W wyniku ciągłego wzrostu poziomu technologicznego, w tym komputerowych metod
obliczeniowych ,pojawiły się możliwości stosowania w badaniach gruntów precyzyjniejszej
aparatury pomiarowej i odwzorowania wyników badań nowymi dokładniejszymi modelami
konstytutywnymi gruntu. Główną przeszkodą z którą zderzają się badacze jest duży rozrzut
wyników deformacji gruntu, uwidaczniający się przy porównaniu wartości obliczonych
metodami numerycznymi z pomierzonymi w trakcie trwania procesu budowlanego.
Stosowanie bardziej wyrafinowanych modeli konstytutywnych wymaga większej ilości
parametrów, których charakterystyki w większości przypadków są złożonymi funkcjami
krzywoliniowymi zależności naprężenia i odkształcenia. W wielu przypadkach, badacze
starają wybrać parametry modelu dające najlepsze dopasowanie do danych empirycznych w
zakresie odkształcania 20%. Pomiary in situ odkształceń wielu konstrukcji pokazują, że
odkształcenie gruntu współpracującego z konstrukcją rzadko przekracza 1%. Oczywistym jest
fakt, że obciążenia dynamiczne wywołują różne poziomy odkształcenia gruntu, od bardzo
małych (10
-6
, 10
-4
), dla których przyjmuje się liniowe zależność konstytutywną, do bardzo
dużych odkształceń (10
-2
do 10
-1
), dla których występuje nieliniowa zależność naprężenia od
odkształcenia. Zagadnienie dotyczące małych odkształceń jest znane od końca lat
sześćdziesiątych. W tym okresie rozpoczęto szeroko zakrojone badania wpływu
dynamicznego obciążenia na zależność naprężenie-odkształcenie gruntu. Podstawowymi
właściwościami gruntu definiującymi zachowanie pod wpływem obciążeń dynamicznych są
moduł ścinania i współczynnik tłumienia. Znaczenie modułu ścianania - Gmax w teście
dynamicznego obciążania jest porównywalne do wytrzymałości na ścinanie w analizie
statycznej. Moduł ścinania w zakresie małych odkształceń to podstawowa cecha
odkształcalności gruntu ponadto odgrywa on kluczową rolę w analizie odpowiedzi gruntu na
czynniki dynamiczne. Gmax jest jednym z najważniejszych parametrów dla inżynierii
sejsmicznej, inżynierii ruchu, projektowania fundamentów dla maszyn, projektowania izolacji
antywibracyjnej i analizy dynamicznej oddziaływania konstrukcji z gruntem.
Niniejszą rozprawę można podzielić na trzy części. W części pierwszej zaprezentowano
geologiczno-inżynierską i geofizyczną charakterystykę parametrów gruntu dla trzech
poligonów badawczych. Poligony zlokalizowano w Warszawie wzdłuż Siekierkowskiej tak
aby stanowiły reprezentację wysoczyzny polodowcowej (Kiedacza), plejstoceńskiego tarasu
rzecznego (Stegny) i holoceńskiego tarasu rzecznego (Trasa Siekierkowska-Bluszczańska).
Aby przeanalizować zakres drgań gruntu wywołanych ruchem kołowym wytypowano dwie
dodatkowe lokalizacje: stacja metra Stare Bielany oraz Kościół Św Anny w pobliżu trasy WZ.
Geofizyczną charakterystykę badanych gruntów oparto na wynikach badań otrzymanych z
wykorzystaniem nowoczesnych technik badawczych takich jak: tomografia elektro-oporowa,
georadar oraz system sejsmiki inżynierskiej CSWS. Głównym przedmiotem badań
zaprezentowanych w drugiej części rozprawy jest zachowanie się gruntu pod wpływem
obciążenia cyklicznego. Szczególny nacisk położono na identyfikację zależności modułu
ścinania i współczynnika tłumienia od odkształceń postaciowych, na którą wpływ mają m.
in.: wskaźnik plastyczności, historia naprężeń (OCR), skład granulometryczny i geneza
gruntu. W tej części pracy zaprezentowano wyniki badań obrazujące wpływ częstotliwości
cyklicznego obciążenia gruntu na degradację modułu ścinania dla trzech typów genetycznych
gruntów. Badania ze stałą amplitudą naprężenia wykonano na próbkach glin lodowcowych,
iłów i mad z wykorzystaniem dynamicznego aparatu trójosiowego. Degradacja modułu
ścinania została z powodzeniem zamodelowana dla wszystkich badanych gruntów przy
różnych częstotliwościach obciążenia z zakresu 5-15 Hz. Opracowany model porównano z
powszechnie stosowanym modelem Ishibashi’ego i Zhang’a, który został zmodyfikowany,
aby uwzględniał wpływ zmiany częstotliwości obciążenia. Rozprawa koncentruje się również
na określeniu współczynnika tłumienia za pomocą badań laboratoryjnych i polowych.
