Innowacyjna metoda określania wskaźnika zagęszczenia Is i wilgotności naturalnej gruntu Wn

Doświadczenia geotechnicznych laboratoriów badawczych zarówno z zakresu budownictwa drogowego, kubaturowego i hydrotechnicznego potwierdzają uciążliwości w stosowaniu tradycyjnych metod badawczych przy określaniu parametrów gruntów. Utrudnienia te spowodowane są między innymi:

• długim czasem koniecznym do wykonania badań zarówno terenowych jak i laboratoryjnych
• często koniecznością długiego oczekiwania przez wykonawcę na wyniki badań, co niejednokrotnie powoduje konieczność wstrzymania prac
• brakiem możliwości bieżącej kontroli jakości wykonywanych prac ziemnych i jej bieżącej weryfikacji

Stosowanie nowoczesnych i szybkich metod określania geotechnicznych parametrów gruntów lub kruszyw wbudowanych warstwowo poprzez wykonanie badań na bieżąco w terenie, z określeniem czasu ich wykonania oraz lokalizacją GPS stało się koniecznością!

Obecnie istnieją nowoczesne metody określania niektórych parametrów geotechnicznych. Dotychczas nie było możliwości szybkiej i wiarygodnej metody określania wskaźnika zagęszczenia Is i wilgotności naturalnej Wn. Uzyskanie bezpośrednio na budowie podczas wykonywania prac ziemnych informacji o zmienności tych parametrów otwiera nową, potwierdzoną realnymi wynikami możliwość sterowania procesem realizacji inwestycji. Stosowanie aparatury badawczej przyczyni się do praktycznego stosowania inżynierii finansowej poprzez przyśpieszenie realizacji zadań przy jednoczesnym znacznym podniesieniu jakości wykonywanych prac, również poprzez znaczne zwiększenie ich ilości w stosunku do wymaganych przez normy. Obecnie dostępna jest i wykorzystywana na kluczowych inwestycjach drogowych w kraju aparatura badawcza umożliwiająca w znacznym stopniu rozwiązanie tych problemów.

Rysunek 1. Elektroniczny miernik gęstości EDG

EDG - Elektryczny miernik gęstości (Rys.1), wilgotności naturalnej i wskaźnika zagęszczenia gruntu jest kompaktowym, ergonomicznym i nowoczesnym urządzeniem badawczym umożliwiającym - bezpośrednio w terenie- określenie w niezwykle krótkim czasie następujących parametrów:

• wilgotności naturalnej Wn
• gęstości objętościowej szkieletu gruntowego pd
• wskaźnika zagęszczenia Is dla gruntów i kruszyw wbudowywanych warstwowo

Przygotowanie aparatury EDG do badania polega na wykonaniu kilku prostych czynności:

Łączenie elementów zestawu pomiarowego

• ułożenie płyty centrującej na podłożu gruntowym
• wbicie trzpieni stalowych w okolicy wyżłobień płyty centrującej
• umieszczenie w środku płyty centrującej modułu pomiarowego
• połączenie przewodami modułu pomiarowego z trzpieniami stalowymi
• połączenie przewodem modułu pomiarowego z rejestratorem komputerowym
• wbicie prętowej sondy temperaturowej w podłoże gruntowe i połączenie kablem z rejestratorem komputerowym

Konfiguracja rejestratora komputerowego

• włączenie zasilania EDG (możliwość pracy w terenie do 60h)
• zdefiniowanie nazwy punktu badawczego

Wykonanie pomiaru

• poprzez naciśnięcie przycisku EDG na klawiaturze następuje pomiar w układzie dla pierwszego układu pomiarowego
• przełączenie kabli połączeniowych na trzpienie dotychczas niewykorzystane (na krzyż)
• poprzez naciśnięcie przycisku EDG na klawiaturze następuje pomiar
• odniesienie wykonanego pomiaru do odpowiedniego modelu materiałowego

Rysunek 2. EDG podczas badania

Aparatura EDG sama prowadzi operatora przez cały przebieg pomiaru. Bezpośrednio po zakończeniu pomiaru na panelu wyświetlane są:

• maksymalna gęstość szkieletu gruntowego pds
• wilgotność naturalna Wn
• gęstość objętościowa szkieletu gruntowego pd
• wskaźnik zagęszczenia Is

Zalety stosowania EDG do bieżącej oceny jakości wykonywanych prac ziemnych:

• możliwość utworzenia modeli gruntów w oparciu o badania laboratoryjne i terenowe
• możliwość wykorzystania utworzonych modeli gruntów na innych budowach
• pomiar wykonuje tylko jedna osoba
• bardzo krótki czas wykonania badania (3-5 minut)
• lokalizacja punktów badawczych w systemie GPS
• uzyskiwanie wyników bezpośrednio na placu budowy

Uzyskiwane wyniki badań transmitowane mogą być do komputera, gdzie za pomocą specjalistycznego, integralnego z EDG oprogramowania mogą być analizowane i raportowane.

