Kontrola zagęszczenia gruntów lekką płytą dynamiczną

Niemal we wszystkich dokumentacjach projektowych stosujący się do obowiązujących przepisów projektanci wymagają zachowania określonych stopni (I_D) lub wskaźników zagęszczenia gruntu (I_s). W wyniku ponadstuletnich doświadczeń i badań ustalone zostały ich powiązania z wieloma innymi parametrami geotechnicznymi dotyczącymi zagadnień wytrzymałości na ścinanie, ściśliwości lub wodoprzepuszczalności. Te z kolej pozwalają na poprawne wymiarowanie fundamentów, ścian i konstrukcji oporowych, obliczeń stateczności skarp czy prognozowania osiadań nasypów ziemnych. Dla mniej skomplikowanych budowli współzależności te przyjmowane są na podstawie korelacji wypracowywanych przez inżynierów geotechników, poczynając od szkoły prof. K. Terzaghiego (1923 r.), po czasy obecne. Wiodącą dziedziną tego rozwoju jest mechanika gruntów rozwijana i doskonalona na świecie m.in. w ramach światowego stowarzyszenia Internationale Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. Wynikiem tego było wypracowanie setek podręczników i norm geotechnicznych, w tym obowiązującego Eurokodu 7 Projektowanie geotechniczne. Niestety w ostatnim dwudziestoleciu wraz z ogromnym przyspieszaniem realizacji inwestycji nierzadko budowlane obiekty realizowane i nadzorowane są przez ignorujące te zasady niedostatecznie przygotowane osoby. Pomijanie w tym procesie udziału inżynierów geotechników powoduje, że kontrole zagęszczenia gruntów bywają prowadzone przez osoby niemające ani odpowiedniej wiedzy technicznej w zakresie mechaniki gruntów, ani wymaganych uprawnień do fachowej oceny zjawisk technicznych określonych w art. 12 ust. 1 i 2 Prawa budowlanego i rozporządzeniu [12]. Przykłady z praktyki dowodzą, że kontrola zgęszczenia staje się zadaniem, w którym nierzadko zarówno wykonawcy, kontrolującemu budowę, jak również inwestorowi zależy, aby wyniki kontroli zagęszczenia były pozytywne, gdyż nie wydłuża to czasu jej realizacji. Skutkiem tego sprawdzone i oparte na prawach mechaniki gruntów metody badań, polegające na pomiarze gęstości objętościowej szkieletu gruntowego, zastępuje się pomiarami ugięcia podłoża przy użyciu płyty VSS lub płyty dynamicznej. Nie mają one większego związku z gęstością zagęszczonego gruntu. W wyniku kontroli prowadzonych tymi metodami przyjmowano niedogęszczone nasypy, co nierzadko skutkowało m.in. spękaniami nowo budowanych nawierzchni, powodowanymi głównie nierównomiernym zagęszczeniem podłoża [8].

Fot. Przykład badania płytą VSS (Zachodniopomorskie Laboratorium Drogowe w Koszalinie)

W dalszej części tekstu zostanie wykazane, że wyniki uzyskiwane tymi metodami nie dają prawdziwych informacji o stanie zagęszczenia gruntu.

Poprawne metody kontroli zgęszczenia układanych konstrukcji ziemnych

Pierwsze i zaakceptowane na świecie zasady sposobu kontroli zgęszczenia zostały opracowane w USA w 1933 r. przez R. Proctora, który wprowadził umowny test kontrolnego ubijania gruntów określony wówczas energią 6 KGcm/ cm³, a dla gruntów gruboklastycznych 27 KGcm/cm³. Zagęszczając w laboratorium kilka prób o odpowiednio różnych wilgotnościach, wyznacza się maksymalną gęstość objętościową szkieletu gruntowego ρ_ds oraz – co jest równie istotne dla potrzeb wykonawcy – wilgotność optymalną w_opt, przy której uzyskanie wymaganego wskaźnika zagęszczenia jest najłatwiejsze (rys. 1).

