GRUNTY ORGANICZNE · biogeniczne, hydrogeniczne i mineralne. ... Bałtykiem, wzdłuż...

Piotr Jermołowicz – Inżynieria Środowiska Szczecin

GRUNTY ORGANICZNE

Grunty organiczne są to grunty, w których zawartość substancji organicznej przekracza 2 %.

Zaliczane są do gruntów typowo słabonośnych, czyli takich, które pod obciążeniem ulegają

znacznym odkształceniom.

Samo określenie słaby grunt lub podłoże jest pojęciem względnym. W opracowanych wieluwytycznych słabonośne podłoże definiowane jest jako warstwy gruntu nie spełniającewymagań wynikających z warunków nośności lub stateczności albo warunków przydatnoścido użytkowania w odniesieniu oczywiście do rozpatrywanego obiektu lub elementukonstrukcji.Charakterystyczną cechą tych gruntów jest niska wytrzymałość na ścinanie i duża ściśliwość

i wynika z obecności w ich masie substancji organicznych oraz koloidalnej fazy ciekłej.

Rys.1 Schemat odkształcenia słabego podłoża pod nasypem.

Tab. 1. Typowe wartości modułów ściśliwości Mo dla wybranych gruntów organicznych

źródło: www.inzynieriasrodowiska.com.pl

Zgodnie z normą PN-86/B-02480 wśród gruntów organicznych wyróżnia się:

grunty próchniczne H - grunty nieskaliste, w których zawartość części organicznych

jest większa od 2%, i jest wynikiem wegetacji roślinnej oraz obecności mikroflory

i mikrofauny, namuły Nm - grunty powstałe na skutek osadzania się substancji mineralnych

i organicznych w środowisku wodnym (rozróżnia się: namuły piaszczyste Nmp

-mające właściwości gruntu niespoistego oraz namuły gliniaste Nmg - odpowiadające

gruntom spoistym), gytie Gy - namuły z zawartością węglanu wapnia ponad 5%, który może wiązać

szkielet gruntu, nadając mu charakter gruntu skalistego o niskiej wartości Rc, torfy T - grunty powstałe z obumarłych i podlegających stopniowej karbonizacji

części roślin; torfy cechuje na ogół zawartość części organicznych większa od 30%, węgle brunatne WB i kamienne WK - grunty skaliste, powstałe na skutek silnej

karbonizacji substancji roślinnych.

Rys.2. Podział gruntów organicznych (PN-86/B-02480)

Poprzez swoją złożoność struktury grunty te nie są w żaden sposób znormalizowane, tj. nie

ma zestawień ich parametrów, a badając należy każdorazowo wykonać pełny zakres badań

terenowych jak i laboratoryjnych.


W podziale gruntów organicznych przyjmowane są kryteria:

zawartość części organicznych Iom,

zawartość CaCo3,

siedlisko i geneza powstania.

Według normy klasyfikacyjnej PN-86/B-02480 oraz Instrukcji badań podłoża gruntowego

(1998) wyróżnia się:

grunty próchniczne (2%<Iom<5%) — grunty nieskaliste, w których zawartość części

organicznych jest wynikiem wegetacji roślinnej oraz obecności mikroflory i

mikrofauny,

grunty mineralno-organiczne (5%<Iom<15%), powstałe w zagłębieniach poza dolinami

rzek,

namuły (5%<Iom<30%), z podziałem na namuły piaszczyste i namuły gliniaste; grunty

powstałe w wyniku osadzania się substancji mineralnych i organicznych

w środowisku wodnym, osady akumulacji rzecznej facji starorzecza lub deltowej,

gytie mineralne (5%<Iom<30%, 12%<CaCO3<80%), namuły z zawartością węglanu

wapnia > 5%,

gytie organiczne (Iom>30%, 20%<CaCO3<80%),

kreda jeziorna (CaCO3>80%),

torfy (Iom>30%), grunty powstałe z obumarłych i podlegających stopniowej

karbonizacji części roślin.