Jednopunktowa płyta statyczna VSS

Płyta statyczna w wersji z jednym czujnikiem - do wyboru elektronicznym lub zegarowym) przeznaczona jest do badania nośności i zagęszczania nawierzchni podatnych i podłoża drogowego wg aktualnie obowiązujących norm PN-S-02205 oraz BN-64/8931-02 oraz DIN 18134. Elementy zespołu pomiarowego, oraz zespołu hydraulicznego znajdują się w dwóch metalowych skrzyniach, które umożliwiają łatwe przenoszenie urządzenia. VSS może zostać dodatkowo wyposażony w komputer oraz oprogramowanie, które pomoże Państwu w analizie i archiwizacji pomiarów oraz przygotowywaniu raportów z badań. Technologia bluetooth umożliwia bezprzewodową komunikację z czujnikami. W zależności od potrzeb użytkownika - wykorzystując GPS - możemy określić oraz zapisać w raporcie współrzędne geograficzne. 

Rys. 1. VSS jednopunktowy VSS-1P-000

Na powyższym zdjęciu omawiane urządzenie model VSS-1P-000 produkowane przez uznanego, polskiego producenta aparatury kontrolno-pomiarowej, firmę MULTISERW-Morek z Marcyporęby. Szczegóły techniczne oraz aktualne warunki sprzedaży znajdą Państwo klikając w niniejszy link: Płyta statyczna VSS.

Badanie płytą naciskową - krótki rys historyczny i sposób oraz zakres stosowania

Do roku 1978 w Polsce badanie płytą naciskową stosowano wyłącznie do oznaczania modułu odkształcenia E poszczególnych warstw robót ziemnych i konstrukcji nawierzchni. Po wydaniu w 1978 przez Instytut Badawczy Dróg i Mostów wytycznych wykonania i odbioru robót ziemnych dla dróg szybkiego ruchu rozszerzono zakres stosowania metody do oznaczania modułów: pierwotnego E1, wtórnego E2 oraz wskaźnika odkształcenia Io.

Metoda stosowana jest do kontroli nośności zagęszczenia warstw robót ziemnych i konstrukcji nawierzchni, wykonanych z materiałów o różnym stopniu uziarnienia.

Moduł odkształcenia jest to stosunek przyrostu obciążenia jednostkowego do przyrostu odkształcenia badanej warstwy, w ustalonym zakresie obciążeń jednostkowych, pomnożony przez 3⁄4 średnicy płyty obciążającej [10]. Podczas badania zostają wyznaczone moduły: pierwotny E1 i wtórny E2. Wartość modułów określa się w MPa, z dokładnością w liczbach całkowitych.

Wskaźnik odkształcenia jest ilorazem modułów wyznaczonych we wtórnym i pierwotnym obciążeniu. 

Aparat do oznaczania modułu odkształcenia (Rys. 2.) składa się z płyty stalowej o średnicy D = 300 mm z otworem pomiarowym, siłownika połączonego z ręczną pompą olejową wyposażoną w manometr o skali z działką elementarną 0,05 MPa.

Rys.2. Aparat VSS do oznaczania modułu odkształcenia

W skład zestawu wchodzi czujnik zegarowy z działką elementarną 0,01 mm oraz mostek pomiarowy z przedłużanym ramieniem sondującym i sondą pomiarową. Ponadto aparat wyposażony jest w przegub sferyczny oraz przedłużacz rurowy służący do wstawienia między siłownik a spód przeciwwagi, w formie której stosujemy najczęściej maszynę budowlaną o odpowiedniej wadze. Ale po kolei. W tym miejscu należy przywołać wskazówki praktyczne przeprowadzania niniejszego pomiaru wg opracowania IBDiM Warszawa pt. "BADANIE I USTALENIE ZALEŻNOŚCI KORELACYJNYCH DLA OCENY STANU ZAGĘSZCZENIA I NOŚNOŚCI GRUNTÓW NIESPOISTYCH PŁYTĄ DYNAMICZNĄ", które w jasny sposób przedstawia prawidłową procedurę badania i prezentuje wskazówki dotyczące interpretacji osiąganych wyników.

Oznaczenie pierwotnego modułu odkształcenia E1

Płytę ustawia się na wyrównanej powierzchni badanej warstwy dociskając rękoma przez kilkakrotny jej obrót, tak by otwór pomiarowy zwrócony był w kierunku sondy mostka pomiarowego. Jeśli powierzchnia nie może być dokładnie wyrównana, to wyrównuje się ją cienką warstwą drobnego suchego piasku. W miarę możliwości jak najdalej przesuwa się mostek pomiarowy i ustawia go tak, aby jego punkty podparcia były w jak największej odległości od płyty i kół pojazdu stanowiącego przeciwwagę. Sondę pomiarową wkłada się do tunelu pomiarowego i doprowadza ją do środka (do występu sondy). Siłownik montuje się na wcześniej ustawionej płycie, a z drugiej strony siłownika wkłada się przedłużacz rurowy wraz z przegubem sferycznym. Czujnik zegarowy umieszcza się w uchwycie, opierając go na ramieniu przyrządu.

