BADANIA ŚRODOWISKOWE PROJEKTU AQUILO
GEOTECHNICZNE BADANIA LABORATORYJNE
Lokalizacja miejsc poboru prób gruntu do badań geotechnicznych
Dla potrzeb realizacji badań i analiz środowiskowych w ramach projektu AQUILO na Morzu Bałtyckim wydzielono umownie 9 pól, których lokalizację przedstawia poniższa mapa. (rys. 1).
Rysunek 1 Wydzielenie umownych pól badawczych w ramach projektu AQUILO
Spośród nich wybrano następnie trzy pola: 5, 6 i 9, wewnątrz których wyznaczono punkty poboru prób rdzeniowych do geotechnicznych badań laboratoryjnych -odpowiednio 13, 11 i 12 szt. Mapa przedstawiająca lokalizację punktów poboru rdzeni zamieszczona została poniżej (rys. 2)
Rysunek 2. Mapa z zaznaczonymi miejscami poboru
Pobór prób gruntu oraz transport
Próby do badań geotechnicznych zostały pobrane przy pomocy wibrosondy VKG-6 (rys. 4). Operacja była realizowana z pokładu statku badawczego R/V St. Barbara (rys. 3) oraz pływającego laboratorium Instytutu Morskiego R/V IMOR (rys. 4)
Rysunek 3 Statek badawczy ST. Barbara
Do poboru wykorzystano sześciometrową rurę rdzeniową z rurą osłonową z przeźroczystego PVC. Rdzenie na statku podzielono na odcinki o długości: 0,30 m i ok. 1,00 m. Wszystkie fragmenty zostały zabezpieczone za pomocą szczelnych kapsli przed utratą wilgotności. Po zakończeniu prac powierzchniowe odcinki o długości 0.30 m zostały przekazane do Instytutu Oceanologii Państwowej Akademii Nauk (IO PAN) a pozostałą część rdzeni przetransportowano do Samodzielnego Laboratorium Geotechniki Instytutu Morskiego w Gdańsku.
Rysunek 4 Statek R/V IMOR
Rysunek 5 Wibrosonda VKG-6
Przechowywanie rdzeni
Próby gruntu po przyjeździe do Samodzielnego Laboratorium Geotechniki Instytutu Morskiego w Gdańsku były przechowywane w pozycji pionowej (Rys. 7) w specjalnie przygotowanej do tego celu chłodni kontenerowej (Rys. 6). Wewnątrz utrzymywano stałą temperaturę 4°C. Miało to istotne znaczenia ze względu na stosunkowo długi okres składowania rdzeni przed rozpoczęciem badań.
Rysunek 6 Chłodnia kontenerowa 
Rysunek 7 Składowane odcinki rdzeni
Rozpoczęcie badań geotechnicznych
Kolejnym etapem projektu było przeprowadzenie badań geotechnicznych na pobranych próbach gruntu. Miały one na celu określenie podstawowych parametrów geotechnicznych zgodnie z obowiązującymi normami i stanowiły podstawę oceny warunków geotechnicznych powierzchniowej warstwy osadów.
Pobrane próby gruntu znajdowały się w cylindrycznych rurach z PVC. Aby umożliwić przeprowadzenie wstępnych analiz oraz pobór próbek do badań geotechnicznych rdzenie należało otworzyć.Do tego celu zastosowano specjalne, autorskie urządzenie zaprojektowane i wykonane w IM w Gdańsku (rys. 8)
Rysunek 8 Maszyna służąca do otwierania rdzeni
Opis makroskopowy i pobór próbek gruntu do badań
Każdy rdzeń po otwarciu został sfotografowany i opisany makroskopowo według normy PN-EN ISO 14688. Dla każdej z wydzielonych warstw określono takie parametry jak: frakcja główna i frakcje drugorzędne, stan gruntu lub zagęszczenie, barwa, zapach, zawartość części organicznych, zawartość węglanu wapnia itd.
Na bazie informacji uzyskanych podczas opisu sporządzono dokumentację fotograficzną której przykład widoczny jest na rys. 9 oraz karty dokumentacyjne – rys. 10
Rysunek 9 Otwarty rdzeń
Rysunek 10 Karta dokumentacyjna
Podczas opisu makroskopowego dla każdej warstwy oznaczano wilgotność naturalną oraz w przypadku gruntów spoistych gęstość objętościową. Pobierano próbki do podstawowych badań geotechnicznych jak np. analiza sitowa czy badanie granic Atterberga (rys. 12 i 13). Próbki do bardziej zaawansowanych badań np.ściśliwości pobierano do specjalnych cylindrów ze stali nierdzewnej (rys. 11) które szczelnie zamknięte trafiały następnie do chłodni, gdzie oczekiwały na badania.
