Abstract

Praca dotyczy badań modelowych w gruntach niespoistych ze szczególnym uwzględnieniem wpływu wysokiego poziomu naprężenia na zachowanie się podłoża gruntowego. Praca składa się z siedmiu rozdziałów. W pierwszym z nich opisano zachowanie się piasku w szerokim zakresie naprężeń z uwzględnieniem ściśliwości, kruszenia się ziaren, nieliniowości obwiedni zniszczenia oraz nieliniowości modułu odkształcenia związanych z poziomem naprężenia i poziomem odkształcenia w gruncie. Przedstawiono opis stanu gruntu niespoistego z zastosowaniem parametru stanu ψ. Opisano podstawy badań CPTU i DMT i ich interpretacji. Dokonano przeglądu sposobów wyznaczania oporu stożka na podstawie metod doświadczalnych, analitycznych oraz opartych na teorii stanu ustalonego. Podkreślono, że w wyniku zjawiska kruszenia się ziaren linia stanu ustalonego (SSL) nie jest prostą. Ze względu na nieliniowy charakter SSL ekstrapolacja wyników badań modelowych wykonywanych przy niskim poziomie naprężenia (typowe badania laboratoryjne przy 1g) na zachowanie się prototypu w zakresie wysokich naprężeń nie może być stosowana, gdy zjawisko kruszenia się ziaren staje się istotne i wpływa na nośność oraz odkształcenia gruntu. W takim przypadku należy dążyć do zachowania wokół modelu takiego samego poziomu naprężenia, jaki występuje wokół prototypu, którego zachowanie analizujemy.W rozdziale 2 dokonano krytycznego przeglądu metod badań modelowych zachowujących poziom naprężenia. Warunek ten spełniają badania modelowe w wirówce geotechnicznej, komorze kalibracyjnej oraz realizowane z zastosowaniem metody gradientu hydraulicznego. Ze względu na trudności doświadczalne w zapewnieniu jednorodnego pola przepływu ostatnia z metod jest rzadziej stosowana. Rozprawa zawiera analizę skal modelowania w badaniach w wirówce geotechnicznej. Opisano procedurę modelowania modeli ("modeling of models") stosowaną przy ścisłym odwzorowaniu zachowania się danego prototypu na modelach w różnej skali. Zdefiniowano efekt skali ("scale effect), który można wyznaczyć stosując procedurę "modeling of models". Badania na jednym modelu poddanym różnym przyśpieszeniom grawitacyjnym pozwalają na określenie wpływu poziomu naprężenia na zachowanie się modelu ("stress level effect"). Przedstawiono ogólne zasady badań modelowych w wirówce i w komorze kalibracyjnej. Podkreślono, że teorię stanu ustalonego można stosować do interpretacji wyników badań modelowych jedynie wtedy, gdy linia stanu ustalonego jest prostą.Rozdział 3 poświęcony jest opisowi istniejących komór kalibracyjnych. Konstrukcje komór kalibracyjnych przedstawiono w zależności od przykładanych warunków brzegowych oraz gruntu stosowanego w badaniach modelowych. Omówiono sposoby formowania masywu gruntowego. Przeanalizowano wpływy warunków brzegowych oraz średnicy komory (współczynnik Rd) na opór stożka. Wpływy te zależą od rodzaju piasku, jego granulometrii i mineralogii, oraz zagęszczenia i ściśliwości. Poprawna interpretacja wyników badań modelowych wymaga określenia wpływu warunków brzegowych na opór stożka dla danej średnicy komory i stosowanego piasku modelowego (patrz rozdział 4). Wpływ średnicy komory na wyniki badania dylatometrycznego oszacowano metodą elementów skończonych. Opisano komorę kalibracyjną, zaprojektowaną i skonstruowaną przez autora w Laboratorium Katedry Geotechniki, Geologii i Budownictwa Morskiego Politechniki Gdańskiej. Komora o podwójnych ścianach bocznych, z niezależnym sterowaniem ciśnieniami w membranach poziomych i komorach bocznych, pozwala na przykładanie typowych warunków brzegowych wokół masywu gruntowego. W komorze można formować próbki o średnicy 0.53 m i wysokości 1 m. Jest to zatem komora o średniej wielkości, porównywalnej z innymi konstrukcjami. Podstawową zaletą stanowiska badawczego jest możliwość przeprowadzenia badań modelowych w dobrze określonych warunkach brzegowych (BC1..BC5), przy pionowym ciśnieniu roboczym do 500 kPa. Podczas przykładania naprężeń