęstością gruntu

Podstawowe wielkości fizyczne związane z gęstością to:

•  gęstość objętościowa gruntu

(1),

gdzie:

m_s + m_w – masa gruntu (szkielet i woda),

V – objętość gruntu (rys. 1),

• gęstość objętościowa szkieletu gruntowego:

(2),

• gęstość właściwa szkieletu gruntowego:

(3),

gdzie:

V_s – objętość szkieletu gruntowego (rys. 1).

Miarą zagęszczenia w robotach ziemnych jest wskaźnik zagęszczenia IS obliczony na podstawie porównania gęstości objętościowej szkieletu gruntowego uzyskanej w warunkach polowych rd do gęstości uzyskanej w warunkach laboratoryjnych rds:

(4).

Dokumenty odniesienia w drogownictwie

Jednym z podstawowych dokumentów w procesie budowlanym w drogownictwie są szczegółowe specyfikacje techniczne (SST), opracowywane na podstawie ogólnych specyfikacji technicznych (OST) wydawanych i aktualizowanych przez Branżowy Zakład Doświadczalny Budownictwa Drogowego i Mostowego Sp. z o.o.

Obecnie Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad opracowuje pod swoim auspicjami nowe OST dotyczące budowy dróg.

Specyfikacje techniczne w drogownictwie przyczyniły się m.in. do:

• wzrostu jakości budowanych obiektów i zwiększenia ich trwałości,
• zwiększenia poziomu wiedzy na temat technologii wykonywania robót,
• usprawnienia procesu inwestycyjnego,
• usprawnienia odbioru robót – szczegółowego określenia rodzajów i zakresu poszczególnych odbiorów oraz wymaganych dokumentów,
• rozstrzygnięcia potencjalnych różnic między stronami procesu inwestycyjnego dotyczących interpretacji sytuacji wątpliwych (zapisy w specyfikacjach technicznych są wiążące).

Z drugiej strony ścisłe i rygorystyczne zapisy specyfikacji nie dopuszczają możliwości stosowania nowych rozwiązań i materiałów. Bardzo często wymagania są zbyt wysokie i zbyt asekuracyjne – niezależnie od funkcji, jaką pełni dana warstwa.

Co więcej, niejednokrotnie osoby tworzące SST nie mają podstawowej wiedzy z zakresu technologii budowy dróg i materiałów drogowych.

Wymagania stawiane gruntom niespoistym przeznaczonym do budowy nasypów

W Polsce przy doborze gruntów niespoistych do budowy nasypów stosuje się głównie dwa kryteria: odpowiedniej przepuszczalności i odpowiedniego uziarnienia. W większości dotychczasowych specyfikacji w części dotyczącej doboru rodzaju gruntu widnieje zapis, że przydatność gruntów do budowy nasypów powinno się określać zgodnie z normą PN-S-02205:1998 [2].

W bardziej kreatywnych ­specyfikacjach ­pojawiają się zapisy, że wartość wskaźnika równoziarnistości U gruntów stosowanych do budowy nasypów nie powinna być mniejsza niż 3,0.

Ostatnią górną warstwę o gr. co najmniej 0,5 m powinno się wykonać z gruntów niespoistych przepuszczalnych o wskaźniku różnorodności co najmniej 5 i współczynniku filtracji k₁₀ ≥ 6·10^–5 m/s (5,2 m/d).

Tymczasem w pracy „Uwagi do specyfikacji technicznych wykonania i odbioru robót budowlanych dotyczących robót ziemnych” [3] wykazano, że zależność między wskaźnikiem jednorodności uziarnienia a współczynnikiem filtracji jest odwrotna i tak wysokie ustawienie granicznej wartości wskaźnika różnoziarnistości nie ma uzasadnienia w odniesieniu do ostatniej warstwy nasypu.

Norma PN-S-02205:1998 [2] w pkt 2.8.2 podaje, że grunty o wskaźniku U < 3 można stosować wówczas, gdy wstępne próby na polu doświadczalnym wykażą możliwość uzyskania wymaganego zagęszczenia.