Rysunek 11 Nierdzewny cylinder
Rysunek 12 Próbka zabezpieczona folią stretch
Rysunek 13 Próbka w plastikowym worku strunowym
Podstawowe oznaczenia fizyczne
Wilgotność naturalna
Rysunek 14 Parowniczki z gruntem
Próbki do badania wilgotności naturalnej pobierane były bezpośrednio z rdzenia zaraz po jego otwarciu aby uzyskać jak najbardziej miarodajny wynik oznaczenia. Umieszczano je w parowniczkach (rys. 14) o znanej masie, ważono i wstawiano do suszarki, gdzie w temperaturze 105°C przebywały przez dwadzieścia cztery godziny. Po tym okresie parowniczki z gruntem były ważone ponownie. Wilgotność naturalną obliczano ze stosunku masy odparowanej wody do masy szkieletu gruntowego.
Gęstość objętościowa
Rysunek 15 Pierścienie tnące do oznaczenia gęstości objętościowej
Badanie gęstości objętościowej gruntów spoistych wykonywane było metodą pierścienia tnącego. Pierścień (rys. 15) przeznaczony do badania przed każdym oznaczeniem był ważony, oraz mierzono jego wysokość i średnicę wewnętrzną. Próbki do badania pobierano bezpośrednio z rdzenia podczas opisu makroskopowego. Pierścień wbijano w wyrównaną powierzchnię wyznaczonej warstwy gruntu, ponad pełną jego wysokość. Pełen pierścień oczyszczano oraz wyrównywano górną i dolną powierzchnię gruntu z krawędziami pierścienia. Całość następnie ważono. Znając masę i objętość samego pierścienia wyznaczano gęstości objętościową gruntu.
Analiza granulometryczna
Dla warstw gruntu, które na podstawie opisu makroskopowego zostały zakwalifikowane jako niespoiste przeprowadzono analizę sitową, mającą na celu określenie ich składu granulometrycznego. Przygotowanie próbki gruntu polegało na wysuszeniu jej w temperaturze 105°C przez 24 godziny, a następnie delikatnym rozdrobnieniu w moździerzu w celu rozdzielenia ziaren. Próbki o masie minimalnej 100 g przesiewano następnie przez zestaw sit normowych o wymiarach oczek: # 8 mm; #4 mm; #2 mm; #1 mm; #0.5 mm; #0.25 mm; #0.125 mm; #0.063 mm. Po piętnastominutowym wytrząsaniu (rys. 16) próbek pozostałości na poszczególnych sitach były ważone. Jeżeli masa początkowa próbki gruntu różniła się od zsumowanej masy pozostałości na sitach o więcej niż 0.5%, badanie było powtarzane. Gdy różnica była mniejsza, na podstawie uzyskanych wartości wykreślana była krzywa uziarnienia. Na jej podstawie określano zawartość poszczególnych frakcji oraz nazwę gruntu.
Rysunek 16 Wytrząsarka z zestawem sit
Granica plastyczności
Granica plastyczności jest to wilgotność przy której grunt ze stanu twardoplastycznego przechodzi w zwarty. Badanie wykonywano metodą wałeczkowania. Z próbki gruntu palcami formowano kulkę o średnicy około 6 -7 milimetrów. Następnie kulkę tą wałeczkowano na dłoni lub szklanej płycie do wałeczka o średnicy około 3 mm. Z otrzymanego wałeczka ponownie formowano kulkę i czynność powtarzano. Badanie wykonywano do momentu, w którym na wałeczku zaczynały pojawiać się spękania lub niemożliwe było ponowne uformowanie kulki. Wówczas wałeczki umieszczano w uprzednio zważonej parowniczce (rys. 17) i przykrywano szkiełkiem aby uniknąć straty wilgotności. Oznaczenie wykonywano na dwóch parowniczkach.
Rysunek 17 Parowniczka z wałeczkami przygotowanymi do suszenia
Granica płynności
Granicą płynności nazywa się wilgotność przy której grunt przechodzi ze stanu plastycznego w płynny. W badaniach wykorzystywano metodę penetrometru stożkowego (rys. 18) ze stożkiem o kącie wierzchołkowym 30ᵒ i masie 80 g. Z gruntu pozbawionego grubszych ziaren sporządzano pasty gruntowe o różnych wilgotnościach. Na pastach wykonywano badanie penetracyjne, określając każdorazowo głębokość penetracji stożka. Dla różnych głębokości penetracji oznaczano wilgotność pasty gruntowej. Mając pięć punktów o znanej wilgotności i penetracji w zakresie od 15 do 25 mm nanoszono je na wykres i aproksymowano prostą. Z niej odczytywano wartość granicy płynności odpowiadającą 20 mm zagłębienia stożka.
