grunty organiczne · biogeniczne, hydrogeniczne i mineralne. ... bałtykiem, wzdłuż...
TRANSCRIPT
Piotr Jermołowicz – Inżynieria Środowiska Szczecin
GRUNTY ORGANICZNE
Grunty organiczne są to grunty, w których zawartość substancji organicznej przekracza 2 %.
Zaliczane są do gruntów typowo słabonośnych, czyli takich, które pod obciążeniem ulegają
znacznym odkształceniom.
Samo określenie słaby grunt lub podłoże jest pojęciem względnym. W opracowanych wieluwytycznych słabonośne podłoże definiowane jest jako warstwy gruntu nie spełniającewymagań wynikających z warunków nośności lub stateczności albo warunków przydatnoścido użytkowania w odniesieniu oczywiście do rozpatrywanego obiektu lub elementukonstrukcji.Charakterystyczną cechą tych gruntów jest niska wytrzymałość na ścinanie i duża ściśliwość
i wynika z obecności w ich masie substancji organicznych oraz koloidalnej fazy ciekłej.
Rys.1 Schemat odkształcenia słabego podłoża pod nasypem.
Tab. 1. Typowe wartości modułów ściśliwości Mo dla wybranych gruntów organicznych
źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Zgodnie z normą PN-86/B-02480 wśród gruntów organicznych wyróżnia się:
grunty próchniczne H - grunty nieskaliste, w których zawartość części organicznych
jest większa od 2%, i jest wynikiem wegetacji roślinnej oraz obecności mikroflory
i mikrofauny, namuły Nm - grunty powstałe na skutek osadzania się substancji mineralnych
i organicznych w środowisku wodnym (rozróżnia się: namuły piaszczyste Nmp
-mające właściwości gruntu niespoistego oraz namuły gliniaste Nmg - odpowiadające
gruntom spoistym), gytie Gy - namuły z zawartością węglanu wapnia ponad 5%, który może wiązać
szkielet gruntu, nadając mu charakter gruntu skalistego o niskiej wartości Rc, torfy T - grunty powstałe z obumarłych i podlegających stopniowej karbonizacji
części roślin; torfy cechuje na ogół zawartość części organicznych większa od 30%, węgle brunatne WB i kamienne WK - grunty skaliste, powstałe na skutek silnej
karbonizacji substancji roślinnych.
Rys.2. Podział gruntów organicznych (PN-86/B-02480)
Poprzez swoją złożoność struktury grunty te nie są w żaden sposób znormalizowane, tj. nie
ma zestawień ich parametrów, a badając należy każdorazowo wykonać pełny zakres badań
terenowych jak i laboratoryjnych.
źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
W podziale gruntów organicznych przyjmowane są kryteria:
zawartość części organicznych Iom,
zawartość CaCo3,
siedlisko i geneza powstania.
Według normy klasyfikacyjnej PN-86/B-02480 oraz Instrukcji badań podłoża gruntowego
(1998) wyróżnia się:
grunty próchniczne (2%<Iom<5%) — grunty nieskaliste, w których zawartość części
organicznych jest wynikiem wegetacji roślinnej oraz obecności mikroflory i
mikrofauny,
grunty mineralno-organiczne (5%<Iom<15%), powstałe w zagłębieniach poza dolinami
rzek,
namuły (5%<Iom<30%), z podziałem na namuły piaszczyste i namuły gliniaste; grunty
powstałe w wyniku osadzania się substancji mineralnych i organicznych
w środowisku wodnym, osady akumulacji rzecznej facji starorzecza lub deltowej,
gytie mineralne (5%<Iom<30%, 12%<CaCO3<80%), namuły z zawartością węglanu
wapnia > 5%,
gytie organiczne (Iom>30%, 20%<CaCO3<80%),
kreda jeziorna (CaCO3>80%),
torfy (Iom>30%), grunty powstałe z obumarłych i podlegających stopniowej
karbonizacji części roślin.