Wyróżnia się wśród torfów:

- torfy słabo rozłożone (stopień rozkładu torfu wg skali von Posta: H1 – H3),

- torfy średnio rozłożone (stopień rozkładu torfu wg skali von Posta: H4 – H6),

- torfy silnie rozłożone (stopień rozkładu torfu wg skali von Posta: H7 – H10),

- torfy zamulone,

węgle brunatne i węgle kamienne - grunty skaliste powstałe w wyniku silnej

karbonizacji substancji roślinnych.


Tab. 2. Podział gruntów nieskalistych, organicznych ze względu na zawartość części organicznych

Dodatkowym kryterium podziału na grunty mineralne i organiczne może być zawartość

części mineralnych wyrażonych przez popielność. Najczęściej do gruntów organicznych

zalicza się grunty o popielności nieprzekraczającej 95 %.

W rozszerzonych laboratoryjnych badaniach gruntów organicznych celowe jest oznaczenie

następujących właściwości fizycznych:

uziarnienia i granic konsystencji (wg PN-88/B-04481),

zawartości części organicznych metodami: utleniania (gdy zawartość substancji

organicznej nie przekracza 10%) i prażenia (gdy w badanych próbkach nie występują

węglany) lub metodą Tiurina (metoda uniwersalna),

popielności,

zawartość węglanu wapnia metodą Scheiblera,

stopnia rozkładu torfu wg skali von Posta,

gęstości: objętościowej i właściwej,

wilgotności naturalnej (wg PN-88/B-04481)

Cechą charakterystyczną nieskonsolidowanych gruntów organicznych jest ich prawie zawsze

duża wilgotność wn=100 ÷ 2000%, duża porowatość, mała wytrzymałość na ścinanie τ f = 5 –

50 kPa, duża ściśliwość oraz znaczna przestrzenna zmienność właściwości fizycznych

i mechanicznych, a także zmiany tych właściwości w czasie spowodowane procesami

biologicznymi i chemicznymi. Lepsze parametry geotechniczne mają grunty organiczne

przykryte nadkładem gruntu rodzimego lub nasypowego o miąższości kilku lub kilkunastu

metrów.

Ze względu na wrażliwość gruntów organicznych na naruszenie struktury, próbki gruntów do

badań laboratoryjnych należy pobierać specjalnym próbnikiem.


Próbki o nienaruszonej strukturze (NNS) klasy A1 służą do wykonania wszystkich badań

omówionych przy próbkach o naturalnym uziarnieniu i o naturalnej wilgotności oraz do:

oznaczenia ciężaru objętościowego, ciężaru objętościowego szkieletu gruntowego, porowatości i wskaźnika porowatości, oznaczenia zagęszczenia, edometrycznego oznaczenia modułu ściśliwości i modułu odprężenia, oznaczenia cech wytrzymałościowych - kohezji i kąta tarcia wewnętrznego

współczynników konsolidacji Cv , Ch

parametrów ciśnienia wody porowej i

współczynników Ψ, υ.

Do pobierania tego typu gruntów, bardzo często będących w stanie miękkoplastycznym lub

płynnym stosowane są próbniki rdzeniowe.

Konstrukcja wszystkich tego rodzaju przyrządów polega na zamknięciu cylindra od góry

zaworem, który uniemożliwia dostęp powietrza do komory znajdującej się nad próbką. Zawór

umożliwia odpływ powietrza i wody w czasie wciskania stalowego cylindra w grunt.

Utrzymanie próbki gruntu w cylindrze w czasie jego wyciągania z otworu wiertniczego

możliwe jest wskutek tarcia gruntu o ścianki cylindra oraz różnicy ciśnień pod i nad próbką.

Na próbkę od dołu działa ciśnienie atmosferyczne, nad próbką zaś w komorze aparatu,

w razie minimalnego przesunięcia się próbki w dół, powstaje ciśnienie mniejsze od

atmosferycznego.

Przyrząd i cylindry do pobierania próbek powinny mieć konstrukcję dostatecznie wytrzymałą

i nieodkształcalną. Średnica wewnętrzna cylindra powinna wynosić około 100 mm,

a wysokość około 250 mm.


