Wprowadzenie
W geotechnice grunty organiczne utożsamiane są z utworami słabymi pod względem mechanicznym, a także odkształcalnymi. Z reguły jest to prawda, ponieważ dotyczy w większości przypadków płytko zalegających utworów czwartorzędowych, które nie podlegały w przeszłości przeciążeniu. Klasyfikacja gruntów organicznych wraz z wdrożeniem norm europejskich (Eurokodów) zmieniła się. Wg starej normy PN-86/B-02480 [6] wyróżnia się:
- grunty próchniczne (2%<Iom<5%) – grunty nieskaliste, w których zawartość części organicznych jest wynikiem wegetacji roślinnej oraz obecności mikroflory i fauny,
- grunty mineralno-organiczne (5%<Iom<15%) – powstałe w zagłębieniach poza dolinami rzek,
- namuły (5%<Iom<30%) – powstałe w wyniku osadzania się substancji mineralnych i organicznych w środowisku wodnym,
- 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 części roślin ulegających stopniowej karbonizacji,
- węgle brunatne,
- węgle kamienne.
Zgodnie z normą PN-EN ISO 14688-2:2006 [9], w zależności od zawartości substancji organicznej, wyróżnia się grunty organiczne (akumulowane in situ) i grunty mineralne z częściami organicznymi (Tab.1). Klasyfikacja gruntów organicznych akumulowanych in situ oparta jest na rodzaju substancji organicznej, rodzaju gruntów organicznych, na pochodzeniu materiału wyjściowego oraz stopniu rozłożenia części organicznych.
Tab. 1. Klasyfikacja gruntów mineralnych zawierających części organiczne [9]
Tab. 2. Oznaczanie i opis gruntu organicznego akumulowanego in situ [9]
Powyżej przytoczone klasyfikacje dotyczą właściwie wyłącznie gruntów naturalnych. Tymczasem spotkać się można z gruntami organicznymi wytworzonymi w wyniku działalności człowieka, lub mineralnymi gruntami naturalnymi zanieczyszczonymi substancjami organicznymi. Ostatnie mogą występować w rejonie terenów zurbanizowanych i rolnych, gdzie nierzadko dochodzi do wycieku ścieków z kanalizacji i zbiorników na nieczystości do gruntu.
Wpływ substancji organicznej na cechy fizyczne i mechaniczne gruntu
Niepodważalny jest negatywny wpływ substancji organicznych na cechy fizyczne i mechaniczne gruntów. Mimo, iż literatura nie obfituje w wyniki badań tego zjawiska, znaleźć można pozycje dotyczące bardzo charakterystycznych gruntów czy sytuacji [2,3]. Jedną z nich jest publikacja autorstwa Thiyyakkandi i Annex [1] dotycząca badań naturalnych ciemnobrązowych iłów ze znaczną zawartością części organicznych (7-11%). Wykazano w niej wyraźny wpływ ilości substancji organicznej na takie parametry jak kąt tarcia wewnętrznego, spójność, moduł odkształcenia i edometryczny, granice płynności i plastyczności, wytrzymałość na ścinanie bez drenażu oraz porowatość.
Rys. 1. Zależność wskaźnika porowatości od obciążenia w skali logarytmicznej dla różnych zawartości substancji organicznej – Iom [1].
Rys. 2. Zależność granicy płynności od zawartości substancji organicznej [1].
Rys. 3. Zależność granicy plastyczności od zawartości substancji organicznej [1].
Jak widać na rysunkach 2 i 3 granica płynności oraz granica plastyczności gruntu w stanie naturalnym wzrasta liniowo wraz ze wzrostem zawartości substancji organicznej. Również w przypadku gruntu przerobionego zmiana granicy płynności i plastyczności przebiega w ten sam sposób.
Rys. 4. Wytrzymałość gruntu na ścinanie w warunkach bez drenażu dla różnych zawartości substancji organicznej [1].
Wytrzymałość gruntu na ścinanie w warunkach bez drenażu maleje drastycznie wraz ze wzrostem zawartości substancji organicznej (Rys. 4). Zwiększając zawartość substancji organicznej z 5 punktów procentowych o kolejny 1 pp, wytrzymałość maleje o około 4%, co daje przy zmianie z 5 pp do 10 pp Iom zmniejszenie wytrzymałości gruntu o około jedną czwartą. Przyrost części organicznych powyżej 10 pp o 1 pp powoduje znaczący spadek wytrzymałości już o 17%, dlatego też niewielkie powiększenie ilości tej substancji wpływa bardzo istotnie na utratę wytrzymałości gruntu.
Rys. 5. Zależność kąta tarcia wewnętrznego od zawartości substancji organicznej [1].
Nie słabiej zawartość części organicznych wpływa na kąt tarcia wewnętrznego. Zanieczyszczenia organiczne mogą go obniżyć nawet o 40%.
>>> Wpływ materii organicznej na parametry gruntów
>>> Nietypowe metody posadowienia rurociągów
>>> Grodzice winylowe w budownictwie – przegląd zagrożeń dla projektanta
Badania cech fizycznych iłów zanieczyszczonych substancjami organicznymi
W celu oceny wpływu zanieczyszczeń organicznych na grunt wykonano szereg badań laboratoryjnych na mineralnym gruncie bazowym (ił z piaskiem – saCl) sztucznie zanieczyszczonym substancją organiczną uzyskaną z oczyszczalni ścieków.