W pkt 2.8.2 scharakteryzowano także grunty trudnozagęszczalne, charakteryzujące się wartością r_ds mniejszą niż 1,6 g/cm³ (z wyjątkiem popiołów i żużlu). Podano również, że w odniesieniu do piasków drobnoziarnistych wbudowywanych w ostatnią warstwę nasypu (0,5 m) wskaźnik nośności powinien wynosić w_noś. ≥ 10.

Podział gruntów pod względem wysadzinowości z uwzględnieniem ostatnich regulacji podano w tabeli 1. Podział ten oparty jest na kryteriach wysadzinowości Casagrande’a i Wiłuna [4]. W odniesieniu do oceny przydatności gruntów niespoistych podstawowym kryterium jest wartość wskaźnika piaskowego.

Zagęszczalność gruntów

Laboratoryjną metodę badania zagęszczalności gruntów spoistych opracował w 1933 r. R.R. Proctor podczas budowy zapór ziemnych [5]. Metoda ta jest obecnie powszechnie stosowana do wszystkich rodzajów gruntów. Badanie polega na zagęszczaniu gruntu warstwowo w znormalizowanych cylindrach za pomocą znormalizowanych ubijaków ręcznych lub mechanicznych (rys. 2, fot. 1).

W metodzie Proctora, nazywanej często metodą normalną, stosowana jest energia zagęszczania równa 0,59 J/cm³. Istnieje również metoda zmodyfikowana – energia zagęszczenia od 2,45 J/cm³ do 2,65 J/cm³ (w Polsce 2,65 J/cm³).

Można przyjąć, że stosowana w laboratorium energia zagęszczania metodą normalną odpowiada zagęszczaniu gruntu na placu budowy lekkim sprzętem budowlanym (lekkimi walcami drogowymi, walcami na pneumatykach o masie do 10 t, lekkimi ubijakami).

Metoda zmodyfikowana odzwierciedla natomiast pracę ciężkiego sprzętu – walców drogowych o masie 20–30 t, ciężkich walców wibracyjnych o masie większej niż 4 t, ciężkich ubijaków o masie powyżej 2 t.

Zagęszczalnością gruntu nazywa się zdolność do uzyskiwania określonej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego w zależności od zastosowanej energii zagęszczania, sposobu jej użycia i wilgotności [4].

Efektem badania maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego jest zależność w postaci krzywej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego od wilgotności (rys. 3). Z ­kształtu zależności można odczytać zmiany gęstości wraz ze wzrostem wilgotności. W odniesieniu do małych wilgotności zbliżonych do 0% uzyskuje się r_d większe niż przy wilgotności optymalnej [6].

Zjawisko to nie ma jednak znaczenia w naszym klimacie, ponieważ w Polsce piaski mają wilgotność naturalną na poziomie 3–5%. Nie jest to ważne także ze względu na małą nośność piasku przy tak małej wilgotności (trudności z ruchem technologicznym).

Uziarnienie gruntów

Szkielet mineralny składa się z ziaren frakcji powyżej 0,063 mm i cząstek frakcji poniżej 0,063 mm. Grunt najczęściej składa się z kilku frakcji. Aktualny podział na frakcje przedstawiono w tabeli 2. Różnicą w stosunku do normy PN-B-02480:1986 [7] jest zmiana granicy frakcji pyłowej z piaskową z 0,05 mm na 0,063 mm oraz zmiana granic frakcji żwirowej z 40 mm na 63 mm.

Skład granulometryczny gruntów niespoistych, czyli zawartość poszczególnych frakcji, określa się za pomocą analizy sitowej, a skład granulometryczny gruntów spoistych – za pomocą analizy sitowej i sedymentacyjnej (najczęściej areometrycznej Casagrande’a) lub metodą dyfrakcji laserowej. Uziarnienie przedstawia się najczęściej w postaci krzywej uziarnienia, na podstawie której można wyznaczyć m.in. wskaźnik jednorodności uziarnienia oraz wskaźnik krzywizny.