Rys. 3. Przyrząd do pobierania próbek gruntu NNS (wg Normy PN/B-04451) [4]

1 – żerdź wierdtnicza, 2 – zawór, 3 – komora, 4 – uszczelna, 5 – cylinder

Fot. 1. Widok próbnika rdzeniowego


Właściwe przechowywanie próbek NW i NNS wymaga spełnienia następujących warunków:

temperatura otoczenia nie może być niższa niż 0°C, próbki nie mogą być przechowywane w miejscach nasłonecznionych lub sztucznie

nagrzewanych, od daty pobrania próbki do czasu jej zbadania w laboratorium nie powinno upłynąć

więcej niż dwa dni.

W czasie transportu szczególną uwagę należy zwrócić, aby próbki NW i NNS nie podlegały

wstrząsom. Próbki te należy przewozić w pozycji stojącej, najlepiej w skrzyniach wypełnio-

nych np. trocinami lub podobnym materiałem zabezpieczającym słoje i cylindry przed

przesuwaniem i uderzaniem o siebie.

Wobec trudności w pobieraniu próbek dobrej jakości i odtworzeniu ich naturalnej struktury w

laboratorium, zaleca się w jak najszerszym zakresie wykonywanie badań gruntów

organicznych metodami polowymi. W badaniach terenowych do określania parametrów

mechanicznych przydatna jest sonda obrotowa, świder talerzowy, sonda wciskana CPT oraz

sonda z pomiarem ciśnienia wody w porach CPTU.

Każdy typ gruntów organicznych charakteryzuje się odmiennymi właściwościami

inżyniersko-geologicznymi. Wynika to przede wszystkim z innych warunków sedymentacji,

co sprawia, że charakter substancji organicznej oraz ich właściwości strukturalne, chemiczne,

fizykochemiczne, mineralne, fizyczne i wynikające z nich mechaniczne są bardzo

zróżnicowane. Każdy z gruntów musi być zatem rozpatrywany indywidualnie, zarówno z

punktu widzenia oceny ich właściwości, jak i przyczyn ich kształtowania się.

W zależności od warunków klimatycznych i biologicznych substancja organiczna w warstwie

glebowej może ulegać całkowitemu rozkładowi, czyli mineralizacji, lub też przekształceniu w

próchnicę, czyli humifikacji. Udział w tych procesach bierze przede wszystkim mikroflora

(bakterie, grzyby i glony) oraz częściowo mikro- i mezofauna.

Przeobrażanie substancji organicznej w składniki nieorganiczne (mineralizacja) pod wpływem

rozkładu mikrobiologicznego może przebiegać w różnych warunkach wodnych i

atmosferycznych, dlatego rezultatem są różne produkty końcowe.

Bardziej złożony jest proces humifikacji. W wyniku humifikacji następuje rozkład związków

zawartych w obumarłej substancji organicznej, powstają nowe związki, zachodzą zmiany

fizykochemiczne i chemiczne związków bardziej odpornych oraz polimeryzacja i kondensacja

powstających produktów. Humifikacja ma charakter przede wszystkim biochemiczny.

Powstaje złożona, koloidalna substancja – próchnica.


Kwasy humusowe związane z procesami zachodzącymi w substancji organicznej mają wpływ

na korozyjność w stosunku do konstrukcji budowlanych.

Tab. 3. Własności korozyjne gruntu w zależności od składu chemicznego

i domieszek organicznych wg normy BN-66/2330-01

Dla większości gruntów organicznych naturalnym środowiskiem sedymentacyjnym są jeziora

i bagna.

Wśród osadów jeziornych dominują:

biogeniczne, hydrogeniczne i mineralne.

