Zagęszczanie gruntów metodą mikrowybuchów - ebook

WPROWADZENIE

Lokalizacja obiektów budowlanych coraz rzadziej może być dostosowana pod kątem korzystnych warunków posadowienia. Budownictwo, w tym także komunikacyjne, nie może zajmować terenów rolniczych, leśnych oraz atrakcyjnych pod względem krajobrazowym.

Często brak odpowiednich terenów zmusza inwestorów do posadowienia obiektów na gruntach dotychczas omijanych, uznawanych za nieprzydatne do działalności budowlanej, na przykład na nawodnionych luźnych gruntach piaszczystych, terenach rekultywowanych, gruntach nasypowych, słabych spoistych o małej wytrzymałości i sztywności oraz innych.

W zależności od wartości obciążenia jednostkowego przekazywanego przez fundament na podłoże, a także warunków wodnych oraz warunków pracy budowli, w gruntach o małej wytrzymałości i sztywności może zajść konieczność ulepszenia parametrów geotechnicznych (wytrzymałościowych, odkształceniowych) podłoża.

Wzmocnienie lub ulepszenie gruntów twardych bądź miękkich stanowią jeden z elementów badań naukowych i wdrożeń do praktyki inżynierskiej. Ulepszanie właściwości gruntów obejmuje nie tylko przypowierzchniową warstwę podłoża, lecz sięga głębiej do kilku i kilkudziesięciu metrów, zależnie od charakteru i ważności obiektu.

Istnieje duża liczba metod ulepszania lub wzmocnienia gruntów. Ogólnie można wśród nich wyróżnić dwie grupy:

» Metody, w których grunt ulega modyfikacji poprzez zastosowanie różnego rodzaju zastrzyków w celu uzyskania podłoża bardziej zagęszczonego lub zwartego. Polepszanie kontaktów między ziarnami gruntu poprzez zmniejszenie jego porowatości. Są to tzw. metody ulepszania gruntu.

» Metody polegające na wprowadzeniu do niego elementu konstrukcyjnego w celu zwiększenia wytrzymałości mechanicznej gruntu. Są to tak zwane metody wzmocnienia gruntu.

Ulepszenie podłoża gruntowego in situ ma historycznie ustaloną tradycję i w obecnej praktyce inżynierskiej stosuje się szeroką gamę zabiegów mających na celu poprawę parametrów gruntowych. Należy również wspomnieć o jeszcze jednym aspekcie: grunt jako materiał stosunkowo niedrogi staje się coraz bardziej materiałem konstrukcyjnym i ze względów ekonomicznych sięga się coraz częściej do gruntów o średniej jakości.

Nowe metody ulepszenia lub wzmocnienia gruntu stosuje się do posadawiania coraz poważniejszych budowli, w których uwzględnia się długi czas ich użytkowania i oddziaływania na środowisko. Wśród przykładów można wymienić uzdatnianie podwodnych nasypów morskich i różnego rodzaju budowle podziemne.

W obecnej chwili mechanizm procesu zagęszczania jest lepiej wyjaśniony w przypadku technik odnoszącymi się do zagęszczania powierzchniowego niż mechanizm stosowany w metodach do zagęszczania wgłębnego i na dużych głębokościach, gdzie wzrastająca liczba stopni swobody prowadzi do większego stopnia złożoności tego mechanizmu. Metoda zagęszczenia gruntów ziarnistych i mało spoistych za pomocą mikrowybuchów, będąca tematem niniejszej książki, znana jest jako jedna z najtańszych i najbardziej wydajnych metod wzmocnienia gruntów.

Określając działanie zagęszczające mikrowybuchów przyjęto założenie, że mikrowybuch wywołuje rezydualne ciśnienie wody w porach gruntu, którego szkielet konsoliduje się pod wpływem własnego ciężaru. Wymiarowanie ładunków wybuchowych, które obejmuje ich rozdział na powierzchni i na pewnej głębokości w zagęszczanym podłożu gruntowym oraz ustalenie kolejności detonacji, oparto na ustalonych doświadczalnie wartościach uzyskanych w badaniach terenowych. Przytoczone w książce wartości, uzyskane na podstawie badań doświadczalnych i teoretycznych, obcych i własnych, stanowią próbę wyjaśnienia mechanizmów pojawiających się przy obciążeniu rozdrobnionego ziarnistego gruntu o małej nośności i sztywności, częściowo nawodnionego, podczas jego zagęszczania mikrowybuchami, oraz podania obliczeniowej metody wymiarowania zagęszczania wywołanego wybuchem.