Rysunek 18 Penetrometr stożkowy do oznaczenia granicy płynności
Gęstość właściwa szkieletu gruntowego
Rysunek 19 Piknometry podłączone do systemu odpowietrzania próżniowego
Rysunek 20 Piknometr stosowany w oznaczeniu
Badanie gęstości właściwej szkieletu gruntowego prowadzono metodą piknometru, w pomieszczeniu o stałej temperaturze 20°C. Próbki gruntu suszono do stałej masy w temperaturze 105°C a następnie rozdrabniano w moździerzu, aby w następnym etapie umożliwić wodzie wypełnienie wszystkich porów. Do badania używano piknometrów o pojemności 100 ml. Do zważonego uprzednio piknometru (rys. 20) wsypywano około 10 g wcześniej przygotowanej próbki i całość ważono. Po zważeniu piknometr z gruntem uzupełniano wodą destylowaną i odpowietrzano próżniowo (rys. 19) przez trzydzieści minut. Odpowietrzony i wypełniony piknometr ponownie ważono. Po badaniu wykonywano cechowanie piknometru polegające na określeniu jego masy wraz z odpowietrzona wodą. Na podstawie uzyskanych mas: pustego piknometru, piknometru z gruntem, piknometru z gruntem i wodą, oraz piknometru z wodą, a także gęstości wody w temperaturze 20°C, obliczano wartość gęstości właściwej szkieletu gruntowego.
Badanie ściśliwości
Badania ściśliwości gruntu przeprowadzono w edometrach. Próbki umieszczano w celach edometrów o średnicy 63,5 mm zapewniając swobodny odpływ wody dzięki zastosowaniu kamieni porowych u góry i na dole próbki. Następie przykładano pierwszy stopień obciążania oraz zalewano cele wodą aby umożliwić saturację próbek. Kolejne kroki obciążenia przykładano według sekwencji polegającej na dwukrotnym zwiększaniu wartości obciążenia przy kolejnym kroku. Zadawano obciążenia z zakresu od 6 kPa do 400 kPa. Każdy krok trwał 24 godziny. Badania w przypadku gruntów spoistych prowadzone były na próbkach o nienaruszonej strukturze, natomiast dla gruntów niespoistych badania wykonano przy założonej gęstości objętościowej wynoszącej około 1,85 g/cm3. Moduły ściśliwości pierwotnej wyznaczono dla każdego stopnia obciążenia.
Rysunek 21 Edometry pneumatyczne wykorzystane w badaniu ściśliwości
Edometryczne badanie ściśliwości prowadzono równolegle na 7 edometrach pneumatycznych (rys. 21), a odczyty z czujników były rejestrowane w czasie rzeczywistym. Po zakończeniu wszystkich stopni obciążenia dokonywano analiz, interpretacji oraz obliczeń modułów ściśliwości .
GEOTECHNICZNE BADANIA IN – SITU
Sondowania statyczne CPTU
Jednym z elementów projektu AQUILObyły sondowania statyczne CPTU. Niestety ze względu na niesprzyjające warunki pogodowe oraz problemy techniczne ich zakres został ograniczony do ośmiu punktów z pola 9.
Sondowania statyczne CPTU są ważnym i cenionym źródłem informacji o parametrach gruntów w warunkach in-situ. Na podstawie pomierzonych parametrów : oporu pod stopniem q_c, tarcia na pobocznicy f_si ciśnienia wody w porach gruntu u_2 oraz dostępnych w literaturze korelacji i diagramów można określić rodzaj sondowanego podłoża, wydzielić warstwy geotechniczne oraz wyznaczyć większość ich parametrów geotechnicznych.
Rysunek 22 Statek badawczy R/V Mintis
Rysunek 23 Sonda statyczna CPTU Neptune 3000
Sondowania statyczne CPTU przeprowadzono ze statku badawczego R/V MINTIS (rys. 22). Do badań wykorzystano sondę Neptune 3000 (rys 23) angielskiej firmy Datem z mini stożkiem pomiarowym o polu(postawy) równym 2 cm^2, będącą własnością Instytutu Morskiego w Gdańsku. Użyto żerdzi pomiarowych o długości 5m uzyskując maksymalną głębokość penetracji równą 4,88 m.
Rysunek 24 Końcówka pomiarowa 2 cm2
Rysunek 25 Stożek z kamieniem porowym
Rysunek 24 oraz Rysunek 25 przedstawiają końcówkę pomiarową, która zamontowana na końcu stalowej żerdzi podczas sondowania wciskana jest w podłoże gruntowe. Przykładowe wyniki rejestrowane podczas badania zamieszczono poniżej (rys. 26):
Rysunek 26 Okno oprogramowania sondy Neptune 3000 podczas sondowania
Proces penetracji oraz opuszczania urządzenia na dno został przedstawiony na zamieszczonym poniżej filmie.