W osadach dolin rzecznych (madach) może natomiast znajdować się zarówno substancja

organiczna przyniesiona przez wodę, np. z rozmytych utworów glebowych (często w postaci

kompleksów organiczno-mineralnych), jak i substancja dopiero powstała w dolinie w

warunkach jej zabagnienia pod wpływem nadmiernego uwilgotnienia. Na ogół jednak ilość

substancji organicznej przedostającej się do dolnych warstw mad jest niewielka, tak że w

większości przypadków są to grunty organiczno-mineralne różniące się od gruntów

próchniczych pochodzenia lądowego dalszym stadium przeobrażenia substancji organicznej w

warunkach wyższego uwilgotnienia.

Klasyfikacja osadów biogenicznych jezior i bagien jest złożona i często niejednoznaczna, co

wynika z różnego stopnia uwęglenia szczątków roślinnych, a to utrudnia identyfikację

wchodzących w skład związków chemicznych. Związki humusowe są adsorbowane na

powierzchni minerałów ilastych. Uważa się, że ponad 50 % obecnej w wodzie substancji

humusowej jest transportowane razem z innymi minerałami.

Dlatego też, właściwości mechaniczne gruntów organicznych zawierających substancje


organiczne, zależą także od zawartości części mineralnych.

Części mineralne wchodzące w skład gruntów organicznych to:

okruchy skalne, minerały pierwotne (frakcja piaszczysta i pylasta), minerały wtórne (frakcja ilasta), węglany i sole mineralne.

Duży wpływ na inżyniersko-geologiczne właściwości niektórych gruntów organicznych (np.

gytii i kredy jeziornej) ma obecność w nich węglanów i innych soli.

Podstawowym składnikiem mineralnym kształtującym właściwości gruntów, w tym gruntów

organicznych, jest frakcja iłowa i zawarte w niej minerały ilaste zaliczane do krzemianów

warstwowych. We frakcji iłowej obok minerałów ilastych grupują się związaki żelaza i glinu

oraz krzemionka bezpostaciowa, mająca również znaczny wpływ na właściwości gruntu,

a także w niewielkich ilościach inne składniki.

Rozpoznanie składu mineralnego frakcji iłowej gruntów organicznych oraz w niektórych

przypadkach zawartości węglanów jest jednym z podstawowych elementów przy ich ocenie

jako gruntów budowlanych.

W osadach bagiennych dominują :

osady sapropelowe jezior (szczątki roślinne i zwierzęce – plankton), osady humusowe torfowisk (szczątki roślin lądowych).

Sapropele dzielą się z kolei na:

dy i gytię

Gytia może dodatkowo przechodzić w kredę jeziorną, jeżeli zawartość CaCO3 przekroczy

80 % masy.


Rys. 4. Ogólna klasyfikacja osadów [9]

Dy – osady zbiorników dystroficznych o zawartości (przekraczającej 50 % masy) substancji

organicznej podobnej do torfu.

Gytia – jest to podstawowa masa osadów sapropelowych. Dominuje w jeziorach i woda

bogatą w tlen i substancję organiczną – głownie plankton. Charakterystyczną cechą

jest obecność naniesiny substancji organicznych, CaCO3 i części mineralnych

(niewęglowych).

Torfy – powstają przeważnie w strefie brzegowej jezior lub w zarastających zbiornikach i

bagnach.

Muł – osad powstający w zbiornikach wodnych i jeziornych. Ze wszystkich poprzednich

osadów jest najbardziej rozpowszechnionym. Jest to osad mineralny pylasto-ilasty z

domieszkami organicznymi. Bardzo często uznajesie muły jako utwór organiczny

pośredni między torfem a gytią.

Namuły – są to grunty facji powodziowej z nanosem piaszczystym lub gliniastym.


Tab. 4. Podział gruntów organicznych

Duża wrażliwość gruntów organicznych w stosunku do wody, znaczna ściśliwość, niska

wytrzymałość na ścinanie oraz wysoki skurcz dają podstawy do zaliczenia tych gruntów do

słabonośnych.

Torfy w torfowiskach mogą występować bez nadkładu lub pod przykryciem warstwy murszu

albo gleby - kożucha torfowego.