Wyróżnia się wśród torfów:
- torfy słabo rozłożone (stopień rozkładu torfu wg skali von Posta: H1 – H3),
- torfy średnio rozłożone (stopień rozkładu torfu wg skali von Posta: H4 – H6),
- torfy silnie rozłożone (stopień rozkładu torfu wg skali von Posta: H7 – H10),
- torfy zamulone,
węgle brunatne i węgle kamienne - grunty skaliste powstałe w wyniku silnej
karbonizacji substancji roślinnych.
źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Tab. 2. Podział gruntów nieskalistych, organicznych ze względu na zawartość części organicznych
Dodatkowym kryterium podziału na grunty mineralne i organiczne może być zawartość
części mineralnych wyrażonych przez popielność. Najczęściej do gruntów organicznych
zalicza się grunty o popielności nieprzekraczającej 95 %.
W rozszerzonych laboratoryjnych badaniach gruntów organicznych celowe jest oznaczenie
następujących właściwości fizycznych:
uziarnienia i granic konsystencji (wg PN-88/B-04481),
zawartości części organicznych metodami: utleniania (gdy zawartość substancji
organicznej nie przekracza 10%) i prażenia (gdy w badanych próbkach nie występują
węglany) lub metodą Tiurina (metoda uniwersalna),
popielności,
zawartość węglanu wapnia metodą Scheiblera,
stopnia rozkładu torfu wg skali von Posta,
gęstości: objętościowej i właściwej,
wilgotności naturalnej (wg PN-88/B-04481)
Cechą charakterystyczną nieskonsolidowanych gruntów organicznych jest ich prawie zawsze
duża wilgotność wn=100 ÷ 2000%, duża porowatość, mała wytrzymałość na ścinanie τ f = 5 –
50 kPa, duża ściśliwość oraz znaczna przestrzenna zmienność właściwości fizycznych
i mechanicznych, a także zmiany tych właściwości w czasie spowodowane procesami
biologicznymi i chemicznymi. Lepsze parametry geotechniczne mają grunty organiczne
przykryte nadkładem gruntu rodzimego lub nasypowego o miąższości kilku lub kilkunastu
metrów.
Ze względu na wrażliwość gruntów organicznych na naruszenie struktury, próbki gruntów do
badań laboratoryjnych należy pobierać specjalnym próbnikiem.
źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Próbki o nienaruszonej strukturze (NNS) klasy A1 służą do wykonania wszystkich badań
omówionych przy próbkach o naturalnym uziarnieniu i o naturalnej wilgotności oraz do:
oznaczenia ciężaru objętościowego, ciężaru objętościowego szkieletu gruntowego, porowatości i wskaźnika porowatości, oznaczenia zagęszczenia, edometrycznego oznaczenia modułu ściśliwości i modułu odprężenia, oznaczenia cech wytrzymałościowych - kohezji i kąta tarcia wewnętrznego
współczynników konsolidacji Cv , Ch
parametrów ciśnienia wody porowej i
współczynników Ψ, υ.
Do pobierania tego typu gruntów, bardzo często będących w stanie miękkoplastycznym lub
płynnym stosowane są próbniki rdzeniowe.
Konstrukcja wszystkich tego rodzaju przyrządów polega na zamknięciu cylindra od góry
zaworem, który uniemożliwia dostęp powietrza do komory znajdującej się nad próbką. Zawór
umożliwia odpływ powietrza i wody w czasie wciskania stalowego cylindra w grunt.
Utrzymanie próbki gruntu w cylindrze w czasie jego wyciągania z otworu wiertniczego
możliwe jest wskutek tarcia gruntu o ścianki cylindra oraz różnicy ciśnień pod i nad próbką.
Na próbkę od dołu działa ciśnienie atmosferyczne, nad próbką zaś w komorze aparatu,
w razie minimalnego przesunięcia się próbki w dół, powstaje ciśnienie mniejsze od
atmosferycznego.
