Geologiczno-inżynierskie badania terenowe.
Nawiązując do podstawowych zadań geologii inżynierskiej, chciałbym przedstawić wstępną charakterystykę terenowych badań geologiczno-inżynierskich. Ich celem jest ocena warunków gruntowo-wodnych w rejonie planowanej inwestycji. W celu rozwiązania takiego zadania należy zwrócić szczególną uwagę na te elementy środowiska geologicznego, które w bezpośredni sposób wpływają na warunki wykonania, eksploatacji oraz parametry projektowanej konstrukcji a przede wszystkim na bezpieczeństwo jej użytkowników. Zatem zgodnie z definicją geologii inżynierskiej trzeba właściwie rozpoznać i rozwiązać problemy współpracy przyszłego obiektu inżynierskiego i podłoża gruntowego. Oceny tej dokonujemy wykorzystując zakres wiedzy dostępny geologii stosowanej.
Podstawowym celem badań terenowych jest dostarczenie informacji o gruncie w stanie naturalnym. Poza aktualną oceną warunków geologiczno-inżynierskich, swoistym elementem jest tutaj prognoza zachowania się ośrodka gruntowego w czasie, tj. na przestrzeni kilkudziesięciu i więcej lat. Jest to możliwe do zrealizowania przy dobrej znajomości zjawisk i procesów zachodzących w przyrodzie w skali geologicznej.
Terenowych badań geologiczno-inżynierskich nie można prowadzić w oderwaniu od znajomości geologii regionalnej. Właściwa ocena zmienności strukturalnej (przewidywany układ warstw, zasięg przestrzenny, cechy fizyczno-mechaniczne) wymaga zwrócenia uwagi na lokalną budowę geologiczną, geomorfologię a następnie na wykształcenie litologiczne (skład granulometryczny, mineralny, strukturę). Do pewnego stopnia spostrzeżeń tych można dokonać bez fizycznej ingerencji w podłoże gruntowe (robót geologicznych), lecz w większości przypadków, które obejmują dokumentowanie geologiczno-inżynierskie dla potrzeb inwestycyjnych, wykonuje się wiercenia badawcze.
Wiercenia geologiczne są podstawowym sposobem analizy budowy geologicznej (podłoża gruntowego). Polegają na wykonywaniu pionowych otworów wiertniczych o średnicy od ok. 50 mm do 300 mm. Głębokość rozpoznania dla celów geologiczno-inżynierskich z reguły nie przekracza 30 m. Wiercenia umożliwiają:
- pobieranie próbek gruntów
- ustalenie profilu geologicznego (rodzaju gruntów i układu warstw)
- ustalenie cech fizyczno-mechanicznych gruntów (na podstawie uzyskanych próbek)
- przeprowadzenie obserwacji hydrogeologicznych oraz pobieranie próbek wód
- przeprowadzenie innych badań np. geofizycznych, próbnych obciążeń
Wyniki wiercenia przedstawia się w formie metryki lub karty dokumentacyjnej otworu.
Rys. 1a. Karta dokumentacyjna otworu wiertniczego
Wykonywanie wierceń może odbywać się ręcznie (najczęściej do 6-8 metrów) lub mechanicznie za pomocą mechanicznych lub hydraulicznych zestawów wiercących - wiertnic. Przykładowe narzędzia wiertnicze prezentują poniższe zdjęcia.
Rys. 1. Świdry okienkowe do wierceń ręcznych w gruntach spoistych i sypkich – materiały firmy Eijkelkamp.
Rys. 2. Świdry do wierceń ręcznych (świder spiralny do gruntów zwartych, grajcar do wyciągania kamieni – po lewej, szapa do gruntów półzwartych – po prawej) – materiały firmy Eijkelkamp.
Rys. 3. Zestaw narzędzi wiertniczych i przyrządów pomocniczych do wierceń ręcznych – materiały firmy Eijkelkamp.
Rys. 4. Lekka wieża wiertnicza z napędem spalinowym – materiały firmy ZNWIG W. Szkurłat.