Naturalna sekwencja osadów w torfowiskach jest na ogół następująca:

podłoże mineralne, podłoże mineralne wzbogacone w węglan wapnia (kreda jeziorna) i gytia, torf.

Występowanie torfów na świecie głównie jest związane z obszarami stosunkowo chłodnego i

wilgotnego klimatu na półkuli północnej. W Europie najwięcej torfowisk znajduje się w

obszarach, które były zlodowacone w plejstocenie. Europa zajmuje pierwsze miejsce na

świecie pod względem wielkości torfowisk. Występują one na polodowcowych obszarach nad

Bałtykiem, wzdłuż południowo-wschodniego wybrzeża Morza Północnego oraz w

północnych i środkowych regionach Rosji.

W Ameryce Północnej największe siedliska torfowisk znajdują się w Kanadzie.


Rys. 5. Zasięg maksymalnego zlodowacenia w Europie (str. www z Internetu)

Tab. 5. Zakresy wartości pH dla wybranych typów torfów


Tab.6. Skala van Posta

Gytie są jeziornym utworem organicznym osadzającym się w słodkowodnych zbiornikach

wód stojących, najczęściej w rynnach polodowcowych oraz jeziorach wytopiskowych.

Powstały w holocenie oraz u schyłku plejstocenu. Gytie powstają ze szczątków roślin

i zwierząt bogatych w tłuszcze i białka (w przeciwieństwie do roślin, z których powstaje torf,

bogatych w węglowodany).

Gytie składają się z :

części organicznych, węglanu wapnia oraz części mineralnych bezwęglanowych.

W zależności od przewagi jednego z tych składników wydziela się różne odmiany gytii.


Tab.7. Podział gytii

Tab.8. Klasyfikacja osadów jeziornych

Obszary torfowisk, gytiowisk, z zalegającymi namułami, madami lub najczęściej będącychkonglomeratami tych utworów, a będących w kręgu zainteresowania inżynierskiegowykorzystania do posadowień różnych obiektów budowlanych wymagają specyficznegopodejścia już na etapie wstępnego rozpoznania geotechnicznego.Nie istnieje tym samym jedno kryterium dla gruntów słabonośnych, określające podłoże jakowymagające wzmocnienia. Konieczność wzmocnienia podłoża zależy przede wszystkim odcech podłoża, rodzaju budowli oraz stawianych wymagań.

Wymóg ulepszenia słabego podłoża, jego wzmocnienia lub modyfikacji przekrojupoprzecznego nasypów wraz z technologią ich wznoszenia pojawia się, gdy :

w podłożu nawierzchni drogowych grunty nie spełniają określonych kryteriów

odnośnie rodzaju gruntów i uziarnienia, wskaźnika zagęszczenia Is, modułu odkształcenia E2 oraz stosunku modułów E2 / E1,

w podłożu budowli ziemnych zalegają grunty bardzo ściśliwe, o małej lub nietrwałej

wytrzymałości oraz niestabilnej strukturze, grunty o małej wytrzymałości ( cu do 50 kPa ) i bardzo ściśliwe ( moduł do 5 MPa ), przede wszystkim grunty organiczne i nasypowe ( antropogeniczne ) ; grunty o niestabilnej strukturze ( pęczniejące, zapadowe – lessowe i ulegające deformacjom filtracyjnym – sufozji, podatne na


upłynnienie itp. ), tereny osuwiskowe, krasowe i zagrożone deformacjami górniczymi,

w podłożu fundamentów budowli zalegają grunty o wytrzymałości i ściśliwości nie

zapewniających spełnienia wymagań dotyczących stanów granicznych nośności i użytkowania konstrukcji

Tym samym dokładne określenie parametrów fizyko-mechanicznych gruntów podłoża,szczególnie na próbkach klasy jakości A1 (NNS), wykonanych z pełną świadomością celuokazuje się nieodzowne. Dla gruntów organicznych, gdy dochodzi dodatkowo reologia i konsolidacja (przyśpieszenie drenażem pionowym), należy wykonać badania:

kąta tarcia wewnętrznego i kohezji,

wilgotności naturalnej,

modułów odkształcenia,

współczynników konsolidacji dla przepływów pionowych i poziomych Cv , Ch

parametrów ciśnienia wody porowej i

współczynników Ψ, υ.