Rys. 1. Wynik badań zagęszczalności w aparacie Proctora

Z porównania stanu gruntu o niskiej wilgotności (stan 1) uzyskuje się takie samo zagęszczenie jak gruntu o wysokiej wilgotności (stan 2) – rys. 1. Natomiast w przypadku zastąpienia tego badania płytą dynamiczną ugięcie podłoża w stanie 1 będzie nieporównywalnie mniejsze niż w stanie 2 (rys. 1), gdyż w gruncie bardziej wilgotnym wystąpi większe wyparcie gruntu na boki spod powierzchni uciskającej podstawy płyty niż w tak samo zagęszczonym gruncie mniej wilgotnym. W wyniku tego energia nacisku przekazywana na większe głębokości kontrolowanej warstwy będzie dużo mniejsza. Dlatego w praktyce wyniki badań uzyskane płytą dynamiczną dla tak samo zagęszczonego gruntu badanego, np. przed opadami deszczu i po opadach, będą różne, a tym samym niewiarygodne.

Mechanizmy oddziaływania nacisków od ugięciomierzy

W procesie układania wielowarstwowych nasypów wykonawcy unikają opisanych wyżej procedur pomiaru gęstości, wymagających uruchomienia laboratorium polowego i czasu potrzebnego na określenie wilgotności prób. Korzystają przy tym z zależności zalecanych przez producentów ugięciomierzy, które mają stanowić rzekomo równoważny i wiarygodny sposób badania lekką płytą dynamiczną (DPL) lub płytą statyczną (VSS). Funkcjonują przy tym zainteresowane obsługą tych urządzeń grupy zawodowe – głównie nieprzygotowanych w zakresie mechaniki gruntów geologów, którzy nie ponoszą prawnej odpowiedzialności za wyniki kontroli i nie mając uprawnień budowlanych, naruszają art. 12 i 91 Prawa budowlanego. Ugięciomierze zostały skonstruowane do pomiaru nośności nawierzchni drogowych ocenianej najczęściej na podstawie wyznaczanych modułów odkształcenia lub ugięcia badanej powierzchni. Datuje się je od lat 60. XX w., kiedy to w Szwajcarii skonstruowano znaną do dzisiaj płytę VSS (ugiętościomierz statyczny). Wykonywane z jej pomocą pomiary nośności wykazują pewną analogię do obciążenia kołem samochodowym, a powierzchnia płyty odpowiada w przybliżeniu powierzchni styku koła samochodowego z nawierzchnią.

Stosowaną miarą nośności nawierzchni i podłoża (rys. 2) są moduły ściśliwości pierwotnej i wtórnej E₁ i E₂.

Rys. 2 Przestrzenny rozkład naprężeń i odkształceń w obciążonym podłożu. Rozkład naprężeń pod środkiem kołowego obszaru obciążonego [14]

Zobacz też: Wzmacnianie podłoża metodą ubijania, wymiana dynamiczna
Wiadomo, że takie materiały budowlane, jak warstwy nawierzchni czy kamienne warstwy podbudowy, znacznie się różnią właściwościami reologicznymi od gruntów mierzonymi współczynnikami rozszerzalności bocznej v. Wynika to m.in. z braku oddziaływania wilgotności na wartości kąta tarcia wewnętrznego materiałów kamiennych lub warstw sztywnych i braku znaczących odkształceń bocznych, jakie występują w gruntach. Ponadto poprawne badania ugięciomierzami wymagają dokładnego wyrównania powierzchni, np. na nawierzchniach tłuczniowych badaną powierzchnię wyrównuje się zaprawą gipsową, a wykonanie badanie rozpoczyna się dopiero po stwardnieniu tak przygotowanej powierzchni. Badania te powinny być stosowane w podłożach minimalizujących w docelowym pomiarze odkształcenia boczne [3]. Kilkuetapowa procedura badania może trwać nawet do dwóch godzin. Dla poszczególnych przyrostów obciążenia co 50 kPa po określonych czasach rejestruje się przyrosty osiadań Δs zarówno w cyklu obciążenia pierwotnego, jak i po odciążeniu [11]. Stosowane obecnie procedury zupełnie pomijają te wymogi. Wartości modułu M_E określanego płytą VSS o średnicy D definiuje zależność.

Moduł ME stanowi informację o sztywności nawierzchni lub danej warstwy podbudowy, a w świetle praw mechaniki gruntów nie może określać związku między ugięciem a stopniem czy
wskaźnikiem zagęszczenia.