Do opracowania doświadczalnych wyników badawczych wykorzystano mechanizm modelu teorii prawdopodobieństwa.

Obliczenia teoretyczne dotyczące zagęszczenia nawodnionych gruntów ziarnistych przeprowadzono dwoma torami:

» na podstawie dynamicznej teorii rozchodzenia się fal w ośrodku sprężysto-plastycznym,

» na podstawie teorii pola bliskiego zasięgu dynamicznego oddziaływania mikrowybuchu w ośrodku ziarnistym.

W książce podano również praktyczne, empiryczne rozwiązania wymiarowania zagęszczania gruntów ziarnistych i gruntów mało spoistych, jak i przykłady zastosowania metody mikrowybuchów do uzdatniania podłoża ważnych budowli w Polsce i za granicą.Podziękowanie

Pragnę gorąco podziękować moim współpracownikom z Katedry Geotechniki, Geologii i Budownictwa Morskiego: Profesorowi dr. hab. inż. Bohdanowi Zadrodze, dr. inż. Włodzimierzowi Cichemu, dr hab. inż. Marcinowi Cudnemu i mgr. inż. Franciszkowi Losce oraz współpracownikom z Instytutu Morskiego, szczególnie Pani mgr inż. Natalii Kisielowej, za ścisłą współpracę przy realizacji badań terenowych i opracowań analitycznych metody zagęszczania i ulepszania gruntów mikrowybuchami. Za realizację zastosowania i wprowadzenie metody mikrowybuchów do praktyki inżynierskiej pragnę podziękować nieżyjącemu już dr. inż. Ryszardowi Imiołkowi, Prezesowi firmy wykonawczej „Polbud – Pomorze” i Dyrektorowi firmy Panu Ryszardowi Kapturowi. To dzięki ich pracy i silnemu zaangażowaniu zrealizowano, podane w rozdziale piątym książki, przykłady wykorzystania metody mikrowybuchów w praktyce budowlanej.

Chciałbym również gorąco podziękować nieżyjącym już profesorom z Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN, Profesorom Wojciechowi Nowackiemu i Bogdanowi Ranieckiemu za współudział w rozwiązaniu teoretycznego zagadnienia mikrowybuchów w gruntach, podanego w pierwszej części rozdziału czwartego.

Pragnę również podziękować firmie Polbud-Pomorze i firmie Geoset oraz innym Sponsorom za wsparcie przy wydaniu książki.

Specjalne podziękowania składam dr. inż. Krzysztofowi Malesińskiemu za przygotowanie całego trudnego składu książki do druku.

Eugeniusz Dembicki

Gdynia, wrzesień 2017 r.1.1. MECHANIZMY ZAGĘSZCZANIA

Zagęszczenie luźnego piasku niemającego spójności pozornej przy użyciu jedynie obciążenia monotonicznego i statycznego jest trudne lub niemożliwe. Z tego względu w większości metod gruntów ziarnistych stosuje się techniki wibracyjne lub udarowe (Schlosser, de Buhan, 1990; Schlosser, 1997).

W celu znacznego zmniejszenia początkowego wskaźnika porowatości konieczne jest zniszczenie zbyt luźnego ułożenia ziaren, aby uzyskać bardziej zagęszczoną strukturę ich zbioru. Zburzenie początkowej struktury ziaren następuje na skutek działania sił ścinających.

Ponadto maksymalną redukcję wskaźnika porowatości uzyskuje się, stosując obciążenia cykliczne. Zmienia się w nich jednocześnie kierunek i ścieżkę naprężenia. Na rysunkach 1.1 i 1.2 przedstawiono zmiany objętości w badaniu bezpośredniego ścinania (Youd, 1972) przy zmiennym obciążeniu luźnego piasku w aparacie skrzynkowym wypełnionym wałeczkami Schneebeliego. W badaniu obserwowano obrót dwóch składowych głównych naprężenia (Joër i inni, 1993). Z rysunków tych wynika, że już kilka cykli wywołuje zmiany objętości tego samego rzędu i że przy około 10 000 cykli efektem zmiennego ścinania w skrzynce jest wywołanie odkształcenia objętościowego ε_(v) = 80,4%. W pierwszym i w drugim przypadku cykle wykazują fazy zagęszczenia (kontraktacji) i rozluźnienia (dylatancji).