Wskaźnik jednorodności uziarnienia to parametr opisujący kształt krzywej uziarnienia. Określa się go symbolem C_U. Funkcjonują również inne nazwy: wskaźnik różnoziarnistości, niejednorodności uziarnienia, współczynnik równomierności, hydrogeologii (Pazdro, Kozerski [9]), współczynnik nierównomierności uziarnienia. Wskaźnik ten jest zdefiniowany jako stosunek średnicy ziarn, które wraz z mniejszymi stanowią 60% wagowo badanej próbki do średnicy efektywnej d₁₀(rys. 4):

(5)

Kolejnym parametrem opisującym krzywą uziarnienia jest wskaźnik krzywizny wyznaczany według wzoru:

C_c = (d₃₀)2(d₆₀ · d₁₀)  (6),

gdzie:

d₁₀ – średnica odpowiadająca zawartości 10% ziarn na krzywej uziarnienia,

d₃₀ – średnica odpowiadająca zawartości 30% ziarn na krzywej uziarnienia,

d₆₀ – średnica odpowiadająca zawartości 60% ziarn na krzywej uziarnienia.

Na podstawie wskaźnika krzywizny i wskaźnika jednorodności uziarnienia można podzielić grunty według charakteru ich uziarnienia (tabela 3).

W literaturze dość często pada stwierdzenie, że grunty dobrze zagęszczalne charakteryzują się wartością C_C 1–3 i C_U > 4 w odniesieniu do żwirów oraz C_U > 6 w odniesieniu do piasków [11, 12]. Poglądy te znalazły odzwierciedlenie w zapisach SST.

Nie można jednak arbitralnie twierdzić, że gruntów o niskiej wartości C_U uziarnienia nie da się zagęścić i że nie mają one odpowiedniej nośności. Takie założenie nie uwzględnia postępu technologicznego i możliwości stosowania najnowszych maszyn do zagęszczania gruntów (fot. 2). Typowe walce do robót ziemnych mają naciski liniowe do 65 kg/cm i amplitudę zagęszczania do 2,1 mm.

Nośność gruntu

Głównym kryterium możliwości zastosowania gruntu do robót ziemnych i warstw ulepszonego podłoża jest wartość wskaźnika nośności (CBR).

Określa się ją zgodnie z załącznikiem A do normy PN-S­‑02205:1998 [2] po 4 dobach nasycania wodą przy zagęszczaniu metodą normalną (rys. 5). Jest to stosunek obciążenia jednostkowego do obciążenia porównawczego, obliczany według wzoru:

(7),

gdzie:

p – ciśnienie potrzebne do zagłębienia trzpienia w odpowiednio przygotowaną próbkę gruntu na głębokość 2,5 mm lub 5 mm [MPa],

p_p – ciśnienie potrzebne do zagłębienia trzpienia w materiał wzorcowy (tłuczeń standardowo zagęszczony) na głębokość 2,5 mm (7,0 MPa) lub 5 mm (10 MPa).

Wartość wskaźnika nośności jest uzależniona od wytrzymałości gruntu na ścinanie. Wytrzymałość ta oznacza opór, jaki stawia grunt naprężnikom stycznym w rozpatrywanym punkcie ośrodka [4]. Wartość oporu wyznacza się według wzoru:

(8),

gdzie:

σ – składowa normalna naprężenia [kPa],

Φ – kąt tarcia wewnętrznego [°],

tg Φ – współczynnik tarcia wewnętrznego,

c – spójność gruntu [kPa].

W odniesieniu do gruntów niespoistych c = 0 (brak spójności) wzór (8) przyjmuje postać:

(9).

Oznacza to, że nośność gruntów niespoistych zależy tylko od wartości kąta tarcia wewnętrznego. Kąt ten uzależniony jest od wielu czynników, m.in. od kształtu i obtoczenia ziarn, wielkości ziarn czy uziarnienia. Według S. Pisarczyka [11] można go wyznaczyć na podstawie wzoru Lundgena (w odniesieniu do gruntów niespoistych):

Φ = 36° + Φ₁ + Φ₂ + Φ₃ + Φ₄      (10),

gdzie:

Φ₁ – składnik uwzględniający kształt ziarn od –5° (ziarna kuliste) do +1° (ziarna kanciaste),

Φ₂ – składnik uwzględniający wielkość ziarn od 0° (piaski) do +2° (żwiry),

Φ₃ – składnik uwzględniający kształt krzywej uziarnienia CU od –3° dla CU < 5 do +3° dla CU ≥ 15,

Φ₄ – składnik uwzględniający zagęszczenie od –6° (grunty luźne) do +6° (grunty zagęszczone).