Do 1978 r. w Polsce badanie płytą uciskową stosowano wyłącznie do oznaczania modułu odkształcenia E poszczególnych warstw robót ziemnych i konstrukcji nawierzchni. Po roku 1978 rozszerzono zakres stosowania metody do oznaczania modułów: pierwotnego E₁, wtórnego E₂ oraz wskaźnika odkształcenia I_o, podejmując następnie próby interpretowania na tej podstawie wskaźnika zagęszczenia gruntu I_s.

Proponowane przez producentów płyt uciskowych empiryczne zależności i sposoby określenia wskaźnika zagęszczenia I_s na podstawie wartości odkształcenia wtórnego E₂ nie znajdują racjonalnego związku z gęstością podłoża gruntowego, chociażby z powodu:

• pominięcia wskazanego wyżej wpływu wilgotności,
• sferycznego, a nie jednoosiowego rozkładu naprężeń i odkształceń,
• zanikającego oddziaływania naprężeń od płyty z głębokością (rys. 3).

Rys. 3. Rozkład kierunków naprężeń i przemieszczeń pod powierzchnią naciskającej płyty dynamicznej w zagęszczonej 0,5-metrowej warstwie nasypu

Z tych względów proponowane w [1] współzależności między E₂ i I_s są bardzo zmienne i nie mają powiązania z rzeczywistością. Pomimo wskazywanych w literaturze nieprawidłowości [1,2, 3] metoda ta jest bezkrytycznie rozpowszechniona i propagowana w krajowej praktyce budowlanej [10].

Celem dalszego uproszczenia tej procedury badania wprowadzono lekką płytę dynamiczną PLT i oznaczany nią dynamiczny moduł odkształcenia podłoża E_vd [2, 4].

gdzie: r – promień płyty naciskowej [m], σ – naprężenie w podłożu [N/m²], s – amplituda odkształcenia podłoża pod płytą [mm] (wartość średnia z trzech pomiarów badawczych następujących po trzech pomiarach wstępnych).

W powszechnie dostępnej literaturze nie ma szerszych danych prezentujących możliwe korelacje dla różnych rodzajów gruntu i analizy sposobu porównywalnej kontroli jakości zagęszczenia gruntu w nasypie na podstawie badań lekką płytą dynamiczną czy płytą statyczną z innymi metodami, które umożliwiałyby szybkie określanie stanu zagęszczenia [3].
Polecamy też: Zagęszczanie gruntu metodą mikrowybuchów
Eurokod 7 [7] zupełnie nie uwzględnia tego rodzaju badań, a ujęte w nim statyczne obciążenia podłoża zalecone są tylko w przypadkach próbnych obciążeń poziomów posadowienia fundamentów, gdzie możliwości odkształceń poziomych stanowią składową nośności, a wynikające z zagłębienia fundamentu naprężenia boczne σ₃ są stosunkowo duże.

Kierunki i głębokości rozchodzenia się naprężeń w gruncie w wyniku obciążenia powierzchni

Ocena związku możliwości oddziaływania energii przyłożonej na powierzchni gruntu na zagęszczaną warstwę (np. płytą dynamiczną) wynika z powszechnie znanego w mechanice gruntów rozkładu kierunków działania wektorów naprężeń i wynikających z tego deformacji, a także z teorii zanikania przyłożonych naprężeń z głębokością, co przedstawiono na rys. 2 i 4 [14].

Rys. 4. Pionowy rozkład naprężeń pod środkiem kołowego obszaru obciążonego [14]

Trajektoria izolinii rozkładu naprężeń wskazuje, że linia najwyższego naprężenia znajduje się w bezpośredniej bliskości powierzchni, a występujące najgłębiej najmniejsze naprężenie ma taką samą wartość jak w niewielkim oddaleniu od krawędzi uciskającej płyty (rys. 2). Wyznaczone prostopadle do tych linii kierunki wywołanych naciskiem przemieszczeń (linie przerywane) wskazują, że przyłożona energia kierowana jest zarówno w głąb kontrolowanej zagęszczanej warstwy, jak i na boki. Mechanizm ten w projektowaniu fundamentów jest podstawą do wyznaczania granicznej nośności podłoża fundamentów na wyparcie. Powstaje to także w przypadku obciążenia podłoża płytą VSS oraz przy energii przekazywanej przez płytę dynamiczną. Każdy nacisk wywołany przez płytę powoduje wytworzenie się u jej podstawy klina sztywnego powodującego, że część energii nacisku przekierowywana jest na boki, a nieznana jej część jest przekazywana w głąb strefy wydzielonej na rys. 2 liniami przerywanymi. Proporcje tego rozdziału są dodatkowo zmienne, m.in. w zależności od wilgotności gruntu, jego gęstości, spójności i kąta tarcia wewnętrznego φ. Są one niemal w każdym przypadku inne i trudne do jednoznacznego ustalenia. Dalszą nieprawidłowością oceny stanu zagęszczenia płytą dynamiczną jest nieznana część energii przekazywana w głąb kontrolowanej warstwy, która zmniejsza się z głębokością (rys. 4). Dlatego nieprawdziwe są informacje podawane w instrukcjach płyt dynamicznych, że można nimi kontrolować zagęszczenia warstw o miąższości do 50 cm. Przekładowo obliczone wartości naprężeń, występujące na poszczególnych głębokościach pod środkiem kołowej płyty uciskowej o średnicy d = 30 cm określone zasadami podanymi w literaturze i w normach [4, 14], z nomogramu Newmarka wyznaczającego współczynnik zanikania pionowych naprężeń η (rys. 4) wykazały, że:

• na głębokości 20 cm z/d = 0,2 : 0,3 = 0,66 => η = 0,48, tj. 48% naprężenia od płyty;
• na głębokości 30 cm z/d = 0,3 : 0,3 = 1,00 => η = 0,28, tj. 28% naprężenia od płyty;
• na głębokości 40 cm z/d = 0,4 : 0,3 = 1,33 => η = 0,18, tj. 18% naprężenia od płyty;
• na głębokości 50 cm z/d = 0,5 : 0,3 = 1,66 => η = 0,12, tj. 12% naprężenia od płyty.

Za pomocą energii przekazywanej przez płytę na grunt nie można określić stanu zagęszczenia warstwy np. na głębokości 0,4-0,5 m, jeśli dociera tam zaledwie 12-17% przekierowywanej pionowo energii przykładanej do podstawy płyty. Dlatego nie można przyjmować, że odczyty rejestratorów płyty dynamicznej mają związek ze stanem zagęszczenia leżącego pod nią gruntu.

Wobec powyższych uwarunkowań należy stwierdzić, że rozkład i zasięg energii przykładanej przez płytę do gruntu w czasie badania i określany na tej podstawie moduł ściśliwości odkształcenia E niewiele mają wspólnego ze stanem zagęszczenia gruntów na poszczególnych głębokościach kontrolowanej warstwy. Dodatkowo wynik zafałszowują wskazania mówiące, że jeszcze przed docelowym pomiarem stanu zagęszczenia kontrolowanej warstwy należy wykonać trzy próbne uderzenia; jak wiadomo każde z nich zmienia stan dotychczasowego zagęszczenia warstwy, w której kontrolowany jest pierwotny, a nie zmieniony stan zagęszczenia.
Przykładami rozbieżności wyników między wielkością wskaźnika zagęszczenia uzyskiwanego w konwencjonalny sposób a wielkością dynamicznego modułu odkształcenia E_d są wyniki doświadczeń (rys. 5 i 6) [13].

Rys. 5. Zależność wskaźnika zgęszczenia I_s piasków od dynamicznego modułu odkształcenia

Wskazują one, że w miejscach, w których w badaniach płytą uzyskiwano moduł E_d = 14 MPa, w badaniach wiarygodną metodą pomiaru gęstości objętościowej szkieletu wskaźniki zagęszczenia wykazywały rozrzut od 0,86 do 0,98. Przy wymogu określonej wartości np. I_s = 0,98 mogą się różnić od niej nie więcej niż o 0,01 [9], a nie o 0,12 (rys. 5).

Podobne zróżnicowania przedstawiono w pracy [1], w której przy module E_d = 14 MPa uzyskiwano wartości I_s 0,95-0,98 (rys. 6), co także świadczy o nieprzydatności badań płytą dynamiczną do kontroli zagęszczenia gruntów.

Rys. 6. Zależność wskaźnika zgęszczenia piasków od dynamicznego modułu odkształcenia

Kontrola zagęszczenia gruntów. Podsumowanie

Przeprowadzone analizy potwierdzają nieprzydatność sondy dynamicznej do badań kontroli zagęszczenia gruntów. Kontrole zagęszczenia powinny być prowadzone metodami opartymi na pomiarze gęstości gruntu.