Przyrząd i cylindry do pobierania próbek powinny mieć konstrukcję dostatecznie wytrzymałą
i nieodkształcalną. Średnica wewnętrzna cylindra powinna wynosić około 100 mm,
a wysokość około 250 mm.
źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Rys. 3. Przyrząd do pobierania próbek gruntu NNS (wg Normy PN/B-04451) [4]
1 – żerdź wierdtnicza, 2 – zawór, 3 – komora, 4 – uszczelna, 5 – cylinder
Fot. 1. Widok próbnika rdzeniowego
źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Właściwe przechowywanie próbek NW i NNS wymaga spełnienia następujących warunków:
temperatura otoczenia nie może być niższa niż 0°C, próbki nie mogą być przechowywane w miejscach nasłonecznionych lub sztucznie
nagrzewanych, od daty pobrania próbki do czasu jej zbadania w laboratorium nie powinno upłynąć
więcej niż dwa dni.
W czasie transportu szczególną uwagę należy zwrócić, aby próbki NW i NNS nie podlegały
wstrząsom. Próbki te należy przewozić w pozycji stojącej, najlepiej w skrzyniach wypełnio-
nych np. trocinami lub podobnym materiałem zabezpieczającym słoje i cylindry przed
przesuwaniem i uderzaniem o siebie.
Wobec trudności w pobieraniu próbek dobrej jakości i odtworzeniu ich naturalnej struktury w
laboratorium, zaleca się w jak najszerszym zakresie wykonywanie badań gruntów
organicznych metodami polowymi. W badaniach terenowych do określania parametrów
mechanicznych przydatna jest sonda obrotowa, świder talerzowy, sonda wciskana CPT oraz
sonda z pomiarem ciśnienia wody w porach CPTU.
Każdy typ gruntów organicznych charakteryzuje się odmiennymi właściwościami
inżyniersko-geologicznymi. Wynika to przede wszystkim z innych warunków sedymentacji,
co sprawia, że charakter substancji organicznej oraz ich właściwości strukturalne, chemiczne,
fizykochemiczne, mineralne, fizyczne i wynikające z nich mechaniczne są bardzo
zróżnicowane. Każdy z gruntów musi być zatem rozpatrywany indywidualnie, zarówno z
punktu widzenia oceny ich właściwości, jak i przyczyn ich kształtowania się.
W zależności od warunków klimatycznych i biologicznych substancja organiczna w warstwie
glebowej może ulegać całkowitemu rozkładowi, czyli mineralizacji, lub też przekształceniu w
próchnicę, czyli humifikacji. Udział w tych procesach bierze przede wszystkim mikroflora
(bakterie, grzyby i glony) oraz częściowo mikro- i mezofauna.
Przeobrażanie substancji organicznej w składniki nieorganiczne (mineralizacja) pod wpływem
rozkładu mikrobiologicznego może przebiegać w różnych warunkach wodnych i
atmosferycznych, dlatego rezultatem są różne produkty końcowe.
Bardziej złożony jest proces humifikacji. W wyniku humifikacji następuje rozkład związków
zawartych w obumarłej substancji organicznej, powstają nowe związki, zachodzą zmiany
fizykochemiczne i chemiczne związków bardziej odpornych oraz polimeryzacja i kondensacja
powstających produktów. Humifikacja ma charakter przede wszystkim biochemiczny.
Powstaje złożona, koloidalna substancja – próchnica.
źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Kwasy humusowe związane z procesami zachodzącymi w substancji organicznej mają wpływ
na korozyjność w stosunku do konstrukcji budowlanych.
Tab. 3. Własności korozyjne gruntu w zależności od składu chemicznego
i domieszek organicznych wg normy BN-66/2330-01
Dla większości gruntów organicznych naturalnym środowiskiem sedymentacyjnym są jeziora
i bagna.
Wśród osadów jeziornych dominują:
biogeniczne, hydrogeniczne i mineralne.
