Zagęszczenie gruntu można ustalać na podstawie wskaźnika odkształcenia Io, równego stosun­kowi modułów odkształcenia wtórnego E2 do pierwotnego E1, które należy określać wg załącznika B normy PN-S- 02205:1998. Badanie to jest zalecane zwłaszcza w przypadku tworzenia nasypu z mieszanin popiołowo-żużlowych lub gruntów kamienistych. Wartość wskaźnika odkształcenia Io oblicza się ze wzoru :

w którym :

                      E2 – wtórny moduł odkształcenia [MPa],
                      E1 – pierwotny moduł odkształcenia [MPa]

Zagęszczenie gruntu i materiału bada się za pomocą obciążenia płytą o średnicy min. 300 mm Wybór metody badania zagęszczenia gruntów uwarunkowany jest przede wszystkim od rodzaju gruntu i w zależności od niego należy dobrać odpowied­nią metodę badawczą. W przypadku gruntów gruboziarnistych piaszczystych możliwe jest zastosowanie wszystkich metod badawczych zarówno bezpośred­nich, jak i pośrednich. Problem pojawia się natomiast w przypadku badania materiałów zasypowych o frakcjach żwirowych, tzn. powyżej 2 mm.  W tym przypadku możliwe do zastosowania są metody:

  • bezpośrednie laboratoryjne: np. metoda Proctora,
  • bezpośrednie polowe: np. metoda piasku kalibrowanego,
  • pośrednie polowe: badanie płytą VSS i badanie płytą dynamiczną.

Zastosowanie metod bezpośrednich jest procesem długotrwałym i trudnym do szybkiego weryfikowania prawidłowości zagęszczenia w warunkach budo­wy, gdzie najistotniejsza jest możliwość szybkiej oceny prawidłowości wbudo­wania materiału ziemnego. W celu przyspieszenia realizacji oraz ułatwienia badań polowych stosuje się obecnie w przypadku materiałów gruboziarnistych odpowiadających frakcjom żwirowym dwie podstawowe metody badań polo­wych: badanie płytą typu VSS i badanie płytą dynamiczną. Badania in situ za pomocą aparatu VSS polega na wyznaczeniu pierwotne­go modułu odkształcenia E1, wtórnego modułu odkształcenia E2 - tzw. modułu odkształcenia sprężystego oraz wskaźnika odkształcenia Io.
Pomiar „płytą VSS" dokonuje się w dwóch cyklach obciążenia, 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:

gdzie:
            E1   - pierwotny moduł odkształcenia [MPa],
            E2    - wtórny moduł odkształcenia [MPa],
          ∆ρ1,2 -  różnica obciążeń w pierwszym (1) i drugim (2) cyklu obciąże­nia w [MPa], w zakresach zależnych od rodzaju podłoża, gdzie dla podłoża                                   gruntowego zakres  wynosi 0,05 ÷0,15 MPa, a dla ulepszonego 0,15 ÷ 0,25,
           ∆s1,2 - przyrost osiadań w pierwszym (1) i drugim (2) cyklu obciążenia w [mm], odpowiadający zakresom obciążeń,
           D    - średnica płyty pomiarowej - 300 mm.

Na polskim rynku dostępne są następujące  aparaty VSS:

  • 3 a - aparat trzypunktowy z licznikami analogowymi,
  • 3e - aparat trzypunktowy z licznikami elektronicznymi,
  • 1a- aparat jednopunktowy z licznikiem analogowym,
  • 1e - aparat jednopunktowy z licznikiem elektronicznym,

Jedno- lub trzy-punktowy odnosi się tutaj do liczby liczników zamieszczo­nych na statywie teleskopowym - w przypadku aparatu 1e i 1a lub statywie w kształcie trójnogu - dla aparatów 3a i 3e. Niezależnie od rodzaju narzędzia procedura badania pozostaje niezmienna, różnica polega jedynie na tym, że w przypadku aparatu trzypunktowego bierze się średnią wartość osiadania od­czytaną z trzech liczników, a w przypadku aparatu jednopunktowego wartość osiadania otrzymujemy bezpośrednio. Poniżej przedstawiono budowę aparatu trzypunktowego.


Fot. 1. Aparat VSS – 3a

 

Ocenę prawidłowości zagęszczenia nasypów w zależności od ich funkcji wykonuje się na podstawie porównania otrzymanych wartości modułów od­kształceń E1,2 i wskaźnika odkształcenia Io  z wartościami wymaganymi.
Reasumując wymagania zagęszczenia gruntów w nasypach i wykopach zawarte są w normie drogowej PN-S-02205:1998. Zgodnie ze sztuką inżynierską przy ocenie prawidłowości zagęszczenia materiału należy kierować się uzyskaniem projektowanych wartości modułów odkształcenia podłoża E1 i E2 oraz, w zależności od rodzaju gruntu otrzyma­niem prawidłowej wartości odkształcenia podłoża Io, która zależnie od rodzaju gruntu wynosi:

  • dla gruntów piaszczystych Io ≤ 2,2 i Is ≥ 1,0, oraz Io ≤ 2,5 i Is < 1,0,
  • dla gruntów drobnoziarnistych Io ≤ 2,0,
  • dla gruntów różnoziarnistych Io ≤ 3,0,
  • dla narzutów kamiennych rumoszy Io ≤ 4,0,
  • dla gruntów antropogenicznych Io - wyznacza się doświadczalnie,
  • dla gruntów ulepszonych spoiwami Io ≤ 2,2.

