Badanie zagęszczenia gruntu

Badanie zagęszczenia gruntu, czy ściślej rzecz biorąc wskaźnika zagęszczenia gruntu, zaraz po wierceniach jest najczęściej wykonywanym badaniem podłoża gruntowego dla celów budowlanych. W tym poście pokrótce opiszę metody badania zagęszczenia gruntu.

W jakim celu bada się zagęszczenie gruntu

W geotechnice, uzyskiwanie dodatkowych parametrów gruntu, poza poznaniem samej litologii jest kluczowe. Podłoże gruntowe musi być odpowiednio przygotowane zanim zostanie posadowiony na nim budynek. Fundamenty budynku przekazują do ośrodka gruntowego obciążenia, które podłoże gruntowe musi wytrzymać. W przeciwnym wypadku może dojść do nadmiernego osiadania budynku a tym samym jego uszkodzenia.

Nasypy budowlane, na których stawiane są budynki, są usypywane najczęściej z gruntów niespoistych tj. piaski o różnej frakcji. Jeżeli piasek który ma stanowić podłoże pod fundamenty budynku został luźno usypany (nie jest odpowiednio zagęszczony), to na skutek ciężaru własnego oraz oddziaływań zewnętrznych np. masy posadowionego na nim budynku, będzie stopniowo osiadał. Innymi słowy, powierzchnia terenu na której został postawiony budynek, stopniowo zacznie się obniżać. Nadmierne osiadanie budynku, w szczególności nierównomierne, prowadzi do jego uszkodzenia.

Aby zapobiec tego typu niepożądanym sytuacjom, należy wcześniej odpowiednio przygotować grunt pod budowę. Jest wiele metod pozwalających polepszyć parametry podłoża gruntowego m.in. zagęszczanie gruntu, wstępne obciążenie gruntu, stabilizacja spoiwami, stabilizacja mechaniczna, czy w ostateczności wymiana gruntu. Najczęściej stosowaną i najprostszą metodą polepszania parametrów gruntu dla celów budowlanych jest zagęszczanie gruntu.

Metody badania zagęszczenia gruntu

Obecnie w Polsce, rozpoznanie warunków gruntowych dla celów budowlanych (w tym rodzaje i sposoby badań) reguluje europejska norma PN-EN 1997, czyli Eurokod 7. Natomiast wskaźnik zagęszczenia gruntu, będący miarą zagęszczenia gruntu nasypowego, definiuje polska norma BN-77/8931-12. Czyli mówiąc krótko, jeżeli chcemy określić zagęszczenie gruntu, musimy poznać wartość wskaźnika zagęszczenia gruntu (Is), na podstawie przeprowadzonych badań polowych.

Sondowanie gruntu

Sondowanie gruntu jest to badanie które ma na celu określenie parametrów fizycznych gruntu, na podstawie pomiaru oporu końcówki sondy podczas wbijania, wkręcania lub wciskania (w zależności od tego jakiej sondy używamy).

Sondowania dynamiczne

W naszym kraju, sondowania dynamiczne to najpowszechniej wykonywane badanie, na podstawie którego można określić wskaźnik zagęszczenia gruntu (Is). W przypadku sondowania dynamicznego, badanie gruntu przebiega poprzez wbijanie końcówki sondy w grunt. Najczęściej do tego celu używa się końcówki stożkowej, rzadziej końcówki cylindrycznej.

Na podstawie sondowania dynamicznego możemy określić stan zagęszczenia gruntów sypkich. W zależności od tego, czy badanie przeprowadzamy w gruntach rodzimych czy nasypowych, możemy określić odpowiednio stopień zagęszczenia gruntu (Id) lub wskaźnik zagęszczenia gruntu (Is).

Samo badanie zagęszczenia gruntu za pomocą sondy dynamicznej jest bardzo proste. Polega na wbijaniu żerdzi zakończonych odpowiednią końcówką, za pomocą młota, który cyklicznie spada z określonej wysokości uderzając o kowadło, po czym jest podnoszony. Podczas wykonywania badania liczy się ilość uderzeń młota, która jest potrzebna do zagłębienia się sondy na określoną głębokość. Najczęściej, żerdzie dokręcane do stożka są podzielone na odcinki o długości 10 cm (w przypadku sondy superciężkiej wynoszą 20 cm), co znacznie ułatwia pomiary.

Masa młota, wysokość jego opadania oraz inne parametry sondy różnią się w zależności od jej rodzaju. Wybrane parametry dla odpowiedniego rodzaju sodny poniżej.

• sonda lekka (DPL) – młot 10 kg, wys. opadania 0,5 m;
• sonda średnia (DPS) – młot 30 kg, wys. opadania 0,5 m;
• sonda ciężka (DPH) – młot 50 kg, wys. opadania 0,5 m;
• sonda superciężka (DPSH) – młot 63,5 kg, wys. opadania 0,75 m.

Końcówkę cylindryczna można zastosować do poboru próbki gruntu o nienaruszonej strukturze. Podczas wbijania cylindra, grunt wchodzi do jego wnętrza. Opór jaki stawia grunt podczas wbijania sondy za pomocą młota jest miarą jego zagęszczenia lub stopnia plastyczność, w zależności od gruntu.

Jeżeli zastosujemy końcówkę krzyżakową możemy również zbadać wielkość oporu gruntu na ścinanie, jeżeli mamy do czynienia z gruntami spoistymi.

Sondowania statyczne

Badanie gruntu za pomocą sondy statycznej daje dużo więcej informacji na temat jego parametrów, niż w przypadku sondy dynamicznej. Za pomocą sondy statycznej, możemy poznać stan zagęszczenia gruntów sypkich, stopień plastyczności gruntów spoistych, możemy również określić rodzaj gruntu, jego parametry mechaniczne tj. moduł ściśliwości czy wytrzymałości na ścinanie. Tak obszerny zakres danych jakie uzyskujemy w trakcie badania sondą statyczną, pozwala na podstawie interpretacji wyników, wydzielić poszczególne warstwy gruntu.

Jeżeli chodzi o popularyzację tej metody w Polsce, to sondowania statyczne, stały się powszechnie stosowaną metodą badawczą podłoża gruntowego dopiero na początku XX w.

W praktyce badanie za pomocą sondy statycznej, polega na powolnym wciskaniu stożka CPT lub CPTU w podłoże gruntowe. Stożek jest przykręcony do kolumny żerdzi, które są wciskane w sposób hydrauliczny i cyklicznie dokręcane. Pomiary rejestruje się na bieżąco podczas przeprowadzania badania. Stożek, który w dzisiejszych czasach najczęściej jest elektryczny, przekazuje odczyty za pomocą kabla znajdującego się wewnątrz żerdzi do komputera, gdzie są wyświetlane poszczególne wartości parametrów podłoża, także w postaci diagramów.

Sondy statyczne montuje się na samochodach ciężarowych, przystosowanych do warunków terenowych. Im mocniejszy jest mechanizm wciskający stożek wraz z kolumną żerdzi, tym cięższy pojazd jest potrzebny, aby stanowił odpowiednio dużą przeciwwagę dla siły wciskającej. Dlatego też, sondy statyczne montowane na lekkich przyczepach, umożliwiają przeprowadzenia badania do niewielkich głębokości, przez co nie są powszechnie stosowane.

Innym rozwiązaniem, pozwalającym na zrównoważenie dużej siły wciskającej jest możliwość przytwierdzenia podwozia na którym znajduje się sonda do podłoża gruntowego, za pomocą specjalnych kotew. Rozwiązanie to najczęściej jest stosowane w przypadku samobieżnych podwozi gąsienicowych, posiadających stosunkowo niewielkie rozmiary oraz wagę.

Pomimo niewątpliwych zalet takich jaki ilość pozyskiwanych informacji na temat właściwości gruntu, sondowania statyczne podobnie jak dynamiczne, nie może być samodzielną metodą rozpoznawania podłoża gruntowego. Zazwyczaj tego typu badanie poprzedza wykonanie wierceń.

Badanie płytą sztywną VSS

Zgodnie z normą PN-S-02205:1998, zagęszczenie gruntu można także określić poprzez wyznaczenie wskaźnika odkształcenia gruntu (I₀). Wskaźnik ten jest możliwy do uzyskania za pomocą badania nośności podłoża gruntowego, używając do tego celu płyty VSS.

Badanie aparatem VSS, polega na pomiarze odkształceń pionowych podłoża gruntowego, spowodowanych obciążeniem płyty, do maksymalnej głębokości 0,5 m. Odkształcenia które powstają w wyniku obciążenia podłoża, wiążą się z przemieszczaniem między sobą cząsteczek gruntu, pękaniem ziaren, oraz odkształceniami sprężystymi.

W praktyce, badanie płytą VSS polega na dwukrotnym obciążeniu płyty sztywnej, o średnicy 0,3 m, znajdującej się na badanym podłożu gruntowym. Obciążenie płyty, przykłada się w dwóch następujących po sobie cyklach, między którymi przeprowadza się odciążenie podłoża. Pierwszy cykl badania ma za zadanie ustalić pierwotny moduł odkształcenia gruntu (E₁), natomiast drugi – moduł wtórny (E₂). Wyznaczenie tych dwóch modułów, pozwala obliczyć wskaźnik odkształcenia gruntu (I₀).

Ocenę prawidłowości zagęszczenia badanego nasypu budowlanego, uzyskuje się poprzez porównanie wartości uzyskanych parametrów z wymaganiami zawartymi w normie drogowej PN-S-02205:1998.

Badanie podłoża gruntowego za pomocą płyty VSS jest obecnie jednym z najpopularniejszych rodzajów badań podłoża gruntowego. Przeważnie, tego typu badanie, stosuje się w drogownictwie, ze względu na możliwość zbadania gruntu do głębokości nie przekraczającej 0,3 – 0,5 m, poniżej płyty.

Niestety mankamentem tego badania jest potrzeba zastosowania przeciwwagi, która umożliwiłoby odpowiednie obciążenie podłoża, w celu przeprowadzenia pomiarów jego odkształcenia. Najczęściej, jako przeciwwagę stosuje się ciężki sprzęt dostępny na budowach w postaci np. koparki lub ciężarówki załadowanej piaskiem.

Czas potrzebny na przeprowadzenie badania zależy od parametrów mechanicznych badanego podłoża. Im podłoże jest słabsze, tym mocniej osiada, a samo badanie trwa dłużej. Dlatego, koparka lub ciężarówka użyta do badania może być wyłączona z użytku nawet na 1,5 h.

Badanie zagęszczenia gruntu lekką płytą dynamiczną

W dzisiejszych czasach, coraz częściej stosowanym urządzeniem, służącym do badania podłoża gruntowego jest lekka płyta dynamiczna. Za jej pomocą, można uzyskać parametr zwany dynamicznym modułem odkształcenia podłoża gruntowego (Evd).

Badanie przy użyciu lekkiej płyty dynamicznej, polega na kilkukrotnym opuszczaniu oraz podnoszeniu obciążnika, znajdującego się na prowadnicy. Obciążnik o wadze 10 kg, uderzając w płytę obciążeniową, znajdującą się na podłożu, powoduje jej krótkotrwałe ugięcie. Dokonany pomiar jest przekazywany do elektronicznego miernika, połączonego z płytą obciążeniową za pomocą kabla.

Na podstawie trzech uderzeń wstępnych oraz trzech właściwych, oblicza się dynamiczny moduł odkształcenia gruntu (Evd). Wartość uzyskanego modułu przelicza się za pomocą wzoru empirycznego na wartość wskaźnika zagęszczenia gruntu (Is).

Uderzenia wstępne mają za zadanie usunąć wszelkiego rodzaju puste przestrzenie między gruntem a stalową płytą, przed rozpoczęciem właściwego badania. 

Cały zestaw potrzebny do przeprowadzenia badania lekką płytą dynamiczną to: płyta naciskowa, prowadnica oraz miernik elektroniczny. Jest to stosunkowo lekkie i poręczne urządzenie, pozwalające na wykonanie badania nawet w trudno dostępnych miejscach. Ponadto, stosowanie płyty obciążanej dynamicznie jest stosunkowo szybkim i wygodnym badaniem, nie wymagającym odpowiedniej przeciwwagi jak w przypadku płyty VSS.

Niestety badanie za pomocą lekkiej płyty dynamicznej ma także swoje wady. Przede wszystkim wzór empiryczny, który służy do przeliczania wartości modułu dynamicznego na wskaźnik zagęszczenia gruntu jest mało precyzyjny. Podczas przeliczania trzeba uwzględnić rodzaj kruszywa lub uziarnienie gruntu na którym zostało zrobione badanie, co czasami bywa kłopotliwe.

Badanie płytą dynamiczną ze względu na swoją specyfikę określa właściwości gruntu do głębokości ok. 0,3 m. Ponadto, sposób badania podłoża gruntowego płytą obciążaną dynamicznie pochodzi z Niemiec, w Polsce używanie płyty dynamicznej nie jest normowane. 

Z powyższych względów lekką płytę dynamiczną można zakwalifikować jako urządzenie do szybkiej, poglądowej kontroli jakości robót ziemnych na budowie. Wykonanie badania płytą dynamiczną daje pewien pogląd na to czy podłoże jest dobrze zagęszczone. Jeżeli chcemy dokładniejsze i bardziej precyzyjne badania powinniśmy przeprowadzić sondowanie gruntu.

Literatura:

• Pisarczyk S., 2005 – Mechanika gruntów. OWPW, Warszawa;
• Tarnowski M., (red.), 2020 – Badanie podłoża budowli, metody polowe. Wyd. PWN, Warszawa;
• PN-EN 1997-1:2008 Eurokod 7 – Projektowanie geotechniczne;
• Pisarczyk S., 2014 – Gruntoznawstwo Inżynierskie. Wyd. PWN, Warszawa;
• Pisarczyk S., 2005 – Mechanika gruntów. OWPW, Warszawa.