Rys. 1.1. Wpływ przemieszczenia przy zmiennym ścinaniu i obrót głównych składowych naprężenia ośrodka ziarnistego (Youd, 1972)

Rys. 1.2. Badania cykliczne nieodwodnione w aparacie trójosiowego ściskania nawodnionego piasku o stopniu zagęszczenia 55% (Joër i inni, 1993)

Wśród wielu różnych czynników wpływających na zagęszczenie gruntów ziarnistych pod wpływem obciążenia cyklicznego, głównym parametrem jest amplituda odkształcenia postaciowego (dystorsja) γ. Istnieje wartość minimalna odkształcenia postaciowego γ rzędu 10^(–5), poniżej której nie następuje żadne zagęszczenie. Można to wyjaśnić tym, że przy małych odkształceniach nie może nastąpić zniszczenie kontaktów między ziarnami na skutek ich poślizgu lub obrotu, a zatem przy zmianach strukturalnych. W tym przypadku, nawet jeśli odkształcenia kontaktowe między ziarnami nie są całkowicie odwracalne przy działaniu składowych stycznych sił międzycząsteczkowych, grunt ziarnisty zachowuje się jak materiał quasi-sprężysty, szczególnie jeśli chodzi o rozchodzenie się fal w tym ośrodku (Dembicki, Schlosser, 1997).

W nawodnionym piasku luźnym, którego zachowanie się pod obciążeniem cyklicznym może być rozpatrywane jako zachowanie ośrodka nieodwodnionego, zniszczenie struktury ziarnistej ułatwione jest przez rozwój zjawiska upłynnienia gruntu.

Na rysunku 1.2 podano przykład upłynnienia powstałego w badaniu cyklicznym w ośrodku nienawodnionym, w aparacie trójosiowego ściskania próbek luźnego piasku. Przy około 20 cyklach składowej naprężenia σ₁ = 50 kPa, ciśnienie wody w porach osiągnęło wartość u = 50 kPa, co zlikwidowało całkowicie składowe naprężenia efektywnego w próbce wynoszące σ'₁ = σ'₃.

W piasku luźnym w naturze, zniszczenie gruntu, któremu towarzyszy upłynnienie, wywołuje pod działaniem ciężaru własnego gruntu i dysypacji ciśnienie wody w porach; zagęszczenie następuje na skutek ponownego przegrupowania ziaren. W czasie drgań lub wstrząsów wywołanych wewnątrz ośrodka gruntowego następuje emisja i propagacja fal (fala ściskania P, fala ściskania S i fale Rayleigha lub powierzchniowe). Fale ściskania są najszybsze, lecz jedynie fale ścinania powodują zagęszczenie luźnych gruntów ziarnistych, pod warunkiem, że odkształcenia postaciowe wywołane tymi falami są wyższe od 10⁻⁵. W nawodnionych luźnych gruntach ziarnistych wpływ fal ściskania jest pomijalny. Promień oddziaływania zagęszczenia wywołanego w gruntach ziarnistych na skutek drgań lub uderzeń jest funkcją wyemitowanej energii i tłumienia fal rozchodzących się w gruncie.

Rozpatruje się dwa rodzaje tłumienia:

1. tłumienie w formie histerezy wynikające z dysypacji w czasie działania cykli obciążeń,

2. tłumienie geometryczne wynikające z rozchodzenia się fal, powodujące zmniejszenie energii na jednostkę objętości gruntu, a zatem amplitudy drgań. Czynnik zmniejszający amplitudę drgań w gruncie na skutek wywołanych drgań pionowych w odległości r od źródła drgań opisany jest wzorem:

(1.1)

gdzie: a jest współczynnikiem zmniejszającym, zależnym od wartości tłumienia danego gruntu, a czynnik r^(–1/2) wynika z tłumienia geometrycznego.

Rozchodzenie się fal ścinania mających wpływ na zagęszczenie luźnych gruntów ziarnistych zależy również od poziomu przyspieszenia ruchu cząstek gruntu wywołanego drganiami. Przyspieszenie to, malejące w funkcji odległości od źródła drgań, zależy od przemieszczeń ziaren gruntu. Greenwood (1983) wprowadził pojęcie fluidyzacji – upłynnienia (przekształcenia w płyn) gruntu. Upłynniony grunt charakteryzuje się wyraźnie mniejszą wytrzymałości na ścinanie i w rezultacie traci zdolność do przekazywania drgań. Utrata zdolności do przekazywania drgań powstaje poza przyspieszeniem od 1,0 do 1,5 przyspieszenia ziemskiego g. Jeżeli źródło drgań lub wstrząsów otoczone jest szeroką strefą gruntu upłynnionego, traci ono bardzo dużo ze swego oddziaływania na zagęszczenie gruntu znajdującego się poza strefą upłynnienia.