Widać zatem, że wskaźnik CU jest tylko jednym ze składników wpływających na wartość, a ziarna ze względu na budowę można podzielić na 6 różnych form (rys. 6) oraz 5 różnych szorstkości (rys. 7).

Podsumowanie

W pracy „Zagęszczanie gruntów niespoistych a wskaźnik jednorodności uziarnienia” [12] przedstawiono wyniki badań 70 gruntów niespoistych stosowanych w robotach ziemnych – od piasków pylastych po pospółki.

Charakteryzowały się one wartością wskaźnika jednorodności uziarnienia od 1,44 do 8,73. Wskaźnik nośności wynosił od 6,7 do 59,2. Grunty o wartości C_U < 3 stanowiły ponad połowę (42) wszystkich badanych gruntów.

Na rys. 8 przedstawiono zależność między C_U a w_noś. Na wykresie naniesiono również linie dla wartości C_U = 3 oraz w_noś. = 10. Z wykresu wynika, że nie można ściśle powiązać wartości wskaźnika nośności ze wskaźnikiem jednorodności uziarnienia. Tylko 4 z 70 gruntów wykazały wartość w_noś < 10.

W publikacji „Zapory ziemne” [13] podano, że grunty źle uziarnione w warunkach filtracji łatwo ulegają sufozji. Oczywiście, w wypadku zapór ziemnych wartość C_U ma niezwykle ważne znaczenie. Głównym parametrem użytkowym nasypów drogowych jest jednak zdolność do przenoszenia obciążeń bez nadmiernych osiadań, a więc nośność.

Z tego powodu najistotniejszym kryterium przydatności gruntów niespoistych do robót ziemnych jest minimalna wartość wskaźnika nośności, współczynnika filtracji k (warstwy odsączające) oraz wysadzinowości gruntu (w zależności od miejsca wbudowania).

Wykonawca robót ziemnych wykorzystuje do budowy nasypów taki grunt, jaki ma. Przyjmuje tym samym na siebie odpowiedzialność za uzyskanie wymaganych wartości wskaźnika zagęszczenia IS i nośności wyrażonej przez wtórny moduł wyznaczony płytą VSS – E₂.

Literatura

1. J. Jeż, „Gruntoznawstwo budowlane”, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2004.
2. PN-S-02205:1998, „Drogi samochodowe. Roboty ziemne. Wymagania i badania”.
3. S. Majer, M. Kowalów, „Uwagi do specyfikacji technicznych wykonania i odbioru robót budowlanych dotyczących robót ziemnych”, I Kongres Drogowy „Lepsze drogi – lepsze życie”, Warszawa 2006, s. 387–394.
4. Z. Wiłun, „Zarys geotechniki”, WKŁ, Warszawa 1987.
5. R.R. Proctor, „Fundamental Principles of Soil Compaction”, „Engineering News”, 9, 10, 12 i 13/1933.
6. S. Pisarczyk, „Grunty nasypowe. Właściwości geotechniczne i metody ich badań”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2004.
7. PN-B-02480:1986, „Grunty budowlane. Określenia, symbole, podział i opis gruntów”.
8. PN-EN ISO 14688-1:2006, „Badania geotechniczne. Oznaczanie i klasyfikowanie gruntów. Część 1: Oznaczanie i opis”.
9. B. Kozerski, Z. Pazdro, „Hydrogeologia ogólna”, Wydawnictwo Geologiczne, Warszawa 1990.
10. PN-EN ISO 14688-2:2006/Ap2:2012, „Badania geotechniczne. Oznaczanie i klasyfikowanie gruntów. Część 2: Zasady klasyfikowania”.
11. S. Pisarczyk, „Gruntoznawstwo inżynierskie”, PWN, Warszawa 2001.
12. S. Majer, „Zagęszczanie gruntów niespoistych a wskaźnik jednorodności uziarnienia”, IV Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna „Nowoczesne technologie w budownictwie drogowym”, Poznań 2009, s. 446–455.
13. K. Czyżewski, W. Wolski, S. Wójcicki, A. Żbikowski, „Zapory ziemne”, Arkady, Warszawa 1973.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!