Po ustawieniu aparatury uruchamia się pompę zadając wstępne obciążenie 0,02 MPa. Następnie czujnik zegarowy ustawia się w pozycji 0,00 mm. Doprowadzić ciśnienie na badaną warstwę do 0,05 MPa i odczytuje wskazania czujnika zegarowego wynik zapisuje się w formularzu (w załączniku nr 8 przedstawiono formularz roboczy). Wskazania czujnika przy tym samym ciśnieniu, regulowanym od czasu do czasu powolnym ruchem dźwigni pompy, odczytuje się co 2 min. Jeżeli różnica dwóch kolejnych odczytów w odstępie 2 min na czujniku jest mniejsza od 0,05 mm, to wpisuje się odczyt z czujnika zegarowego do formularza i przechodzi na następny stopień obciążenia jednostkowego, większy od poprzedniego o 0,05 MPa, doprowadzając końcowe obciążenie do :

a) 0,25 MPa – przy badaniu gruntu podłoża lub nasypu,
b) 0,35 MPa – przy badaniu ulepszonego podłoża [1],
c) 0,45MPa–przybadaniuwarstwkonstrukcyjnychnawierzchni, 
d) 0,55 MPa – przy badaniu całej konstrukcji nawierzchni.

Po doprowadzeniu obciążenia do wymaganych wartości przeprowadza się stopniowe odciążenie poprzez regulację zaworem pompy siłownika. Dla poszczególnych wielkości ciśnienia odczytuje się wartości osiadań i sporządza się wykres w celu analizy sposobu odkształcania się badanej warstwy.

Oznaczenie wartości wtórnego modułu odkształcenia E2

Po całkowitym odciążeniu powtórnie zadaje się ciśnienie na badaną warstwę i postępuje jak w przypadku wyznaczania modułu E1 bez ustawiania czujnika w pozycji 0,00 mm. Ciśnienie końcowe dla wyznaczenia wartości modułu wtórnego dostosowuje się do badanej warstwy.

Obliczanie wyników

Wartość modułów odkształcenia oblicza się ze wzoru: E1,2 =3∆p/D

gdzie:

E1 – pierwotny moduł odkształcenia [ MPa],
E2 – wtórny moduł odkształcenia [MPa],
∆p – przyrost obciążeń [MPa],
∆s – przyrost osiadań odpowiadający przyrostowi obciążeń [mm],

D – średnica płyty [mm],

w którym:

a) dla podłoża gruntowego

4∆s/∆s

∆p = p2 – p1 - przyrost obciążenia jednostkowego w zakresie od 0,05 MPa do 0,15 MPa,

- przyrost odkształcenia odpowiadający temu zakresowi obciążeń jednostkowych (∆s = s0,15 - s0,05), w milimetrach.

b) dla ulepszonego podłoża

∆p = p2 – p1 - przyrost obciążenia jednostkowego w zakresie od 0,15 MPa do 0,25 MPa,

∆s - przyrost odkształcenia odpowiadający temu zakresowi obciążeń jednostkowych (∆s = s0,25 - s0,15), w milimetrach. 

c) dla warstw konstrukcyjnych

∆p = p2 – p1 ∆s

d) dla całej konstrukcji

∆p = p2 – p1 ∆s

- przyrost obciążenia jednostkowego w zakresie od 0,15 MPa do 0,25 MPa,

- przyrost odkształcenia odpowiadający temu zakresowi obciążeń jednostkowych (∆s = s0,25 - s0,15), w milimetrach.

- przyrost obciążenia jednostkowego w zakresie od 0,25 MPa do 0,35 MPa,

- przyrost odkształcenia odpowiadający temu zakresowi obciążeń jednostkowych (∆s = s0,35 - s0,25), w milimetrach.

Wartość wskaźnika odkształcenia Io oblicza się ze wzoru: Io =E2/E1

gdzie: 

Io- wskaźnik odkształcenia, liczba niemianowana, 

E1 – pierwotny moduł odkształcenia [MPa],

E2 – wtórny moduł odkształcenia [MPa].

Rys.3. Płyta VSS - jednopunktowa - wygodna i prosta w obsłudze alternatywa dla trzypunktowej wersji VSS

Wartość wskaźnika odkształcenia podaje się z dokładnością do jednej cyfry po przecinku natomiast wartość modułów E1 i E2 z dokładnością do 1 MPa.