GEOLOGICZNO-INŻYNIERSKA I GEOFIZYCZNA OCENA ZACHOWANIA SIĘ GRUNTÓW SPOISTYCH W PRZEKROJU DOLINY WISŁY WZDŁUŻ TRASY SIEKIERKOWSKIEJ W WARSZAWIE POD WPŁYWEM OBCIĄŻEŃ DYNAMICZNYCH

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.