Zastosowanie do kontroli zagęszczenia układanych konstrukcji ziemnych płyty VSS i płyty dynamicznej jest niewłaściwe. Przekazywana na powierzchnię warstwy energia ze względu na zmienne reologiczne właściwości gruntu rozprzestrzenia się sferycznie, powodując wielokierunkowe przemieszczanie się gruntu (rys. 3, 4). Następują wielokierunkowe przemieszczenia gruntu, a dla płyty o średnicy 30 cm do deklarowanej głębokości skutecznej kontroli zagęszczenia 0,5 m przekazywane jest nie więcej niż 12% naprężenia przyłożonego do górnej części warstwy. Nie ma zatem ani równomiernego, ani kontrolowanego powiązania wywołanych płytą naprężeń ze stanem naprężeń na poziomach leżących w dolnych strefach kontrolowanej warstwy.
Przyjęcie w procedurze kontroli przed właściwym pomiarem trzech uderzeń ciężarka powoduje pewne dodatkowe dogęszczenie gruntu, co ponadto zmienia istniejący stan zagęszczenia warstwy, która ma być sprawdzona.
Nieliczne kontrolne porównania wskaźników zagęszczenia I_s uzyskanych metodą pomiaru gęstości na podstawie modułu E_vd (rys. 6, 7) wskazują, że różnice wskaźników zagęszczenia Is wynoszą do 60%, co dyskwalifikuje przydatność płyty PLT do kontroli zagęszczenia gruntów.

Właściwymi sposobami kontroli stanu zagęszczenia układanych warstw nasypów są metody oparte na pomiarze gęstości objętościowej gruntu w terenie odniesione do ich cech zagęszczalności określonych w aparacie Proctora lub w aparacie wibracyjnym.

Literatura

1. Badania i ustalenia zależności korelacyjnych dla oceny stanu zagęszczenia i nośności gruntów niespoistych płytą dynamiczną, Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Warszawa 2005.
2. W. Gosek, Problemy interpretacji wyników badań sztywności gruntu za pomocą lekkiej sondy dynamicznej, „Inżynieria Morska i Geotechnika” nr 3/2015.
3. K. Kumor, J. Framas, Ł. Kumor, Wybrane związki korelacyjne parametrów zagęszczenia określone metodami VSS i LFG, Civil and Environmental Engineering, „Budownictwo i Inżynieria Środowiska” nr 4/2013.
4. S. Pisarczyk, Badania laboratoryjne i polowe gruntów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1993.
5. Norma BN-77/8931-12 Oznaczenie wskaźnika zagęszczenia gruntu.
6. Norma PN-B-04481:1988 Grunty budowlane. Badania próbek gruntu.
7. Norma PN-EN 1997-2:2009 Eurokod 7 Projektowanie geotechniczne. Część 2: Rozpoznanie i badanie podłoża gruntowego.
8. K. Parylak, Badania w drogownictwie i ich znaczenie, XIV Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Wisła 2009.
9. Roboty ziemne, warunki techniczne wykonania i odbioru (ziemnych budowli hydrotechnicznych), Ministerstwo Ochrony Środowiska Zasobów Naturalnych i Leśnictwa, Warszawa 1994.
10. G. Rogisz, Badanie nośności nasypów drogowych przy wykorzystaniu lekkiej płyty dynamicznej, „Przegląd Budowlany” nr 7-8/2015.
11. S. Rolla, Badania materiałów i nawierzchni drogowych, WKiŁ, Warszawa 1979.
12. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadowienia obiektów budowlanych (Dz.U. z 2012 r. poz. 464).
13. M. Sulewska, Sztuczne sieci neuronowe w ocenie parametrów zagęszczenia gruntów niespoistych, Studia z zakresu inżynierii, nr 64, IPPT PAN Warszawa-Białystok 2009.
14. Z. Wiłun, Zarys geotechniki, WKiŁ, Warszawa 2001.

dr hab. inż. Krzysztof Parylak
rzeczoznawca budowlany w specjalizacji geotechnika, hydrotechnika
Wydział Inżynierii Kształtowania Środowiska i Geodezji Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu