Teoria i praktyka budowy nasypów z gruntu spoistego o zróżnicowanej plastyczności

• Autorzy: Hauryłkiewicz J.

Warianty tytułu

EN

Theory and practice of embankments building from cohesive soil of different plasticity

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Wykonywanie nasypów z gruntów spoistych o małym stopniu plastyczności wymaga dostarczenia znacznie większej pracy w celu zagęszczenia gruntu, niż w przypadku gruntów niespoistych. Na przykład, zagęszczenie wałowaniem wymaga do 10-krotnego przejazdu wału po jednej warstwie 20÷40 cm grubości (por. [8]). Znaczna część pracy zużywana jest na rozdrabnianie brył gruntu twardego (w celu zlikwidowania kawern między bryłami) i na ponowne nadawanie gruntowi rozdrobnionemu dużego zagęszczenia przy zmienionym kształcie (płaskiej warstwy). W niniejszej pracy przedkłada się propozycję wykonywania nasypu z gruntów spoistych dostarczanych w dwóch porcjach: porcji gruntu twardego, o małej plastyczności i porcji gruntu miękkiego o dużej plastyczności (rys. 1), co pozwala na znaczące obniżenie energii zagęszczania nasypu, czasu wznoszenia i kosztu budowy. Grunt miękki wypełnia bowiem łatwo kawerny między bryłami gruntu twardego; unika się przez to zużycia energii na rozdrabnianie i ponowne zagęszczanie brył oraz skraca czas wykonywania nasypu, umożliwiając dostateczne jego zagęszczenie na przykład już po jednym przejeździe wału. Z biegiem czasu następuje wyrównanie wilgotności i plastyczności składników. W pracy przedstawiono teoretyczną analizę zagadnień wyznaczania stopnia plastyczności mieszanki, proporcji składników, sposobów ich wbudowywania, prognozy stateczności i odkształcalności nasypu oraz oszacowania oszczędności energetycznych (rozdziały 2÷8) a także zreferowano rezultaty doświadczalnej weryfikacji niektórych wyników teoretycznych (rozdział 9). Wykorzystano przy tym fragmenty wcześniejszych prac autora na ten temat [1÷6] oraz niepublikowane wyniki pięciu prac dyplomowych [7]. Proponowana technologia może okazać się szczególnie przydatna, gdy świeżo wykonany nasyp nie będzie poddany znacznym obciążeniom powierzchniowym na koronie, więc m.in. przy obwałowaniach takich obiektów, jak poldery, stawy, osadniki, odstojniki, wylewiska i wysypiska odpadów, a także nasypy drogowe, jeśli ich nawierzchnię kłaść się będzie z dostateczną zwłoką po zakończeniu budowy nasypu. Wyrównany stopień plastyczności nasypu Proponowana technologia H-S (hard-soft) stwarza realne możliwości znacznego obniżenia kosztów wykonywania nasypów, ale w odniesieniu do konkretnego gruntu wymaga przeprowadzenia odpowiednich badań, przynajmniej w laboratorium. Analiza teoretyczna wykazuje możliwość znaczącego obniżenia energii zagęszczania nasypu z gruntu spoistego przez odpowiednie przekładanie porcji gruntu o małej plastyczności porcjami o dużej plastyczności. Redukcja energii wynikająca z zastąpienia technologii zgniatania technologią wtłaczania wyznaczona w warunkach laboratoryjnych potwierdza przewidywania teoretyczne pod względem jakościowym, ale okazuje się znacznie większa pod względem ilościowym. Harmonogram wznoszenia nasypu powinien uwzględniać czas potrzebny na wyrównanie wilgotności lub plastyczności pomiędzy gruntami składowymi, tak aby wytrzymałość wyrównana zapewniała stateczność nasypu. Wyrównywanie wilgotności i plastyczności między składnikami nasypu zachodzi zbyt wolno z punktu widzenia potrzeb wykonawstwa nasypów, które mają być szybko oddane do eksploatacji, Należy przypuszczać, że ten proces homogenizacji przebiega szybciej w gruntach małospoistych, ale wymaga to potwierdzenia doświadczalnego. W obecnym stanie danych doświadczalnych należy ograniczyć stosowanie technologii H-S do nasypów, które nie będą musiały przenosić dużego obciążenia wkrótce po wykonaniu. Stateczność nasypu należy oceniać na podstawie obliczeń opartych nie na wartościach średnich parametrów wytrzymałościowych gruntu twardego i gruntu miękkiego, ale na wartościach parametrów wytrzymałościowych gruntu miękkiego rosnących w miarę upływu czasu od wbudowania tego gruntu w nasyp. Z ustalonych doświadczalnie redukcji energii i regresji czasu 50-procentowej homogenizacji z początkową różnicą wilgotności składników nasypu wynika, że jeśli celem będzie znaczna redukcja energii, to zapłacić za to trzeba będzie dłuższym czasem wyrównywania plastyczności (i wytrzymałości) składników. Wartości parametrów geotechnicznych odnoszących się do konkretnych gruntów, m.in. wykorzystane w przykładzie obliczeniowym ilustrującym wywody teoretyczne, przyjmowane były według PN-81/B-03020. W przypadku realizacji nasypu według proponowanej technologii parametry wykorzystywanych gruntów należy wyznaczać doświadczalnie, najlepiej w odpowiednim laboratorium polowym. Poza analizą pozostały takie ważne elementy projektowania, jak grubość poszczególnych warstw, czas wyrównywania potencjałów wilgotnościowych, sposób uwzględniania prognozowanego na okres budowy stanu pogody, rodzaj maszyny zagęszczającej, ilość przejazdów, dostosowanie przekroju poprzecznego nasypu do tempa budowy, organizacja magazynu gruntu miękkiego (ewentualnie gruntu twardego, jeśli na miejscu jest miękki), zagadnienia kosztów. Proponowana technologia wydaje się racjonalna w takich warunkach, w których świeżo wznoszony nasyp nie będzie poddany znaczącemu obciążeniu powierzchniowemu na swej koronie lub znaczącym oddziaływaniom dynamicznym, więc m.in. w warunkach pracy wałów przeciwpowodziowych, wałów ograniczających kwatery na polderach, wylewiskach, składowiskach odpadów a także w warunkach pracy dróg przekazywanych do położenia nawierzchni w odpowiednio długim okresie czasu od wykonania nasypu.

EN

Cohesive soil is not a convenient material for embankments constructing because of high compacting energy required, especially - as it usually happens - when soil is in a state of low plasticity. Big lumps of hard cohesive soil are then given onto the constructing place. The first portion of energy is traditionally needed for crushing the lumps because of their inadequate shapes and of great caverns between the lumps. The second portion of energy is used in the course of compaction for getting adequate shape of even layer and for removing the caverns. Such technology is called here the crush - compact (CC) technology. The paper presents possibilities of new technology implementation. This technology is called here hard - soft (H-S) technology. This way of embankment constructing consists of incorporating two kinds of cohesive soil alternately: the layer of soft soil (i.e. soil of high plasticity) is put first and lumps of the hard soil (i.e. soil of low plasticity) are then placed on the soft layer and grouted into it with appropriate machines. The soft soil fills the caves between hard lumps and no energy is required for crushing the lumps and for forming hard layer later. Only one pass of the compacting machine is usually needed. Thus energy and embankment constructing time are essentially reduced. In the course of time the components become of more and more even plasticity. Five design topics appear connected with this technology, however: 1o stabilised plasticity of the mixture, 2o volumetric relations between hard and soft parts of the soil, 3o forecast of stability, 4o forecast of deformation, 5o evaluation of the energy reduction. These topics have been theoretically solved and referred here. 1o One can determine stabilised plasticity of the mixture by means of the liquidity index IL of the mixture that appears to be weighed average of components liquidity indices where masses of the soil skeleton in hard soil and in soft soil respectively are the weights. 2o Volumetric relation between soft (Vs) and hard (Vh) parts of the soil should ensure the caves between hard lumps be filled with soft soil. One can find that from this point of view, if we define Vs/Vh = and ds/ dh = r then mentioned above volumetric relation =, where: ds, dh - dry density (skeleton volumetric density) of soft soil and of hard soil respectively, ILs, ILh - their liquidity indices. For most common cohesive soils in Poland the quantity 1/r may be taken according to plasticity index IP in form 1/r = IP + 1, so it ranges between approximately 1.0 and 1.5. 3o Forecast of embankment stability should base on strength parameters of soft soil, but should take into account increase of these parameters values p (the angle of internal friction, cohesion) in course of time from values ps corresponding to ILs (liquidity index of the soft soil) to values pm corresponding to IL (liquidity index of the mixture of the hard and soft soils). The formula of increasing the strength parameter p may be proposed as follows p = pm - (pm - ps) exp (-bt), where: t - time, b - rate parameter, experimentally determined. 4o Forecast of embankment deformation should take into account some different sources of the deformation: overburden pressure, surface load and so on, deformations from these sources can be assessed in usual way, but pore water migration may essentially affect the embankment deformation as well. When pore water migrates from soft part into embankment incorporated soil to the hard part, both parts change their volumes: shrinkage appears in the soft soil and swelling in the hard one. These changes superimpose on each other and the resulting change can be defined as v=(Vs + Vh)/Vm, where: Vs, Vh, Vm are: original volume of the soft component, original volume of the hard component, final volume of the mixture, respectively. One can prove that v may be determined as follows: v=(rh+rs )/(1+ ), rh = dh/ dm (rh>1), rs= ds/ dm (rs<1) where: - volume relation pointed above at 2o, ds, dh, dm - dry density of soft soil, of hard soil and of the mixture respectively. The quantities rh and rs determine also the rate of swelling and rate of shrinkage respectively. It can be also proved that by pore water migration affected volume change does not appear if takes the critical value cr= (rh-1)/(1-rs) . Hence, if < cr, then v>1 and embankment swelling appears, if > cr, then v<1 and shrinkage appears. Energy reduction results mainly from excluding crushing and compacting of hard soil lumps. It may be defined as l = LHS / LCC, where: LHS, LCC - work needed for constructing certain embankment layer using hard - soft technology and using crush - compact technology respectively. The value of quantity l ranges from about 0.08 to 1.00 dependent on the relation between shear strength of the soft and of the hard part of incorporated soil. The lower is the soft soil strength compared with strength of the hard soil the less is the power consumption needed for embankment construction. For example, when hard and soft parts of soil have liquidity index of 0.1 and 0.7 respectively, and thickness of formed layer is of 2.0 m, then l equals to 0.22. Thus HS technology in this case needs energy only of 22% of the energy required with CC technology. Experimental confirmation and specification have been achieved regarding energy reduction (Fig. 8) and plasticity evening rate (Figs. 10, 11, 12). HS technology will be useful especially when embankment is not considerable statically or dynamically loaded just after its construction.

Słowa kluczowe

PL

nasypy; grunt spoisty; stopień plastyczności mieszanki; wykonanie nasypu

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2000
• Tom: Tom 2
• Strony: 166--193
• Opis fizyczny: Bibliogr. 8 poz.

Twórcy

autor

Hauryłkiewicz J.

• Politechnika Koszalińska