W celu oznaczenia składu granulometrycznego gruntu spoistego wykonano analizę areometryczną wraz z analizą sitową. Charakterystyczna w badaniach była barwa gruntu. Im więcej substancji organicznej dodawano, tym ciemniejszy kolor gruntu otrzymywano. Nie jest to jednak zasada. Autor spotkał się z przypadkami braku wpływu na barwę gruntu. Zależy to od rodzaju zanieczyszczenia, czasu jego zaistnienia oraz od samego gruntu.
Z analizy areometrycznej wynika, że pomiędzy próbkami o różnej zawartości części organicznych nie ma znaczącej różnicy w składzie granulometrycznym. Na podstawie analizy uziarnienia każda z trzech zbadanych próbek gruntu została sklasyfikowana wg trójkąta ISO jako ił z piaskiem – saCl.
Rys. 6. Granica plastyczności vs. zawartość części organicznych
Rys. 7. Granica płynności vs. zawartość części organicznych
W badaniach granic konsystencji stwierdzono spodziewany silny wpływ zanieczyszczenia organicznego. Obydwie granice przesuwają się w stronę większych wilgotności. Silniejszy wpływ obserwuje się na granicę plastyczności, co powoduje, iż wskaźnik plastyczności zmienia się z 13% (grunt średnio spoisty) na 11% (grunt średnio spoisty na pograniczu z mało spoistym).
Badania ściśliwości iłów zanieczyszczonych substancjami organicznymi
Grunty organiczne cechuje wysoka odkształcalność, co w przypadku projektowania fundamentów oznacza podwyższone osiadania. W celu oznaczenia zmienności cechy odkształcalności wykonano trzy serie badań edometrycznych. Badane były, podobnie jak w badaniach cech fizycznych, próbki o trzech różnych zawartościach Iom, tj. 2,63%; 3,63% oraz 6,22%. W ramach każdej serii przebadano 3 próbki.
Tab. 3. Edometryczne moduły ściśliwości pierwotnej dla różnych zawartości substancji organicznych.
Tab. 4. Edometryczne moduły ściśliwości wtórnej dla różnych zawartości substancji organicznych.
Rys. 8. Zależność edometrycznego modułu ściśliwości pierwotnej i wtórnej od zawartości substancji organicznej.
W badaniach potwierdził się negatywny wpływ zawartości części organicznych na sztywność gruntu. Wpływ ten jest inny dla zakresu pierwotnego i wtórnego. Co warte podkreślenia w zakresie wtórnym obserwowany jest dużo większy spadek sztywności. Nie jest to trend przypadkowy, bowiem występuje we wszystkich przeprowadzonych testach.
Wnioski
Problematyka projektowania fundamentów na gruntach zanieczyszczonych organicznie, jak wykazano ma podstawie badań, jest istotna dla projektanta. Przeprowadzone badania potwierdziły negatywny wpływ zanieczyszczeń organicznych na grunt. Różnice sięgają kilkudziesięciu procent, więc są znaczne i niepomijalne. Mogą także prowadzić do błędnego rozpoznania gruntu w badaniach makroskopowych i przeszacowania wytrzymałości gruntu na ścinanie, co ma znaczenie w praktycznych zastosowaniach. Zjawisko wymaga jednak badań znacznie wykraczających poza to wstępne studium.
Bibliografia
[1] Thiyyakkandi S., Annex S.: Effect of Organic Content on Geotechnical Properties of Kuttanad Clay. The Electronic Journal of Geotechnical Engineering. Nr 16/2011, p. 1653-1663.
[2] Schmidt N.O.: A Study of the Isolation of Organic Matter as a Variable Affecting Properties of a Soil. PhD Thesis, University of Illinois 1965.
[3] Puppala A.J, Pokola S.P, Intharasombat N., Williammee R.: Effects of Organic Matter on Physical, Strength, and Volume Change Properties of Compost Amended Expansive Clay. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 133(11), 2007, p. 1449-1461.
[4] Myślińska E.: Grunty organiczne i laboratoryjne metody ich badania. Wydawnictwo PWN, Warszawa 2001.
[5] PN-88/B-04481 Grunty budowlane. Badania próbek gruntu.
[6] PN-86/B-02480 Grunty budowlane. Określenia, symbole, podział i opis gruntów.
[7] PN-EN 1997-2:2009. Eurokod 7. Projektowanie geotechniczne. Część 2: Rozpoznanie i badanie podłoża gruntowego.
[8] PN-EN ISO 14688-1:2006. Badania geotechniczne. Oznaczanie i klasyfikowanie gruntów. Część 1: Oznaczanie i opis.
[9] PN-EN ISO 14688-2:2006. Badania geotechniczne. Oznaczanie i klasyfikowanie gruntów. Część 2: Zasady klasyfikowania.
Dr inż. Rafał Uliniarz
Katedra Geotechniki i Dróg
Politechnika Śląska