W osadach dolin rzecznych (madach) może natomiast znajdować się zarówno substancja
organiczna przyniesiona przez wodę, np. z rozmytych utworów glebowych (często w postaci
kompleksów organiczno-mineralnych), jak i substancja dopiero powstała w dolinie w
warunkach jej zabagnienia pod wpływem nadmiernego uwilgotnienia. Na ogół jednak ilość
substancji organicznej przedostającej się do dolnych warstw mad jest niewielka, tak że w
większości przypadków są to grunty organiczno-mineralne różniące się od gruntów
próchniczych pochodzenia lądowego dalszym stadium przeobrażenia substancji organicznej w
warunkach wyższego uwilgotnienia.
Klasyfikacja osadów biogenicznych jezior i bagien jest złożona i często niejednoznaczna, co
wynika z różnego stopnia uwęglenia szczątków roślinnych, a to utrudnia identyfikację
wchodzących w skład związków chemicznych. Związki humusowe są adsorbowane na
powierzchni minerałów ilastych. Uważa się, że ponad 50 % obecnej w wodzie substancji
humusowej jest transportowane razem z innymi minerałami.
Dlatego też, właściwości mechaniczne gruntów organicznych zawierających substancje
źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
organiczne, zależą także od zawartości części mineralnych.
Części mineralne wchodzące w skład gruntów organicznych to:
okruchy skalne, minerały pierwotne (frakcja piaszczysta i pylasta), minerały wtórne (frakcja ilasta), węglany i sole mineralne.
Duży wpływ na inżyniersko-geologiczne właściwości niektórych gruntów organicznych (np.
gytii i kredy jeziornej) ma obecność w nich węglanów i innych soli.
Podstawowym składnikiem mineralnym kształtującym właściwości gruntów, w tym gruntów
organicznych, jest frakcja iłowa i zawarte w niej minerały ilaste zaliczane do krzemianów
warstwowych. We frakcji iłowej obok minerałów ilastych grupują się związaki żelaza i glinu
oraz krzemionka bezpostaciowa, mająca również znaczny wpływ na właściwości gruntu,
a także w niewielkich ilościach inne składniki.
Rozpoznanie składu mineralnego frakcji iłowej gruntów organicznych oraz w niektórych
przypadkach zawartości węglanów jest jednym z podstawowych elementów przy ich ocenie
jako gruntów budowlanych.
W osadach bagiennych dominują :
osady sapropelowe jezior (szczątki roślinne i zwierzęce – plankton), osady humusowe torfowisk (szczątki roślin lądowych).
Sapropele dzielą się z kolei na:
dy i gytię
Gytia może dodatkowo przechodzić w kredę jeziorną, jeżeli zawartość CaCO3 przekroczy
80 % masy.
źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Rys. 4. Ogólna klasyfikacja osadów [9]
Dy – osady zbiorników dystroficznych o zawartości (przekraczającej 50 % masy) substancji
organicznej podobnej do torfu.
Gytia – jest to podstawowa masa osadów sapropelowych. Dominuje w jeziorach i woda
bogatą w tlen i substancję organiczną – głownie plankton. Charakterystyczną cechą
jest obecność naniesiny substancji organicznych, CaCO3 i części mineralnych
(niewęglowych).
Torfy – powstają przeważnie w strefie brzegowej jezior lub w zarastających zbiornikach i
bagnach.
Muł – osad powstający w zbiornikach wodnych i jeziornych. Ze wszystkich poprzednich
osadów jest najbardziej rozpowszechnionym. Jest to osad mineralny pylasto-ilasty z
domieszkami organicznymi. Bardzo często uznajesie muły jako utwór organiczny
pośredni między torfem a gytią.
Namuły – są to grunty facji powodziowej z nanosem piaszczystym lub gliniastym.
źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Tab. 4. Podział gruntów organicznych
Duża wrażliwość gruntów organicznych w stosunku do wody, znaczna ściśliwość, niska
wytrzymałość na ścinanie oraz wysoki skurcz dają podstawy do zaliczenia tych gruntów do
słabonośnych.