możliwa jest rejestracja zmian objętościowych masywu gruntowego. Można uzyskać masyw gruntowy normalnie konsolidowany lub prekonsolidowany. Istnieje możliwość określenia współczynnika parcia spoczynkowego konsolidowanego masywu gruntowego. W badaniach stosowano równoziarniste drobne piaski kwarcowe z plaży w miejscowości Lubiatowo. Masyw gruntowy formowano metodą deszczu piaskowego z urządzenia stacjonarnego w przypadku piasku zagęszczonego lub przemieszczanej rury dla masywu z piasku średnio zagęszczonego. Parametry wytrzymałościowe oraz moduły odkształcenia piasku określono w badaniach w aparacie trójosiowego ściskania. W rozdziale 4 opisano badania modelowe przeprowadzone w komorze kalibracyjnej z zastosowaniem typowego stożka CPT, dylatometru (DMT), mini-stożka o średnicy 13.4 mm, pali modelowych o średnicy 20 mm i 32.8 mm. W badaniach stosowano typowe piaski występujące na polskim wybrzeżu Morza Bałtyckiego. Badania zrealizowano w szerokim zakresie składowej pionowej stanu naprężenia od 50 do 400 kPa przy różnych warunkach brzegowych (przy stałej składowej poziomej stanu naprężenia w gruncie - warunek BC1 lub bez zmian objętościowych wokół masywu gruntowego - warunek BC3). Serie wyników badań (opór stożka) zestawiono dla różnej składowej pionowej stanu naprężenia w gruncie i stosowanych warunków brzegowych. Ze względu na potencjalnie istotny wpływ warunków brzegowych i średnicy komory na opór stożka w piasku zagęszczonym, przeprowadzono dodatkową serię badań z zastosowaniem mini-stożka. Przeanalizowano przyrost składowej poziomej stanu naprężenia w gruncie w masywie gruntowym podczas wciskania stożka i pali modelowych o różnej średnicy. Pozwoliło to na oszacowanie składowej pionowej stanu naprężenia, przy której przyrost składowej poziomej naprężenia w gruncie podczas wciskania stożka będzie niewielki, tj. wpływ warunków brzegowych na opór stożka będzie już pomijalny. W zagęszczonym piasku Lubiatowo składowa ta wynosi około 700 kPa. Na podstawie wyników badań w komorze zaproponowano wartości qc, niezależne od wpływu warunków brzegowych i średnicy komory. W piaskach zagęszczonych zaobserwowano istotny wpływ warunków brzegowych na opór stożka, zwłaszcza przy małych naprężeniach. W piaskach średnio zagęszczonych niewielki wpływ warunków brzegowych występuje jedynie przy małych naprężeniach. Opór ostrza dylatometru był w tych samych warunkach nieznacznie większy od oporu stożka. Analiza wyników badań w komorze kalibracyjnej potwierdziła istotny wpływ składowej poziomej naprężenia na opór stożka. Przy tej samej wartości naprężenia średniego s'm uzyskano zbliżone wartości oporu stożka w badaniach z warunkiem brzegowym BC1 i BC3. Badania dylatometryczne DMT przeprowadzono w piaskach średnio zagęszczonych i zagęszczonych przy stałym naprężeniu w komorze (warunek BC1). Wartości modułu dylatometrycznego ED i modułu w warunkach jednoosiowego stanu odkształcenia MDMT przedstawiono na wykresach w zależności od składowej pionowej naprężenia. W rozdziale 5 analizowano zagadnienia dotyczące podstaw interpretacji badań modelowych. Efekt skali, związany ze średnicą ziaren, wpływa na wyniki badań w przypadku pojawienia się lokalizacji deformacji w masie gruntu lub wystąpienia strefy ścinania w kontakcie między konstrukcją a gruntem, tj. gdy grunt nie może być już traktowany jako ośrodek ciągły. Wpływ efektu skali na wyniki badań modelowych oszacowano na podstawie doświadczeń w wirówce geotechnicznej i badań ścinania w kontakcie grunt-konstrukcja w aparacie bezpośredniego ścinania o regulowanej sztywności normalnej. Wielkość efektu skali w zjawisku tarcia między konstrukcją a gruntem określono w przypadku dylatancji lub kontraktancji gruntu w strefie ścinania. Wyznaczono maksymalne wartości efektu skali dla dylatancji lub kontraktancji gruntu w strefie ścinania. Efekt skali w zjawisku tarcia wyrażono w zależności od stosunku średnicy modelu do grubości strefy ścinania w gruncie. W pracy przedstawiono