Nasyp posadowiony na gruntach słabonośnych, np. gruntach organicznych, powodujeznaczne odkształcenia, które w przypadkach krytycznych przybierają postać wyparciapodłoża związanego z osuwiskiem skarp lub jego zatonięciem ( pogrążaniem się ).Budowie nasypu na gruntach organicznych zawsze towarzyszy intensywne osiadanie,niespotykane przy gruntach mineralnych.Przebieg, charakter i zakres odkształceń zależy od stanu i układu warstw gruntów słabych wpodłożu, od wielkości i rozkładu obciążeń przekazywanych przez nasyp, jego kształtu orazintensywności ich przyrostu.

Według Eurokodu 7 dla obciążenia pionowego i nasypu ( B/L ≈ 0 ) opór graniczny słabego podłoża (Øu ≈ 0 ) wynosi:

qf = 5,14 cu + DγD

gdzie : D - zagłębienie nasypu poniżej poziomu terenu , m, γD – ciężar objętościowy gruntu w strefie D, kN/m3.

Swoiste przesłanie, które zawarł w swojej książce Wiłun, że „wszystkie grunty mają swoją

pamięć i kodują w niej oddziaływania środowiska” nabiera znaczenia przy wyznaczaniu

parametrów nośności i odkształcalności również w przypadku gruntów organicznych.

Przeszłość geologiczna i powstanie określonych osadów na badanym terenie jest synergią

cech fizyko-mechanicznych tych gruntów.


Literatura :

1. Borys M. : Metody modernizacji obwałowań przeciwpowodziowych z zastosowaniemnowych technik i technologii. Wyd. IMUZ, Falenty 2006

2. Bzówka J. [i in.] : Geotechnika komunikacyjna. Wyd. P. Śl.,Gliwice 20133. Dębski W., Sokalski K.: Materiałoznawstwo drogowe z geologią i petrografią. PWSZ

19674. Ignut R.[i in.]: Terenowe badania geologiczno-inżynierskie. Wyd.Geologiczne, W-wa

19735. Jermołowicz P.: Nasypy na gruntach słabonośnych – optymalizacja przekroju

poprzecznego oraz określanie stref naprężeń w podłożu. Mat. szkoleniowe. ZOIIB, Szczecin 2010

6. Jermołowicz P.: Wykonywanie robót ziemnych na gruntach słabych, wysadzinowych i podmokłych. Mat. szkoleniowe. LOIIB, Lublin 2013

7. Kostrzewski W.: Mechanika gruntów. Parametry geotechniczne gruntów budowlanychoraz metody ich wyznaczania. PWN. Warszawa 1980

8. Molisz R., Baran L., Werno M.: Nasypy na gruntach organicznych. WKŁ, Warszawa 1986

9. Myślińska E.: Grunty organiczne i laboratoryjne metody ich badania. PWN, Warszawa2001

10. Poradnik wzmocnienia podłoża gruntowego dróg kolejowych. Pod red. Z. Biedrowskiego. Poznań 1986

11. Wiłun Z.: Zarys geotechniki. WKŁ. Warszawa 201312. Wytyczne wzmacniania podłoża gruntowego w budownictwie drogowym. IBDiM,

Warszawa 200213. PN-86/B-02480. Grunty budowlane.14. PN-B-04452:2002. Geotechnika. Badania polowe.15. PN-B-02479:1998. Dokumentowanie geotechniczne. Zasady ogólne.16. PN-B-04481:1998. Grunty budowlane. Badania laboratoryjne.


GRUNTY ORGANICZNE · biogeniczne, hydrogeniczne i mineralne. ... Bałtykiem, wzdłuż...

Documents

Transcript of GRUNTY ORGANICZNE · biogeniczne, hydrogeniczne i mineralne. ... Bałtykiem, wzdłuż...