Torfy w torfowiskach mogą występować bez nadkładu lub pod przykryciem warstwy murszu
albo gleby - kożucha torfowego.
Naturalna sekwencja osadów w torfowiskach jest na ogół następująca:
podłoże mineralne, podłoże mineralne wzbogacone w węglan wapnia (kreda jeziorna) i gytia, torf.
Występowanie torfów na świecie głównie jest związane z obszarami stosunkowo chłodnego i
wilgotnego klimatu na półkuli północnej. W Europie najwięcej torfowisk znajduje się w
obszarach, które były zlodowacone w plejstocenie. Europa zajmuje pierwsze miejsce na
świecie pod względem wielkości torfowisk. Występują one na polodowcowych obszarach nad
Bałtykiem, wzdłuż południowo-wschodniego wybrzeża Morza Północnego oraz w
północnych i środkowych regionach Rosji.
W Ameryce Północnej największe siedliska torfowisk znajdują się w Kanadzie.
źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Rys. 5. Zasięg maksymalnego zlodowacenia w Europie (str. www z Internetu)
Tab. 5. Zakresy wartości pH dla wybranych typów torfów
źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Tab.6. Skala van Posta
Gytie są jeziornym utworem organicznym osadzającym się w słodkowodnych zbiornikach
wód stojących, najczęściej w rynnach polodowcowych oraz jeziorach wytopiskowych.
Powstały w holocenie oraz u schyłku plejstocenu. Gytie powstają ze szczątków roślin
i zwierząt bogatych w tłuszcze i białka (w przeciwieństwie do roślin, z których powstaje torf,
bogatych w węglowodany).
Gytie składają się z :
części organicznych, węglanu wapnia oraz części mineralnych bezwęglanowych.
W zależności od przewagi jednego z tych składników wydziela się różne odmiany gytii.
źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Tab.7. Podział gytii
Tab.8. Klasyfikacja osadów jeziornych
Obszary torfowisk, gytiowisk, z zalegającymi namułami, madami lub najczęściej będącychkonglomeratami tych utworów, a będących w kręgu zainteresowania inżynierskiegowykorzystania do posadowień różnych obiektów budowlanych wymagają specyficznegopodejścia już na etapie wstępnego rozpoznania geotechnicznego.Nie istnieje tym samym jedno kryterium dla gruntów słabonośnych, określające podłoże jakowymagające wzmocnienia. Konieczność wzmocnienia podłoża zależy przede wszystkim odcech podłoża, rodzaju budowli oraz stawianych wymagań.
Wymóg ulepszenia słabego podłoża, jego wzmocnienia lub modyfikacji przekrojupoprzecznego nasypów wraz z technologią ich wznoszenia pojawia się, gdy :
w podłożu nawierzchni drogowych grunty nie spełniają określonych kryteriów
odnośnie rodzaju gruntów i uziarnienia, wskaźnika zagęszczenia Is, modułu odkształcenia E2 oraz stosunku modułów E2 / E1,
w podłożu budowli ziemnych zalegają grunty bardzo ściśliwe, o małej lub nietrwałej
wytrzymałości oraz niestabilnej strukturze, grunty o małej wytrzymałości ( cu do 50 kPa ) i bardzo ściśliwe ( moduł do 5 MPa ), przede wszystkim grunty organiczne i nasypowe ( antropogeniczne ) ; grunty o niestabilnej strukturze ( pęczniejące, zapadowe – lessowe i ulegające deformacjom filtracyjnym – sufozji, podatne na
źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
upłynnienie itp. ), tereny osuwiskowe, krasowe i zagrożone deformacjami górniczymi,
w podłożu fundamentów budowli zalegają grunty o wytrzymałości i ściśliwości nie
zapewniających spełnienia wymagań dotyczących stanów granicznych nośności i użytkowania konstrukcji
Tym samym dokładne określenie parametrów fizyko-mechanicznych gruntów podłoża,szczególnie na próbkach klasy jakości A1 (NNS), wykonanych z pełną świadomością celuokazuje się nieodzowne. Dla gruntów organicznych, gdy dochodzi dodatkowo reologia i konsolidacja (przyśpieszenie drenażem pionowym), należy wykonać badania:
kąta tarcia wewnętrznego i kohezji,
wilgotności naturalnej,
modułów odkształcenia,
współczynników konsolidacji dla przepływów pionowych i poziomych Cv , Ch
parametrów ciśnienia wody porowej i
współczynników Ψ, υ.