zalecenia dotyczące ograniczenia wpływu efektu skali, związanego ze stosunkiem wymiaru modelu (wysokość skarpy, szerokość fundamentu, średnica pala) do średniej średnicy ziaren, na wyniki badań modelowych różnych zagadnień geotechnicznych (stateczność skarp, nośność fundamentów bezpośrednich, tarcie na pobocznicy i opór podstawy). Piasek stosowany w badaniach modelowych zmienia swoje parametry w wyniku wielokrotnego użycia. W przypadku badań prowadzonych przy wysokim poziomie naprężenia zjawisko ścierania i kruszenia się ziaren zachodzi szczególnie intensywnie. Piasek do badań modelowych w komorze kalibracyjnej powinien być zatem regularnie wymieniany, w celu uzyskiwania powtarzalnych masywów gruntowych.Poważnym ograniczeniem wszystkich badań laboratoryjnych jest to, że przeprowadzane są one na świeżo uformowanych zasypach piasku. Ekstrapolacja wyników badań laboratoryjnych na wyniki w złożach naturalnych powinna uwzględniać wpływ struktury gruntu oraz zjawisk starzenia i cementacji. Struktura gruntu rozumiana jest tu w szerszym zakresie z uwzględnieniem stanu i historii naprężenia w gruncie. W pracy przedstawiono sposoby oszacowania współczynnika parcia spoczynkowego w piaskach na podstawie badań CPTU i DMT. Omówiono wpływ czasu na parametry gruntów naturalnych oraz zagęszczanych gruntów piaszczystych. Przedstawiono wpływ cementacji na przyrost spójności gruntu oraz jego sztywności.W rozdziale 6 porównano wyniki badań uzyskanych w komorze kalibracyjnej i badań na poletkach doświadczalnych w piaskach kwarcowych o zbliżonych właściwościach do tych stosowanych w badaniach modelowych. Wpływ struktury gruntu oraz zjawiska starzenia na charakterystyki badań CPTU i DMT określono przeprowadzając serie badań na poletkach doświadczalnych w strefie brzegowej Bałtyku. Badania CPTU i DMT prowadzono w refulatach oraz w naturalnych złożach piasku. Badania laboratoryjne wykazały, że piaski na poletkach doświadczalnych nie wykazują cementacji i jej wpływ na charakterystyki badań CPTU i DMT można pominąć. Badania in situ wykonywano w świeżych refulatach lub młodych złożach z okresu Neoholocenu, dlatego wpływ czasu na zmianę parametrów piasków jest stosunkowo ograniczony. Zasadnicza różnica między parametrami i zachowaniem się piasku użytego w badaniach modelowych a analizowanego w badaniach in situ wynika z wpływu struktury gruntu, z uwzględnieniem stanu i historii naprężenia w gruncie. Stan naprężenia w gruncie oszacowano na podstawie badań CPTU i DMT z uwzględnieniem historii geologicznej terenu. Stwierdzono, że piasek na poletku doświadczalnym w Lubiatowie jest w stanie bardzo zagęszczonym, o współczynniku parcia spoczynkowego bliskim 2. Wartości oporu stożka, większe niż 45 MPa, uzyskane przy małej składowej pionowej stanu naprężenia (rzędu 50 kPa), przewyższają wartości obliczone na podstawie korelacji dostępnych w literaturze dla piasków normalnie konsolidowanych. Wykazano, że korelacja zaproponowana przez Jamiolkowskiego i innych (2001), dla piasków prekonsolidowanych o K0 = 2, stanowi dobre oszacowanie oporu stożka na poletku doświadczalnym w Lubiatowie. Wysokie zagęszczenie i prekonsolidację gruntu stwierdzono również w refulatach na poletku doświadczalnym na plaży w Kuźnicy oraz w przypowierzchniowej warstwie refulatów na nabrzeżu w porcie w Gdyni. Badania wykazały, że korelacja zaproponowana przez Jamiolkowskiego i innych (2001) może być stosowana w drobnych i średnich piaskach kwarcowych, występujących na Wybrzeżu Bałtyku. Stwierdzono wyraźny wpływ wieku złoża oraz prekonsolidacji na wartości wskaźnika składowej poziomej naprężenia KD na poletkach doświadczalnych. Na podstawie sondowań in situ określono wpływ efektu starzenia oraz prekonsolidacji piasku na wartości modułu w jednoosiowym stanie odkształcenia z badania DMT oraz zaproponowano korelacje między modułem odkształcenia MDMT a stopniem zagęszczenia. Podsumowania i wnioski oraz uwagi ogólne przedstawiono w rozdziale 7.

Author (1)