Rys. 5. Wiertnica na podwoziu Gazeli – materiały firmy WAMET (spiralne świdry w kolorze czarnym ułożone na platformie potocznie nazywane są sznekami).
Specyficznym rodzajem wierceń są wiercenia rdzeniowane. Dzięki zastosowaniu koronki ze specjalnych spieków uzyskuje się w trakcie wiercenia próbki skał i gruntów spoistych o strukturze nienaruszonej w kształcie walca. Aby próbka gruntu spoistego zachowała swoją strukturę stosuje się koronki podwójne a nawet potrójne w celu zabezpieczenia jej przed rozmywaniem.
Rys. 6. Przykładowe koronki wiertnicze (Źródło nieznane).
Wiercenie rdzeniowane umożliwia pobór próbek w sposób ciągły lub punktowo z wybranych głębokości. W dalszym etapie istnieje możliwość opracowania profilu geologicznego, charakterystyki geochemicznej, charakterystyki fizycznej, charakterystyki wytrzymałościowej pobranych próbek gruntowych.
Metody wykonywania otworów dzielą się w zależności od sposobu zwiercania skał (gruntu) na:
- Wiercenia udarowe – energia urabiania skał wywierana jest za pomocą cyklicznych uderzeń świdra w dno otworu
- Wiercenia obrotowe – wiercenie postępuje dzięki naciskowi i ruchowi obrotowemu świdra w otworze (większość wierceń)
Ze względu na sposób wynoszenia urobku z dna otworów wiercenia podzielić można na:
- Wiercenia suche – proces wiercenia prowadzony jest bez dodatkowych płynów chłodzących, urobek jest wynoszony systematycznie na powierzchnię
- Wiercenia płuczkowe – w trakcie wiercenia stosuje się płuczkę, tj. specjalną emulsję, której zadaniem jest chłodzenie narzędzia wiertniczego, zmniejszenie tarcia przewodu wiertniczego, wynoszenie zwiercin a także zmniejszanie ciężaru narzędzia wiertniczego na zasadzie wyporu hydrostatycznego.
Ze względu na sposób napędzania narzędzia wiertniczego możemy wyróżnić:
- Wiercenia udarowe-mechaniczne – jest to sposób wiercenia udarowego wykorzystujący koło mimośrodowe z napędem hydraulicznym lub mechanicznym
- Wiercenia ręczne-okrętne – wiercenia obrotowe wykonywane siłą ludzkich mięśni.
Wśród wielu rodzajów wymienionych wierceń, poszczególne typy wybierane są stosownie do zadania geologicznego. Dla inwestycji niewielkich, takich jak domy jednorodzinne, bardzo często wystarczają świdry ręczne, ze względu na niewielkie głębokości rozpoznania (ok. 5 m). W przypadku budynków wielorodzinnych lub teą obiektów przemysłowych najczęściej stosuje się wiercenia mechaniczne obrotowe, które wykonywane są za pośrednictwem samojezdnych wiertnic z napędem hydraulicznym.
Ilość, rozstaw a także i głębokość wierceń są zależne od stopnia skomplikowania budowy geologicznej, rozmiarów, funkcji planowanego obiektu, czynników konstrukcyjnych oraz rodzaju inwestycji. W odpowiednim zakresie badania tego typu regulują stosowne normy (np. PN-B-02479).
Do badań jakościowych, pozwalających ustalić rodzaj gruntów, używa się także próbników przelotowych, wciskanych statycznie w podłoże bądź wbijanych dynamicznie. Mają one postać odpowiednio wyprofilowanych i twardych rur stalowych.
Rys. 7. Próbniki firmy BORROS o różnej średnicy (po lewej) oraz cienkościenne próbniki firmy SHELBY o średnicy 90 mm (po prawej).