Przeprowadzone badania z wykorzystaniem stożka sejsmicznego w połączeniu z aparaturą
CSWS pozwalają autorowi na opracowanie nowatorskiej techniki oceny współczynnika
tłumienia metodą polową.
Końcowa część pracy przedstawia rezultaty analiz i wnioski.
As a result of the continuous increase in the technical level, including computer calculation
methods, more precise measuring techniques and more accurate constitutive models of soil
can be achieved. The main problem is a large scatter of results of ground deformation , which
can be seen when comparing the calculated numerical methods deformation with the
measured deformations during the construction process. The use of more sophisticated
constitutive models requires a larger number of parameters, the characteristics of which in
most cases are adopted by complicated curvilinear functions associated with a change of the
stress and the deformation. In many cases, researchers try to choose the constitutive model
parameters giving a best fit to the empirical data in the range of deformation of 20%.
Deformations measurements of many in situ constructions shows that the soil mass interacting
with the construction deforms in the range of deformations not exceeding 1%. It is also
known that dynamic loads cause different levels of deformation in the ground from very small
( 10-6 to 10-4 ) , which is assumed linear constitutive relationships, to very large strain ( 10-2
to 10-1 ) , where non-linear stress-strain relationships can be adopted. The problem
associated with the very small and small deformations is known from the end of the sixties.
At that time, extensive research began on the influence of dynamic load on stress-strain
behavior of the soil .
The most important parameters affected the dynamic behavior of soil are shear modulus and
dumping ratio.
The importance of shear modulus Gmax in the dynamic loading is comparable to the shear
strength parameter in stability analysis. Shear modulus for the range of small deformations is
the basic characteristics of the soil deformability and plays a key role in the analysis of soil
response to dynamic influences .Gmax is one of the most important parameters for seismic
engineering , traffic engineering , design of foundations for vibrating machines , design of
vibration isolation and analysis of dynamic soil - structure interaction.
The dissertation consists of three main sections.
In the first section full geological engineering and geophysical characteristics of soil
parameters at different sites are presented. Three test sites in Warsaw along the Siekierkowska
Street are chosen as a representation of postglacial upland (Kiedacza) Pleistocene river terrace
(Stegny) and Holocen river terrace (Trasa Siekierkowska-Bluszczańska). Also two additional
localizations are chosen for traffic induced soil vibrations measurements: Stare Bielany
Subway Station and Saint Anne Church yard near East-West Route. For geophysical soil
characterization some modern testing techniques like resistivity tomography, groundpenetrating radar or continuous surface waves system were used. The extensive soil testing
campaigns offered the unique opportunity to evaluate and improve the methods on different
soils.
The main subject of investigations and research presented in the second section of the thesis
comprises a cohesive soil response to a cyclic load. The importance of research in this area is
related to identification of shear modulus and damping ratio-deformation characteristics
affected by soil plasticity, stress history (OCR), , grain size distribution and soil genesis.
A study of the effect of the load frequency on the cyclic shear modulus degradation of this
three genetic types of soil is also presented in the second part. The research is based on a
series of stress controlled cyclic triaxial shear tests conducted on samples of glacial till, clay
and alluvial soils. The modulus degradation with shear strain is successfully modeled for
different frequencies of range 5-15Hz and a presented types of cohesive soils. The developed
model is compared with the most common model by Ishibashi&Zhang which finally is
improved to work as frequency dependent model.
This thesis also focuses on the determination of the damping ratio by means of laboratory and
field tests. Therefore extended interpretation techniques for the seismic cone penetration test
SCPT which is an extension of the cone penetration test are studied and evaluated. The SCPT
test is a substantial part of this exploration to measure the shear wave velocity and the
damping ratio.
The final section of the study presents the results of the analysis and conclusions
drawn.
