Badanie płytą dynamiczną a VSS – czym to się różni

Badania geotechniczne gruntu są standardową procedurą wykonywaną na każdej budowie. Nowe rozwiązania technologiczne pozwalają usprawnić proces przeprowadzania koniecznych badań. W dzisiejszych czasach popularnym sposobem sprawdzania parametrów gruntu jest korzystanie z ugięciomierzy. W tym tekście skupimy się na różnicach jakie oferuje badanie płytą dynamiczną a VSS oraz omówimy wady i zalety tych metod badania podłoża gruntowego.

W jaki sposób bada się parametry podłoża gruntowego w Polsce

W naszym kraju, badania gruntu są regulowane przez polską/europejską normę PN-EN 1997, czyli Eurokod 7. Eurokody jest to zestaw dziesięciu norm stworzonych w celu ujednolicenia sposobów projektowania konstrukcji budowlanych. Eurokod 7 jest dokumentem związanym ściśle z geotechniką, przedstawia ogólne założenia dotyczące projektowania geotechnicznego, w tym zakres oraz rodzaj badań podłoża gruntowego.

Badania geotechniczne wykonuje się głównie przed rozpoczęciem budowy, dla celów przygotowania projektu budowlanego. Aczkolwiek, w trakcie trwania budowy, zachodzi konieczność przeprowadzania dozorów geotechnicznych, podczas których kontroluje się prawidłowość wykonywanych robót ziemnych.

Standardowa procedura wykonywanych badań geotechnicznych polega na zbadaniu litologii podłoża gruntowego na obszarze planowanej inwestycji budowlanej. Następnie wykonuje się dodatkowe badania w celu poznania parametrów mechanicznych gruntu. W Polsce, podstawowym parametrem określającymi stan podłoża gruntowego dla gruntów niespoistych jest wskaźnik zagęszczenia gruntu (I_s). Parametr ten stanowi miarę zagęszczenia gruntów takich jak: piaski, pospółki lub żwir.

Podczas wykonywania badania za pomocą lekkiej płyty dynamicznej lub płyty sztywnej vss, nie uzyskuje się bezpośrednio ww. wskaźnika zagęszczenia (I_s), tylko moduły, które następnie są przeliczane za pomocą wzorów empirycznych na wskaźnik zagęszczenia gruntu.

Badanie gruntu za pomocą płyty VSS

Stabilne podłoże gruntowe powinno posiadać odpowiednie zagęszczenie oraz nośność. Według polskiej normy PN-S-02205:1998, zagęszczenie gruntu można określić poprzez wyznaczenie wskaźnika odkształcenia gruntu (I₀). Wskaźnik ten uzyskuje się wykonując badanie nośności podłoża gruntowego za pomocą płyty VSS.

Aparat VSS składa się z kilku podstawowych elementów: stalowej płyty, pompy hydraulicznej z manometrem, miernika elektronicznego lub zegarowego, statywu oraz przedłużaczy. Miernik przymocowany jest do statywu stojącego obok płyty. Jego zadaniem jest określenie wielkości osiadania płyty, która w miarę przyrostu obciążenia zagłębia się w podłoże. Dokładność miernika wynosi 0,01 mm.

Przedłużacze są używane w celu dopasowania wysokości całej aparatury pomiarowej, do wysokości na której znajduje się punkt podparcia. Punkt podparcia stanowi przeciwwagę w postaci jakiegoś ciężkiego sprzętu dostępnego na budowie. Może to być koparka, ciężarówka lub cokolwiek innego co jest wystarczająco ciężkie aby można było prawidłowo przeprowadzić badanie.

Sposób wykonywania badania za pomocą aparatu VSS

Przed rozpoczęciem badania, należy odpowiednio przygotować podłoże gruntowe. W tym celu należy usunąć wierzchnią, luźna warstwa gruntu. Jeżeli na powierzchni, w miejscu gdzie ma zostać przeprowadzone badanie, znajdują się jakieś pojedyncze ziarna gruntu posiadające wyraźnie większą frakcję od pozostałych, również należy je usunąć. 

Powierzchnia gruntu powinna być jak najbardziej pozioma oraz równa. W celu dodatkowego jej wyrównania, można na powierzchni równomiernie rozprowadzić cienką warstwę piasku. Jeżeli odpowiednio przygotowaliśmy podłoże i mamy dostępną przeciwwagę, możemy przystąpić do badania.

Podczas wykonywania badania, płytę VSS obciąża się w dwóch cyklach, między którymi następuje faza jej odciążenia. W każdym cyklu, obciążenie do płyty przykłada się skokowo, zwiększając jego przyrost co 50 kPa. W międzyczasie, odczytuje się wskazania miernika przy każdym kolejnym dociążeniu płyty i zapisuje głębokość na jaką się zagłębiła w podłoże.  

Pierwszy cykl badania określa pierwotny moduł odkształcenia gruntu (E₁), natomiast powtórne obciążenie wyznacza moduł odkształcenia wtórnego (E₂). Dzięki wyznaczeniu obu modułów możemy także wyznaczyć za pomocą wzoru, wskaźnik odkształcenia gruntu (I₀).

Badanie gruntu lekka płytą dynamiczną

W naszym kraju jest to stosunkowo nowy rodzaj badania podłoża gruntowego, pochodzący zza naszej zachodniej granicy. Badanie za pomocą lekkiej płyty dynamicznej ma co najmniej tyle samo zwolenników co przeciwników, o czym napiszę szerzej w dalszej części tekstu.

Zasadniczą różnicą pomiędzy lekką płytą dynamiczną a płytą VSS jest sposób przykładania obciążenia. W przypadku płyty VSS, ciśnienie pod jej powierzchnią jest generowane statycznie przy pomocy przeciwwagi. Jeżeli chodzi o lekką płytę dynamiczną, przeciwwaga nie jest potrzebna, a obciążenie przykładane jest dynamicznie poprzez miarowe uderzanie 10 kilogramowego obciążnika o płytę. Pomiar ugięcia płyty wykonywany jest za pomocą elektronicznego miernika połączonego z płytą za pomocą kabla.

Sposób wykonywania badania

Procedura przygotowania podłoża pod badanie lekką płytą dynamiczną jest analogiczna z procedurą przygotowania podłoża pod badanie aparatem VSS.

Następnie, we wcześniej przygotowanym miejscu stawiamy płytę i wykonujemy nią ćwierć obroty aby jak najlepiej przylegała do podłoża. Kolejnym krokiem jest założenie na płytę prowadnicy ze znajdującym się na niej obciążnikiem. Po uruchomieniu miernika, który wcześniej podłączamy do płyty, można przejść do wykonywania badania.

Badanie właściwe, poprzedzone jest trzema wstępnymi uderzeniami obciążnika opadającego na płytę, które mają na celu usunąć wszelkiego rodzaju puste przestrzenie między gruntem a płytą. Po wykonaniu trzech wstępnych uderzeń, przechodzi się do wykonania trzech uderzeń właściwych, z pomiarem przemieszczenia płyty rejestrowanym przez elektroniczny miernik.

Po zarejestrowaniu trzech uderzeń właściwych, urządzenie oblicza dynamiczny moduł odkształcenia gruntu (E_vd). Na podstawie tego modułu można obliczyć wskaźnik zagęszczenia gruntu (I_s) używając do tego celu odpowiednich wzorów empirycznych.

Zalety stosowania lekkiej płyty dynamicznej na tle płyty VSS

Główną zaletą stosowania płyty dynamicznej podczas kontroli wykonywania robót ziemnych na budowach jest krótki czas potrzebny na przeprowadzenie badania. Jedno badanie, w wyznaczonym miejscu, zazwyczaj trwa niecałe 2 minut. W przypadku płyty sztywnej VSS czas potrzebny na sprawdzenia zagęszczenia gruntu i nośności w danym miejscu jest znacznie dłuższy i może wynosić nawet 1,5 godziny.

Długość badania płytą VSS, zależy głównie od jakości podłoża gruntowego oraz tego jak bardzo jest zagęszczone. Im bardziej badany grunt będzie musiał się zagęścić pod wpływem osiadającej płyty, tym badanie będzie dłużej trwało.

Kolejną niedogodnością związaną z używaniem płyty VSS jest konieczność wykorzystania wspomnianej wcześniej przeciwwagi. W przypadku płyty dynamicznej mamy do czynienia z siłą uginająca płytę, generowaną przez uderzający obciążnik, płyta statyczna VSS wymaga przyłożenia stałego obciążenia w celu wywołania odpowiedniego ciśnienia pod płytą, które jest stopniowo zwiększane podczas badania.

Ponadto, zdarza się że mimo wcześniej umówionej wizyty w sprawie kontroli zagęszczenia i nośności gruntu, z dostępnością przeciwwagi na budowach bywa różnie. Czasami koparka która miała nam służyć za punkt podparcia dla VSSa, między poszczególnymi badaniami, zajmuje się innymi obowiązkami. Oczywiście dodatkowo wydłuża to czas potrzebny na całości badania.

Brak konieczności wykorzystania przeciwwagi w przypadku badania lekką płytą dynamiczną jest kolejnym argumentem świadczącym na jej korzyść. Jak nietrudno się domyślić koparka lub ciężarówka, stanowi duży problem jeżeli trzeba przeprowadzić badanie gruntu w mało dostępnym miejscu. Dlatego lekka płyta dynamiczna w porównaniu do aparatu VSS, nie tylko znacznie skraca czas wykonania badania ale również usprawnia sam proces jego wykonania.

Zalety stosowania płyty VSS na tle lekkiej płyty dynamicznej

Pomimo wielkiej wygody i szybkości przeprowadzenia badania, którą oferuje płyta dynamiczna, ma ona swoje poważne wady. Przede wszystkim lekka płyta dynamiczna jest bardzo czułym urządzeniem. Dlatego prawidłowe przeprowadzenie badania jest ściśle związane z dużą dbałością o odpowiednie przygotowanie miejsca pod badanie.

Chodzi głównie o takie detale jak pilnowanie aby płyta leżała poziomo na podłożu oraz przylegała do niego całą powierzchnia. Ponadto, prowadnica na której znajduje się obciążnik powinna być trzymana pionowo, czyli pod kątem prostym do leżącej płyty. Jeżeli nie zwróci się szczególnej uwagi na te aspekty przed i w trakcie przeprowadzenia badania, może to znacznie zafałszować otrzymane wyniki.

Badanie lekką płytą dynamiczną bazuje na pewnej zależności między nośnością podłoża gruntowego i jego zagęszczeniem a ugięciem płyty. Aby móc określić tą zależność, trzeba ustalić odpowiednie współczynniki korelacji, które najczęściej wiążą się z precyzyjnym określeniem materiału z którego zbudowane jest podłoże.

W praktyce, pozyskiwanie szczegółowych informacji na temat warstw budujących podłoże w miejscu badania bywa kłopotliwe. Różnice w budowie podłoża mogą być nieznaczne ale mieć wpływ na uzyskiwane wartości parametrów.

Ponadto, wilgotność podłoża gruntowego także ma wpływ na otrzymywane wyniki. W przypadku badania podłoża bardziej wilgotnego, grunt będzie w większym stopniu wypierany na boki płyty, w rezultacie uzyskane parametry gruntu będą gorsze niż w przypadku tego samego podłoża gruntowego o mniejszej wilgotności.

Kolejnym mankamentem lekkiej płyty dynamicznej jest fakt, że badanie nią podłoża gruntowego nie jest w Polsce normowane. Brakuje także odpowiedniego wzoru empirycznego, pozwalającego precyzyjne określić wskaźnik zagęszczenia gruntu (I_s) na podstawie uzyskanego dynamicznego modułu odkształcenia (E_vd).

Dlatego, lekką płytę dynamiczną można zakwalifikować przede wszystkim, jako urządzenie do szybkiej kontroli jakości robót ziemnych na budowie. Wykonanie badania płytą dynamiczną daje pogląd na to czy podłoże gruntowe jest dobrze zagęszczone. Jeżeli chcemy dokładniejsze i bardziej precyzyjne wartości parametrów podłoża gruntowego, powinniśmy przeprowadzić sondowanie gruntu lub badanie za pomocą aparatu VSS.