W realizacjach bardzo często spotyka się wymagania – w przypadku budowy nasypów pod obiekty kubaturowe – dotyczące wartości liczbowych modułów odkształcenia podłoża na poziomie E1> 60 MPa, E2 > 120 dla Io ≤ 2,5. Badanie płytą VSS polega na pomiarze odkształceń pionowych (osiadań) badanej warstwy pod wpływem nacisku statycznego. Obciążenia są realizowane skokowo podobnie jak w przypadku badania edometrycznego. Przyrost obciążeń następuje co 50 kPa aż do osiągnięcia wartości 350 kPa, po czym następujeodciążanie i ponowne zadawanie obciążeń. Moduły odkształceń dla nasypów wyznacza się dla zakresu 150 – 250 kPa.
Odkształcenia powstałe w wyniku zadawanych obciążeń są odkształceniami trwałymi, związanymi z przemieszczeniami cząstek gruntu względem siebie na skutek poślizgu bądź toczenia oraz kruszeniem i pękaniem ziarn w miejscach styków, oraz sprężystymi polegającymi na odkształceniach poszczególnych cząstek. Jak wynika z doświadczeń, poślizg międzycząsteczkowy, powodujący przegrupowanie ziarn w masie gruntowej, wpływa w największej mierze na całkowite odkształcenia. Sprężysta praca materiału staje się istotna, gdy na skutek przemieszczeń ziarn (zagęszczania) masa gruntowa nabiera sztywności.
Nieulepszone grunty spoiste, nawet w stanie zwartym, wykazują wtórny moduł odkształcenia, zazwyczaj poniżej 50 MPa (np. ił mioceński – E2~38 MPa, glina zwałowa – E2~27 MPa, mada pylasta – E2~14 MPa), przy wskaźniku odkształcenia poniżej 2,0.
Piaski średnie w stanie zagęszczonym (ID~0,7) wykazują wartości wtórnego modułu odkształcenia z przedziału 78,9 – 112,5 MPa, przy wskaźniku odkształcenia często poniżej 2,2. Piaski pomimo nawet dobrego zagęszczenia nie posiadają odpowiednio wysokiej nośności. Pospółki i żwiry, ze względu na znaczną zawartość frakcji żwirowej, osiągają nośność znacznie wyższą od piasków. Przeprowadzone na przestrzeni ostatnich 10 lat badania  płytą VSS wskazują, że pospółki i żwiry mogą osiągać moduł odkształcenia wtórnego E2 nawet ponad 200 MPa. Dla tego typu materiałów szczególnie istotnymi cechami są: kształt ziarn oraz uziarnienie. Wykazano, że dla danego stopnia zagęszczenia moduł odkształcenia materiału o ziarnach kanciastych będzie mniejszy niż takiego o ziarnach obtoczonych .  Ziarna dobrze obtoczone (szczególnie kuliste) są bowiem znacznie mniej podatne na pękanie i kruszenie ich krawędzi. Grunty o nierównomiernym uziarnieniu zagęszczają się znacznie lepiej niż grunty równomiernie uziarnione, gdyż drobniejsze cząstki wnikają pomiędzy grubsze, wypełniając wolne przestrzenie. W praktyce okazuje się, że skład petrograficzny żwirów i pospółek staje się bardzo istotny przy wykonywaniu pomiarów odkształceń płytą VSS. Otoczaki skał krystalicznych oraz kwarcytów wykazują znaczną kulistość  względem dyskoidalnych i wrzecionowatych otoczaków piaskowcowych. Przyjęcie w normie jednego kryterium wskaźnika odkształcenia Io ≤ 2,2  oraz wtórnego modułu odkształcenia E2 ≥ 120 MPa  wspólnie dla piasków, pospółek i żwirów sprawia w praktyce duże trudności wykonawcom robót ziemnych w zakresie możliwości jednoczesnego dotrzymania wymaganych wartości obu wymienionych parametrów.


Rys.1.   Zależność wskaźnika odkształcenia (Io) od wtórnego modułu odkształcenia (E2) dla nasypów z materiału dunajcowego. Obszar czerwony obejmuje wyniki spełniając kryteria normowe (E2 ≥ 120 MPa i  Io ≤ 2,2).Obszar zielony obejmuje wyniki dla przyjętych kryteriów  (E2 ≥ 145 MPa i Io ≤ 2,8).  [2]

 

Mechanizm odkształceń nasypów poddanych obciążeniu jest zagadnieniem złożonym, zależnym od wielu czynników (rodzaj podłoża, miąższość nasypu, znaczna zmienność materiału, nawet w obrębie jednego złoża). Znaczny rozrzut wyników wskaźnika odkształcenia wskazuje, że zachowanie się nasypów pod obciążeniem, dla różnych materiałów, jest zmienne, pomimo że badania wykonywano na nośnym podłożu rodzimym. Obecnie stosowane przepisy i normy nie dopuszczają możliwości indywidualnego doboru wielkości parametrów zagęszczenia i nośności nasypu w zależności od użytego kruszywa i jego cech jakościowych. Wydaje się, że celowe byłoby rozważenie dopuszczenia możliwości wyznaczania określonych parametrów jakości nasypów (np. Io) w odniesieniu do danego materiału. Jest to szczególnie istotne w przypadku, gdy określony materiał ze względu np. na skład petrograficzny, kulistość ziarn lub inne specyficzne cechy odróżnia się od większości kruszyw stosowanych w Polsce.

Literatura:

  1. Arquie G.: Zagęszczanie. Drogi i pasy startowe. WKiŁ. Warszawa 1980,
  2. Bardel T.: Ocena wyników badań płytą VSS kruszywa ze złóż aluwialnych z rejonu Tarnowa. Górnictwo i geologia, Zeszyt 2, T.2,2012 r.,
  3. Sulewska M.J.: Sztuczne sieci neuronowe w ocenie parametrów zagęszczenia gruntów niespoistych. PAN, W-wa-Białystok 2009,
  4. PN-S-02205:1998   Drogi samochodowe. Roboty ziemne. Wymagania i badania.