Nasyp posadowiony na gruntach słabonośnych, np. gruntach organicznych, powodujeznaczne odkształcenia, które w przypadkach krytycznych przybierają postać wyparciapodłoża związanego z osuwiskiem skarp lub jego zatonięciem ( pogrążaniem się ).Budowie nasypu na gruntach organicznych zawsze towarzyszy intensywne osiadanie,niespotykane przy gruntach mineralnych.Przebieg, charakter i zakres odkształceń zależy od stanu i układu warstw gruntów słabych wpodłożu, od wielkości i rozkładu obciążeń przekazywanych przez nasyp, jego kształtu orazintensywności ich przyrostu.
Według Eurokodu 7 dla obciążenia pionowego i nasypu ( B/L ≈ 0 ) opór graniczny słabego podłoża (Øu ≈ 0 ) wynosi:
qf = 5,14 cu + DγD
gdzie : D - zagłębienie nasypu poniżej poziomu terenu , m, γD – ciężar objętościowy gruntu w strefie D, kN/m3.
Swoiste przesłanie, które zawarł w swojej książce Wiłun, że „wszystkie grunty mają swoją
pamięć i kodują w niej oddziaływania środowiska” nabiera znaczenia przy wyznaczaniu
parametrów nośności i odkształcalności również w przypadku gruntów organicznych.
Przeszłość geologiczna i powstanie określonych osadów na badanym terenie jest synergią
cech fizyko-mechanicznych tych gruntów.
źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl
Literatura :
1. Borys M. : Metody modernizacji obwałowań przeciwpowodziowych z zastosowaniemnowych technik i technologii. Wyd. IMUZ, Falenty 2006
2. Bzówka J. [i in.] : Geotechnika komunikacyjna. Wyd. P. Śl.,Gliwice 20133. Dębski W., Sokalski K.: Materiałoznawstwo drogowe z geologią i petrografią. PWSZ
19674. Ignut R.[i in.]: Terenowe badania geologiczno-inżynierskie. Wyd.Geologiczne, W-wa
19735. Jermołowicz P.: Nasypy na gruntach słabonośnych – optymalizacja przekroju
poprzecznego oraz określanie stref naprężeń w podłożu. Mat. szkoleniowe. ZOIIB, Szczecin 2010
6. Jermołowicz P.: Wykonywanie robót ziemnych na gruntach słabych, wysadzinowych i podmokłych. Mat. szkoleniowe. LOIIB, Lublin 2013
7. Kostrzewski W.: Mechanika gruntów. Parametry geotechniczne gruntów budowlanychoraz metody ich wyznaczania. PWN. Warszawa 1980
8. Molisz R., Baran L., Werno M.: Nasypy na gruntach organicznych. WKŁ, Warszawa 1986
9. Myślińska E.: Grunty organiczne i laboratoryjne metody ich badania. PWN, Warszawa2001
10. Poradnik wzmocnienia podłoża gruntowego dróg kolejowych. Pod red. Z. Biedrowskiego. Poznań 1986
11. Wiłun Z.: Zarys geotechniki. WKŁ. Warszawa 201312. Wytyczne wzmacniania podłoża gruntowego w budownictwie drogowym. IBDiM,
Warszawa 200213. PN-86/B-02480. Grunty budowlane.14. PN-B-04452:2002. Geotechnika. Badania polowe.15. PN-B-02479:1998. Dokumentowanie geotechniczne. Zasady ogólne.16. PN-B-04481:1998. Grunty budowlane. Badania laboratoryjne.
źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl