W nowoczesnej inżynierii geotechnicznej, aby model podłoża był jak najbardziej wiarygodny, musimy połączyć precyzję laboratoriów z rzeczywistością warunków terenowych. Dziś skupimy się na fascynującym procesie korelowania badań trójosiowych (TX) z badaniami polowymi (in situ), co jest kluczowe dla uzyskania optymalnych parametrów projektowych.
Rola Badań Laboratoryjnych (TX)
Badania trójosiowe dostarczają fundamentalnych parametrów wytrzymałościowych i odkształceniowych. Na ich podstawie wyznacza się moduły odkształcenia (np. moduł Younga) oraz współczynnik Poissona.
Pamiętajmy, że moduł odkształcenia gruntu spoistego nie jest wartością stałą, a sztywność jest zależna od wielu czynników, z których najistotniejszym jest zakres odkształceń. Wartości współczynnika Poissona mierzone wewnętrznie (wewnątrz próbki) są mniejsze niż te mierzone zewnętrznie.
Kluczowe Badania Terenowe (In Situ)
Badania polowe pozwalają zminimalizować wpływ zakłóceń próbki, dając wgląd w ciągłość i historię naprężenia podłoża. Norma PN-EN 1997-2 wymienia i zaleca szereg znormalizowanych metod, w tym:
1. Sondowanie Statyczne CPT / Piezostożek CPTU
Metoda CPT/CPTU jest szczególnie przydatna, ponieważ umożliwia uzyskanie niemal ciągłego zapisu oporu gruntu.
• Co mierzymy? Sondowanie statyczne CPTU mierzy ciśnienie wody w porach (u2). Ciśnienie to składa się z wartości in situ u0 (ciśnienie hydrostatyczne) oraz nadwyżki ciśnienia wody w porach wywołanej penetracją stożka, która zależy od zachowania gruntu i geometrii stożka (u = u0 + Delta u).
• Zastosowanie: Wyniki te są wykorzystywane do uszczegółowienia granic geologicznych, określenia stanu i zagęszczenia gruntów, a także do prognozy osiadań.
Rysunek 1: Piezostożek CPTU
2. Badanie Dylatometrem Płaskim (DMT)
Badanie to polega na pomiarach ciśnienia gazu działającego na membranę, wykonywanych na określonych głębokościach podczas pogrążania łopatki dylatometru. Służy do pomiaru odkształcalności.
Rysunek 2: Łopatka dylatometru DMT wraz z modułem sejsmicznym
3. Badania Sondą Krzyżakową (FVT)
• FVT (Field Vane Test): Stosowane dla słabych gruntów drobnoziarnistych i organicznych w celu określenia wytrzymałości na ścinanie bez odpływu (Tfu).
Rysunek 3: Łopatka krzyżakowa FVT
Integracja Danych: Pełny Obraz Podłoża (Laboratorium vs. Teren)
Wiarygodny model geotechniczny wymaga krytycznej oceny i połączenia informacji uzyskanych w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych (badania trójosiowe – TX, edometryczne) z rzeczywistymi danymi terenowymi (in situ).
1. Sztywność zależna od odkształceń (nieliniowość): Badania TX dostarczają szczegółowych parametrów, w tym różnych modułów odkształcenia (moduł styczny, moduł sieczny). W przypadku gruntów spoistych sztywność (np. moduł odkształcenia E) nie jest stała, a jej wartość silnie zależy od zakresu rozpatrywanych odkształceń. Nieliniowość fizyczna gruntów spoistych jest najbardziej widoczna w bardzo małym zakresie odkształceń, między 0,001% a 0,1%. Badanie charakterystyk naprężenie-odkształcenie w tym zakresie jest kluczowe dla określenia reprezentatywnych wielkości sztywności dla warunków pracy konstrukcji i tworzenia realistycznych modeli gruntów.
2. Różnice w pomiarach modułów Wartości modułów odkształcenia E określone na podstawie pomiarów wewnątrzkomorowych w badaniu trójosiowym są zazwyczaj większe niż te uzyskane z pomiarów zewnętrznych. Różnica ta jest wyraźniejsza przy wyższym poziomie naprężenia i niewielkim zakresie odkształcenia. Korelacja danych pomaga wyjaśnić przyczyny niezgodności wyników laboratoryjnych i terenowych. Ponadto, wartości współczynnika Poissona mierzone wewnętrznie są mniejsze niż te mierzone zewnętrznie.
3. Wzajemna kalibracja i weryfikacja (węzły badawcze): Badania terenowe, takie jak CPTU i SDMT, dostarczają niemal ciągłych profili parametrów podłoża i pozwalają na oszacowanie kluczowych współczynników stanu gruntu, w tym współczynnika parcia w spoczynku K0 i współczynnika prekonsolidacji OCR.
◦ W przypadku gruntów słabo przepuszczalnych, szczególnie tych organicznych, bezpośrednie pomiary odkształceń (np. DMT, PMT) są zalecane, ponieważ korelacje oparte na oporze stożka mogą być niewiarygodne.
◦ Dla II i III kategorii geotechnicznej wymagane jest pozyskanie danych ilościowych. Zaleca się projektowanie sondowań (CPT, DMT itp.) w ilości nie mniejszej niż 50% ogólnej liczby punktów dokumentacyjnych, a profile sondowań należy odnosić do profili wierceń.
◦ W skomplikowanych i złożonych warunkach geotechnicznych stosuje się węzły badawcze (zestawienie wiercenia i sondowania w jednym miejscu) w celu wzajemnej weryfikacji wyników.
4. Parametry dla metod obliczeniowych (MES): W obliczeniach numerycznych, oprócz klasycznych parametrów, niezbędne jest uzyskanie parametrów stanu i historii naprężenia gruntu (np. K0, OCR, początkowe moduły E0 lub G0) oraz charakterystyk sztywności. Badania laboratoryjne (TX) są kluczowe dla określenia tych parametrów dla różnych ścieżek naprężenia (np. parcie czynne, bierne, obciążenie fundamentem).
5. Krytyczna analiza wyników: Wszystkie uzyskane wyniki badań, zarówno laboratoryjne, jak i terenowe, powinny być zestawione i porównane. Należy sprawdzić, czy wyniki o podobnym opisie są porównywalne i czy wartości np. wytrzymałości na ścinanie odpowiadają oznaczonej konsystencji gruntu. Rozbieżności w wynikach powinny być szczegółowo przeanalizowane.
Pamiętajmy: Przy projektowaniu na gruntach antropogenicznych konieczne jest dostosowanie związków korelacyjnych do lokalnych warunków, a w przypadku gruntów organicznych należy przeprowadzać bezpośrednie oznaczenia parametrów geotechnicznych, zamiast polegać na korelacjach opracowanych dla gruntów mineralnych. Dodatkowo dobierajmy zakres badań do warunków gruntowo-wodnych. W prostych warunkach, gdzie na całym obszarze występują piaski wodnolodowcowe, nie są konieczne badania tak zaawansowane, jak na obszarach występowania torfów i namułów.