Wpływ materii organicznej na parametry gruntów

W geotechnice grunty organiczne utożsamiane są z utworami słabymi pod względem mechanicznym, a także odkształcalnymi. Z reguły jest to prawda, ponieważ dotyczy to 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%<I_om<5%) – grunty nieskaliste, w których zawartość części organicznych jest wynikiem wegetacji roślinnej oraz obecności mikroflory i fauny,
• grunty mineralno-organiczne (5%<I_om<15%) – powstałe w zagłębieniach poza dolinami rzek,
• namuły (5%<I_om<30%) – powstałe w wyniku osadzania się substancji mineralnych i organicznych w środowisku wodnym,
• gytie mineralne (5%<I_om<30%, 12%CaCO₃<80%) – namuły z zawartością węglanu wapnia >5%,
• gytie organiczne (I_om>30%, 20%< CaCO₃<80%),
• kreda jeziorna (CaCO₃>80%),
• torfy (I_om>30%) – grunty powstałe z obumarłych części roślin ulegających stopniowej karbonizacji,
• węgle brunatne,
• węgle kamienne.

Zgodnie z normą PN-EN ISO 14688-2 w zależności od zawartości substancji organicznej wyróżnia się grunty organiczne (akumulowane in situ) i grunty mineralne z częściami organicznymi. Klasyfikacja gruntów organicznych akumulowanych in situ oparta jest na rodzaju substancji organicznej, rodzaju gruntów organicznych, na pochodzeniu materiału wyjściowego oraz stopniu rozłożenia części organicznych.

Powyżej przytoczone klasyfikacje dotyczą właściwie wyłącznie gruntów naturalnych. Tymczasem spotkać się można z gruntami organicznymi wytworzonymi działalnością 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.

Zobacz też:

• Nietypowe metody posadowienia rurociągów
• Urządzenia melioracji wodnych i zmeliorowane grunty – ewidencja, przepisy
• Przemarzanie gruntu a projektowanie fundamentów
• Piaski do zapraw klejących – reaktywność, badania

Fot. stock.adobe / nskyr2

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. 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. 1). Zwiększając zawartość substancji organicznej z 5 punktów procentowych o kolejny 1pp, wytrzymałość maleje o około 4%, co daje przy zmianie z 5pp do 10pp Iom zmniejszenie wytrzymałości gruntu o około jedną czwartą. Przyrost części organicznych powyżej 10pp o 1pp powoduje znaczący spadek wytrzymałości już o 17%, dlatego też niewielkie powiększenie ilości tej substancji wpływa bardzo istotnie na utratę wytrzymałości gruntu.

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.

Rys. 2. Zawiesiny do analizy areometrycznej.

Rys. 3 Wyniki badań uziarnienia.

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.

Grunty organiczne cechuje wysoka odkształcalność, stąd skupiono się w pierwszym etapie badań na tym aspekcie. W tym celu wykonano trzy serie badań edometrycznych. Badane były, podobnie jak w badaniach cech fizycznych, próbki o trzech różnych zawartościach I_om, tj. 2,63%; 3,63% oraz 6,22%. W ramach każdej serii przebadano 3 próbki.

Rys. 4 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 testach.

Podsumowanie

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 w budownictwie.

LITERATURA

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.

Dr inż. Rafał Uliniarz

Katedra Geotechniki i dróg

Wydział Budownictwa

Politechnika Śląska

Sprawdź: Produkty budowlane