Dzięki wierceniom, próbnikom przelotowym jak również w trakcie wykonywania wkopów badawczych i szurfów pozyskujemy próbki gruntów podłoża. Ze względu na ich jakość określono trzy rodzaje próbek pobieranych do badañ:
- Próbka o naturalnej nienaruszonej strukturze – NNS – uznaje się, że można ją uzyskać za pomocą próbników cienkościennych, lecz najlepsze próbki otrzymuje się z pobranych w wykopach monolitów gruntowych.
- Próbka o naturalnej wilgotności – NW – naturalna struktura osadu została zaburzona, występują liczne deformacje postaciowe, lecz próbka posiada zachowaną naturalną wilgotność
- Próbka o naturalnym uziarnieniu– NU – charakteryzuje się naruszonę strukturą, zmienioną wilgotnością lecz zachowanym pierwotnym składem granulometrycznym.
Próbki powinny być przechowywane w sposób zapewniający zachowanie naturalnych cech gruntu (struktury, wilgotności, uziarnienia). W praktyce wykorzystuje się do tego lodówki. Mimo to po okresie kilku tygodni zmiany strukturalne w próbce są już znaczące.
W terenie na uzyskanych próbkach przeprowadza się wstępne badania makroskopowe. Obejmują one określenie:
- Rodzaju (nazwy) – na podstawie cech strukturalnych i próby wałeczkowania
- Stanu (twardoplastyczny, zagęszczony) – na podstawie próby wałeczkowania
- Wilgotności (mało wilgotny, mokry, nawodniony)
- Barwy
- Zawartości CaCO3 – z zastosowaniem 10% kwasu solnego.
Badania te są niezbędne w celu ustalenia profilu i sporządzenia karty dokumentacyjnej otworu (rys 1a). Stanowią podstawowe dane wyjściowe do opracowania modelu budowy geologicznej. Dodatkowo, na wybranych próbkach wykonuje się badania laboratoryjne (analizy uziarnienia, badanie granic konsystencji). Pełna charakterystyka i staranne określenie cech gruntu w trakcie badań makroskopowych pozwala na sporządzanie wartościowych opracowań geologiczno-inżynierskich.
W badaniach makroskopowych wskazane jest używanie prostych przyrządów, takich jak penetrometr tłoczkowy (PP) i ścinarka obrotowa (TV). Są to kieszonkowe przyrządy służące określaniu stanu gruntów spoistych (PP) oraz ich wytrzymałości na ścinanie (TV). Stan gruntów spoistych określa się na podstawie siły Qf potrzebnej do zagłębienia trzpienia penetrometru tłoczkowego na ok. 6 mm w głąb gruntu. Następnie z poniższego nomogramu odczytujemy wartość stopnia plastyczności IL. Wytrzymałość na ścinanie τfu określa się odczytując moment obrotowy Mf na tarczy przyrządu pomiarowego skorygowany na rozmiar końcówki ścinającej KTV.
Rys. 8. Penetrometr tłoczkowy PP (Pocket Penetrometer) i nomogram do określania stopnia plastycznoœci IL na podstawie oporu wciskania znormalizowanego trzpienia.
Wytrzymałość na ścinanie
τfu=Mf*KTV
Mf - użyty do ścięcia moment obrotowy
KTV - współczynnik zależny od średnicy końcówki
Rys. 9. ścinarka obrotowa (TV).
Sondowania umożliwiają w sposób pośredni określić parametry gruntów. Pozwalają charakteryzować podłoże na podstawie oporu stawianego przez grunt przy wbijaniu, wciskaniu i wkręcaniu różnych końcówek.
W badaniach polowych stosuje się:
- Sondowania dynamiczne (SD-10, SD-30, SD-50, SD-63,5)
- Sondowanie dynamiczne sondą cylindryczną (SPT)
- Sondowania statyczne (CPT, CPTU)
- Sondowanie sondą obrotową (VT)
Sondowania dynamiczne polegają na cyklicznym wywieraniu udaru na żerdzie i końcówkę badawczą. Zlicza się przy tym liczbę uderzeń potrzebnych do zagłębienia sondy o 10 cm (N10), 20 cm (N20) lub 30 cm (N30) dla sondy SPT. W wyniku sondowań dynamicznych uzyskujemy głównie stopień zagęszczenia ID gruntów sypkich (jeśli zastosujemy sondę cylindryczną SPT możemy dodatkowo określić stopień plastycznoœci IL dla gruntów spoistych). Badanie rozpoczynamy na powierzchni terenu i kontynuujemy do zaplanowanej głębokości (maksymalnie ok. 10 m dla sondy SD-10).
W sondowaniach dynamicznych typu SD końcówka badawcza ma postać buławy (rys. 10) umieszczonej na początku wycechowanych żerdzi.
Rys. 10. Dwie końcówki badawcze sondy SD-10; pierwsza o kącie wierzchołkowym 90o, druga o kącie wierzchołkowym 60o (dawna sonda lekka SL).
Rys. 11. Zasadnicze elementy mechanicznej wersji sondy SD-10.
Rys. 12. Sonda SD-10 z napędem pneumatycznym zasilanym silnikiem spalinowym.
Wartość liczbowa umieszczona za symbolem SD oznacza masę odważnika (tzw. „baby”) spadającego z odpowiedniej wysokości i wywierającego udar na „podbabnik”.
Na podobnej zasadzie działają sondy SD-30, SD-50, oraz SD-63,5. Zmienia się tylko masa spadającego odważnika i wytrzymałość podzespołów. Większa masa odważnika sprawia, że sondowanie może przebiegać szybciej i osiągnąć większą głębokość badawczą.
Rys. 13. Nomogram do oceny zagęszczenia gruntów sypkich ID na podstawie sondowań dynamicznych (wg PN-B-04452).
Sondowania dynamiczne stosuje się do:
- Rozpoznania podstawowych cech gruntów niespoistych w warunkach naturalnych, przede wszystkim stopnia zagęszczenia
- Wydzielania warstw i soczewek gruntów słabych
- Określenie głębokości podłoża nośnego
- Okonturowania warstw o odmiennych cechach.
Specyficznym rodzajem sondowania dynamicznego jest badanie stanu gruntu sondą cylindryczną SPT (Rys. 14). W odróżnieniu od wcześniej wymienionych sond, badanie SPT wykonuje się punktowo w otworze wiertniczym. Najpierw podwiercamy do zaplanowanej głębokości a następnie zapuszczamy sondę na dno otworu i rozpoczynamy badanie wykorzystując „babę” o masie 63,5 kg. Ten typ badania pozwala na ocenê zarówno stanu zagęszczenia gruntów niespoistych jak i konsystencji gruntów spoistych. Ponieważ sonda ma postać dwudzielnego cylindra o średnicy zewnętrznej ok. 50 mm, po badaniu uzyskujemy uwięzioną wewnątrz próbkę gruntu o naturalnej wilgotności i naturalnym uziarnieniu.
Rys. 14. Schemat sondy SPT (przekrój podłużny).
Rys. 15. Sonda cylindryczna SPT (prezentacja – po lewej – materiały firmy ZNWIG W.Szkurłat, zagłębiona w otworze – po prawej).
Do bardziej zaawansowanych przyrządów służących ocenie parametrów odkształceniowych i wytrzymałościowych w terenie należy sonda statyczna CPT (Cone Penetration Test). Badanie za jej pomocą podłoża gruntowego polega na statycznym wciskaniu końcówki pomiarowej posiadającej dwa zasadnicze elementy, tj. stożek i tuleję cierną. Wykorzystuje się tutaj konstrukcje mechaniczne (rys. 16) i bardziej zaawansowane – elektroniczne (rys. 17), w których akwizycja danych odbywa się w sposób ciągły. Rejestracja i interpretacja parametrów gruntu opiera się na pomiarze dwóch wielkości, tj. oporu na stożku qf i tarcia na tulei fs w trakcie wciskania końcówki pomiarowej z prędkością 2 cm/s. Rozbudowane modele stożków CPT posiadają kilka czujników ciśnienia porowego u w postaci ringów ze spiekanego brązu. Wówczas badanie oznaczone jest skrótem CPTU.
Rys. 16. Stożek mechaniczny sondy CPT (schemat – po lewej, zdjęcie – po prawej).
Rys. 17. Stożki elektroniczne CPTU z pomiarem ciśnienia wody w porach gruntu.
Bezpośrednio w trakcie badania określamy:
- qc – opór na stożku
- fs – tarcie na tulei
- u – ciśnienie wody w porach gruntu (dodatkowo, zależnie od wersji stożka)
Na podstawie tych dwóch pomiarów, oraz podanych korelacji i empirycznych zależności określamy szereg parametrów gruntu w warunkach in situ (w miejscu występowania).
Rys. 18. Samobieżny napęd hydrauliczny do sondy CPT z systemem kotwiącym – materiały firmy PAGANI.
Sondowanie statyczne z pomiarem ciœnienia wody w porach (CPTU) pozwala na:
- Uzyskanie ciągłego profilu wytrzymałościowego (τfu)
- Identyfikację rodzaju gruntu (np. piaski, gliny, iły)
- Określenia współczynnika prekonsolidacji OCR i współczynnika parcia gruntu w spoczynku Ko
- Określenie kąta tarcia wewnętrznego Φ i stopnia zagęszczenia gruntów niespoistych ID
- Określenie stanu (stopnia plastyczności IL) gruntów spoistych
- Oszacowanie wartości modułów odkształcenia E i M (prognoza wielkości osiadania)
- Projektowanie posadowień obiektów w oparciu o zależności korelacyjne
Wobec licznych informacji uzyskiwanych na temat podłoża gruntowego ten rodzaj badania jest obecnie często stosowany dla oceny parametrów fizyczno-mechanicznych gruntów. Konieczne jest jednak przy tym zastosowanie bardziej zaawansowanych urządzeń wciskających i utrzymujących stałą prędkość pogrążania stożka pomiarowego (rys. 18, rys. 19).
Rys. 19. Napęd hydrauliczny do sondy CPT holenderskiej firmy GOUDA.
Rys. 20. Przykładowe wykresy parametrów wyjściowych w sondowaniu CPT(U).
Badania sondą CPT znalazły szerokie zastosowanie w praktyce. Sonda statyczna stanowi podstawowe narzędzie do terenowej oceny parametrów podłoża w wielu ośrodkach badawczych na świecie. Rozwój technologiczny sprawił, iż powstało wiele nowych modeli stożków, bardziej doskonałych, o większej częstotliwości zapisu i z automatyczną cyfrową rejestracją wyników badań.
Sonda obrotowa (VT od ang. vane test) jest przyrządem służącym do bezpośredniego wyznaczania wytrzymałości na ścinanie τf max gruntów spoistych i słabych. Końcówka zagłębiana w podłoże gruntowe ma postać skrzyżowanych łopatek (krzyżaka – rys. 21). Badanie polega na oznaczeniu maksymalnej siły (momentu obrotowego) potrzebnej do wykonania obrotu krzyżaka umieszczonego na głębokości badania. Dodatkowo na podstawie wykresu zmian wartości siły ścinającej w czasie dokonuje się oznaczenia wytrzymałości minimalnej (rezydualnej) na ścinanie τf min a następnie wrażliwości strukturalnej gruntu IR.
Sondowania sondą obrotową stosuje się do:
- Określenia wytrzymałości na ścinanie w gruntach spoistych (τf < 150 kPa – twardoplastyczne) i gruntach organicznych
- Określenia stref osłabień w gruntach oraz śledzenia strefy poślizgu (w rejonie zboczy i skarp)
- Określenia innych cech gruntów na podstawie zależności korelacyjnych (np. IL)
Rys. 21. Schemat działania końcówki krzyżakowej w gruncie.
Prezentowany typ badania pozwala na określenie wrażliwości strukturalnej gruntu IR na działanie dynamiczne (na naruszenie struktury)
IR = τfu max / τfu min
Jeœli IR < 4 to grunty są niewrażliwe na działanie dynamiczne
Jeœli IR zawiera się w przedziale między 4 i 8 to grunty są wra¿liwe na działanie dynamiczne
Jeżeli IR > 8 wówczas grunty są bardzo wrażliwe na naruszenie struktury
Rys. 22. Sondy typu VT. Polowa Sonda Obrotowa (PSO) – głowica pomiarowa i końcówka krzyżakowa (po lewej); różne rozmiary końcówek krzyżakowych firmy Eijlkelkamp.
W trakcie prowadzenia badań geologiczno-in¿ynierskich należy dokonać obserwacji poziomów wody podziemnej oraz jej przejawów (badania hydrogeologiczne). Należy pomierzyć położenie zwierciadła wody gruntowej oraz zarejestrować poziomy sączeń i poziomy wód zawieszonych. Obserwacje te są niezbędne i stanowią podstawowy element opracowań geologiczno-inżynierskich, gdyż obecność wód podziemnych w strefie prowadzenia prac fundamentowych wpływa na:
- Sposób zabezpieczenia skarp wykopów
- Projektowanie odwodnienia
- Zabezpieczenie wykopu przed deformacjami filtracyjnymi (wyparcie, kurzawka)
- Szczelność realizowanych fundamentów
- Korozję betonu zastosowanego do budowy fundamentów
- Przemarzanie fundamentów
- Zawilgocenie i zalewanie piwnic
- Straty ciepła spowodowane zawilgoceniem fundamentów i posadzki.
Do najważniejszych zalet badań parametrów gruntu w terenie należy:
- Charakterystyka znacznej części przestrzeni gruntowej w postaci ciągłego określania badanych parametrów sondowań, określenie głębokości podłoża nośnego
- Bezpośrednie badania cech mechanicznych w warunkach naturalnych pozwalają otrzymać obiektywne wyniki gdyż są wykonywane w dużej skali i w warunkach naturalnego występowania gruntu
- Badanie cech gruntów w rodzimym stanie naprężeń, w miejscu gdzie grunt będzie pracował
- Szybkie i jednocześnie ekonomiczne otrzymywanie danych o podłożu budowlanym i dlatego dość powszechnie stosowane.
Zakres i rodzaj poszczególnych typów badań dostosowuje się do rodzaju planowanej inwestycji. Odpowiednie wytyczne zawierają właściwe normy.
Podsumowanie
Formułując ogólny schemat geologiczno-inżynierskich badań terenowych należy wymienić następujące rodzaje czynności:
- Prace pomiarowe – geodezyjne
- Prace geologiczne – kartowanie geologiczno-inżynierskie, profilowanie wyrobisk
- Prace wiertnicze
- ręczne
- mechaniczne
- Prace ziemna
- szurfy, szybiki, wkopy badawcze, odkrywki fundamentów
- Prace geofizyczne
- Prace hydrogeologiczne
- Prace geologiczno-inżynierskie
- badania makroskopowe
- pobieranie próbek
- sondowania statyczne i dynamiczne
- ścinanie obrotowe
- badania presjometryczne
- próbne obciążenia płytą
- badania dylatometryczne
Jak widać badania geologiczno-inżynierskie obejmują szerokie spektrum czynności, które wykonuje się dla potrzeb ustalenia geotechnicznych warunków posadowienia obiektów budowlanych.
Z racji wstępnego charakteru prezentacji wymieniłem i zwróciłem uwagę na najczęściej stosowane metody badawcze w trakcie geologiczno-inżynierskich badań terenowych. Ta dziedzina wiedzy ma wybitnie praktyczny charakter, dlatego zdaję sobie sprawę z trudności w wyjaśnieniu i zrozumieniu przedstawionych zagadnień. Osoby zainteresowane wybranymi zagadnieniami proszę o kontakt poprzez moją skrzynkę mailową.