Rys. 1.3. Strefy odkształceń postaciowych gruntu ziarnistego wywołane drganiami

Zgodnie z rysunkiem 1.3, wokół obszaru drgań w gruncie ziarnistym można wyróżnić:

» strefę gruntu ewentualnie upłynnionego, czyli strefę w fazie plastycznej poddaną dużym odkształceniom postaciowym (γ > 10⁻⁴),

» strefę plastyczną (γ = 10⁻⁴) wywołującą przemiany strukturalne ziaren,

» strefę gruntu o właściwościach sprężystych (γ < 10⁻⁵), w której struktura gruntów nie ulega zmianom.1.2. METODY ZAGĘSZCZANIA GRUNTÓW ZIARNISTYCH

W większości metod zagęszczania wykorzystuje się efekt oddziaływań dynamicznych na grunt (drgania, uderzenia). Na schemacie widocznym na rysunku 1.4 podano ogólny podział metod zagęszczania gruntu. Przy zagęszczaniu dynamicznym gruntu, a także w metodzie wibroflotacji, często stosuje się jego uzupełnienie za pomocą nowego materiału ziarnistego.

Rys 1.4. Metody zagęszczania gruntu

Przy zagęszczaniu wgłębnym drgania rozchodzą się radialnie od pionowo zapuszczonego urządzenia drgającego (rura, żerdzie zaopatrzone w skrzydełka lub ostrogi). Z drugiej strony, drgania przekazywane do gruntu mogą być poziome (wibroflotacja, zagęszczanie wibroflotacyjne) lub pionowe (z użyciem sondy i inne).

W przypadku drgań poziomych stosuje się na ogół strumień wody (płuczkę) w celu ułatwienia zagłębienia urządzenia drgającego wyposażonego w silnik wywołujący stałe częstotliwości drgań w gruncie. Po uzyskaniu przez urządzenie drgające pożądanego zagłębienia, wyciąga się je powoli. W przypadku drgań pionowych w głowicy sondy umieszcza się ciężki wibrator. Do zagłębiania sondy nie jest potrzebna płuczka. Za pomocą sond o drganiach pionowych można również zagęszczać nienawodnione nasypy ziarniste.

Kształt geometryczny sond był przedmiotem wielu badań technologicznych, ponieważ za pomocą prostych elementów wibrujących takich jak pal o kształcie H, czy rura, uzyskiwano małe efekty zagęszczenia.

Na rysunku 1.5 podano kilka przykładów stosowanych sond. Odległość zagęszczanych za pomocą tych sond punktów wynosi od 1,5 do 4,5 m, a czas zagęszczenia każdego punktu – od 5 do 35 minut.

Massarsch (1991; 1995) wprowadził nową metodę zagęszczania za pomocą sondy drgającej. Proces zagęszczania polega na dodaniu częstotliwości pochodzącej od ciężkiego wibratora do częstotliwości własnej gruntu w celu uzyskania zjawiska rezonansu. Za pomocą zastosowanej sondy (rys. 1.5c) uzyskuje się mały opór, a jej szczególny kształt pozwala na przekazywanie energii drgań do otaczającego gruntu. W tym sposobie zagęszczania za pomocą wywołania rezonansu optymalne drgania wibratora są znacznie mniejsze od drgań stosowanych do zagłębiania pali lub ścianek szczelnych.

Rys. 1.5. Różne rodzaje sond stosowane do zagęszczania gruntu

Częstotliwość rezonansowa układu wibrator–sonda jest znacznie większa i pozwala na szybsze wprowadzenie sondy. Następnie częstotliwość wibratora ulega zmniejszeniu, aż do wartości podstawowej częstotliwości własnej układu wibrator–sonda–grunt.

Odpowiada to fazowym ruchom gruntu i sondy oraz zwiększaniu amplitudy (Leonards i inni, 1980). Na rysunku 1.6 podano teoretyczne zmniejszenie prędkości drgań sondy do ścinania gruntu w piasku w funkcji odległości od drgającej sondy, jak również krzywą zmniejszenia wynikającą z tej odległości przy wartości typowego współczynnika wzmocnienia wynoszącego 8, stosowanego w celu zwiększenia zagęszczenia metodą rezonansu.

Rys. 1.6. Teoretyczna krzywa zmniejszenia prędkości drgań w funkcji odległości fali ścinania przy radialnej i walcowej jej propagacji (Massarsch, Westerberg,1995)