DISERTATIONES GEOLOGICAE UNIVERSITAS LATVIENSIS

ANDRIS KARPOVIČS

LATVIJAS GLACIGĒNO GRUNŠU ĢEOTEHNISKĀS ĪPAŠĪBAS UN

TO MAINĪGUMS

DISERTĀCIJAS KOPSAVILKUMSdoktora grāda iegūšanai ģeoloģijā

Apakšnozare: lietišķā ģeoloģija

Rīga, 2010

Disertācija izstrādāta Latvijas Universitātes ĢZF Ģeoloģijas nodaļas Lietišķās ģeoloģijas katedrā no 2005. gada līdz 2010. gadam

Disertācijas vadītājs:Valdis Segliņš, profesors, Dr. ģeol. (Latvijas Universitāte)

Recenzenti: Laimdota Kalniņa, asoc. profesore, Dr. ģeog.Aija Dēliņa, Dr. ģeol.Gotfrīds Noviks, asoc. prof. Dr. habil. ģeol., Rēzeknes augstskola

Promocijas padome: Vitālijs Zelčs, profesors, Dr. ģeol. – padomes priekšsēdētājsErvīns Lukševičs, profesors, Dr. ģeol. – padomes priekšsēdētāja vietnieksValdis Segliņš, profesors, Dr. ģeol.Laimdota Kalniņa, asoc. profesore, Dr. ģeog.Aija Dēliņa, Dr.ģeol.Ivars Zupiņš, Dr. ģeol.

Padomes sekretārs:Ģirts Stinkulis, asoc. profesors, Dr. ģeol.

Disertācija pieņemta aizstāvēšanai ar Latvijas Universitātes Ģeoloģijas promocijas padomes 2010. gada 11. jūnija sēdes lēmumu Nr. 02/2010

Disertācijas atklāta aizstāvēšana notiks LU Ģeoloģijas promocijas padomes sēdē2010. gada 3. septembrī, Rīgā, Alberta ielā 10, Jāņa un Elfrīdas Rutku auditorijā(313. telpa).

Ar disertāciju var iepazīties Latvijas Universitātes Bibliotēkā Rīgā, Kalpaka bulvārī 4 un Latvijas Akadēmiskajā bibliotēkā Rīgā, Lielvārdes ielā 4.

Atsauksmes sūtīt: Dr. Ģirtam Stinkulim, Latvijas Universitātes Ģeoloģijas nodaļa, Raiņa bulvāris 19, LV-1586, Rīga. Fakss: +371 6733 2704, e-pasts: Girts.Stinkulis@lu.lv

© Andris Karpovičs, 2010© Latvijas Universitāte, 2010

ISBN 978-9984-45-218-0

Saturs

IEVADS ............................................................................................................................. 4

1. GLACIGĒNĀS GRUNTIS UN TO PĒTĪJUMI LATVIJĀ ..................................... 7Glacigēnie nogulumi un gruntis – klasifikācija un pieņemtā terminoloģija ............................................................................................................... 7Glacigēno grunšu inženierģeoloģiskā izpēte un detalizētu pētījumu specifika ...................................................................................................... 9

2. MATERIĀLI UN METODES ................................................................................ 10Pieejamie dati un to izvērtējums ............................................................................. 10Pētījumā izmantotie instrumenti ..............................................................................11Pētījuma vietas izvēle un sagatavošana ...................................................................11Pētījuma vietu ģeoloģiskais raksturojums .............................................................. 13Pārbaudes pētījuma pamatotībai un interpretācijas nodrošinājumam ar eksperimentālajiem datiem .......................................................................................14Grunts stiprības salīdzinošie mērījumi ................................................................... 15Grunts stiprības atkarība no tās dēdējuma pakāpes .............................................. 15Konusa iespiešanas pretestības atkarība no mērīšanas dziļuma ............................16Penetrometra konusa virsmas nodiluma pakāpes ietekme uz mērījumu precizitāti ..................................................................................................16Dabīgā mitruma mērījumu precizitātes novērtējums ..............................................17Grunts dabīgā mitruma izmaiņas laikā ...................................................................17Konusa iespiešanas pretestības atkarība no dabīgā mitruma .................................17Konusa iespiešanas pretestības vērtību sadalījuma atkarību novērtējums ............18Datu interpretācijas paņēmieni, to izvēle un metodika ......................................... 20

3. REZULTĀTI UN DISKUSIJA ................................................................................ 21Detalizēti grunts pētījumi ........................................................................................ 21Datu statistiskais novērtējums ................................................................................. 21Datu grafiskā vizualizācija ...................................................................................... 22Īpašību sadalījuma telpiskās konstrukcijas ............................................................. 24Grunšu neviendabīgums un tā novērtēšana ............................................................ 26Glacigēno grunšu anizotropija ................................................................................. 28Rokas penetrometra izmantošanas iespējas detalizētos grunšu pētījumos........... 28Vēsturisko datu izmantošanas iespējas, ģeotehnisko īpašību datu bāzes ............. 29Konusa iespiešanas pretestības un dabīgā mitruma mērījumu nozīmīgums un precizitāte....................................................................................... 30

SECINĀJUMI ..................................................................................................................31

Publikāciju saraksts ........................................................................................................ 33

Dzīves un darba gājums (CV) ........................................................................................ 34

4

IEVADS

Grunšu neviendabīgums būtiski ietekmē to ģeotehnisko īpašību sadalījumu grunts masīvā, kas rada apgrūtinājumus novērtēt šīs īpašības. Sistemātiski grunšu neviendabīguma pētījumi inženierģeoloģisko jautājumu risināšanai sākti 20. gs. septiņdesmito gadu beigās ar pirmajiem mēģinājumiem modelēt šo parādību. Savukārt mūsdienās pasaulē plaši pētīti dažādi grunšu neviendabīguma aspekti, izmantojot plašu mērījumu un analītisko pieeju kopumu, tomēr būtisks progress šīs parādības izprašanā nav sasniegts.

Lai novērtētu jaunāko teorētisko metožu izstrādnes, apzināti un analizēti teorētiskie priekšstati, pētījumu tehniskie ziņojumi, kā arī profesionālo organizāciju rīkoto konferenču, semināru un kursu materiāli.

Disertācijas ietvaros veiktais pētījums balstīts uz autora veiktajiem ekspe-rimentālajiem un praktiskajiem glacigēno grunšu konusa iespiešanas pre testības un dabīgā mitruma mērījumiem lauka apstākļos (in situ) vairākos iepriekš izvēlētos objektos. No tiem svarīgākie ir trīs: Sila karjerā (uz ziemeļ rietumiem no Kalvenes Aizputes novadā), Kažoku karjerā (uz dienvidiem no Ozolpils Tukuma novadā) un Lodesmuižā (uz dienvidrietumiem no Taurenes Vecpiebalgas novadā). Papildu datus autors ieguvis arī citās šim mērķim izvēlētajās glacigēno grunšu pētījumu vietās Latvijā. Izvēlētās pētījumu metodes un instrumentu precizitātes pārbaudei mērījumi veikti ne tikai glacigēnajās gruntīs, bet arī atšķirīgas ģenēzes un sastāva gruntīs: kvartāra mālainajās, smil šainajās un devona mālainajās gruntīs.

Šajā pētījumā veikts glacigēno grunšu konusa iespiešanas pretestības un dabīgā mitruma vērtību sadalījuma telpā decimetru mērogā novērtējums, izmantojot zinātniskas precizitātes rokas mērinstrumentus: rokas penetrometru un mitruma mērītāju. Darbs izstrādāts, par pamatu ņemot autora veiktos ap 10 000 konusa iespiešanas pretestības un dabīgā mitruma mērījumus in situ.

Pētījuma aktualitāte

Ir zināms, ka grunšu fizikālās un mehāniskās īpašības ir saistītas gan savā starpā, gan ar to veidojošo iežu sastāvu, ģenēzi un vairākiem citiem parametriem un gruntis ietekmējošiem faktoriem. Glacigēnās gruntis raksturo mainīgs sastāvs, fizikālās un mehāniskās īpašības, kas nosaka arī Latvijas glacigēno grunšu neviendabīgumu.

Glacigēno un arī citu grunšu īpašību un sastāva savstarpējā atkarība un to vērtību sadalījuma likumsakarības teritorijā un – īpaši – telpā ir intensīvu zinātnisko pētījumu priekšmets visā pasaulē. Turklāt glacigēnās gruntis bieži

5

kalpo par dažādu būvju pamatnēm, tādēļ īpaši nozīmīgi ir šo grunšu detalizēti pētījumi. Tas nosaka pētījuma aktualitāti un mūsdienīgumu.

Veiktā pētījuma mērķis ir raksturot glacigēno grunšu ģeotehnisko īpašību mainīgumu un anizotropiju detalizētā – decimetru – mērogā, īpašu uzmanību veltot eksperimentālajiem mērījumiem, lai nodrošinātu interpretācijas korektumu inženierģeoloģisko jautājumu risināšanai Latvijas ģeoloģiskajos apstākļos.

Pētījuma uzdevumi

Veicot detalizētus decimetru mēroga glacigēno grunšu pētījumus, ne pie-ciešams:

1) novērtēt iepriekš veikto glacigēno grunšu inženierģeoloģisko pētījumu datu izmantošanas iespējas;

2) eksperimentāli noteikt un izvērtēt galvenos faktorus, kas ietekmē pētāmo īpašību (konusa iespiešanas pretestības un dabīgā mitruma) merījumu precizitāti;

3) veikt ģeotehnisko īpašību mērījumus atšķirīgos grunšu tipos, lai pamatotu glacigēnajās gruntīs konstatētās sakarības;

4) novērtēt konusa iespiešanas pretestības un dabīgā mitruma vērtību sadalījumu pēc minēto parametru mērījumiem in situ vizuāli homogēnā masīvā sablīvējuma morēnā;

5) novērtēt glacigēno grunšu neviendabīgumu un anizotropiju un tās iespējamos iemeslus;

Pētījuma metodiskie risinājumi vairumā gadījumu sakrīt ar tiem, kas mūs-dienās izmantoti grunšu īpašību zinātniskajos pētījumos pasaulē, un tas ļauj salīdzināt autora pētījumā iegūtos rezultātus ar citur veikto inženierģeoloģisko pētījumu rezultātiem.

Izmantojot jaunākos metodiskos risinājumus, disertācijā izskatīts ģeo-tehnisko īpašību mainīgums, to savstarpējās atkarības un anizotropija Latvijas glacigēnajās gruntīs, sniegta to analīze un izvērtējums.

Novitāte

Atšķirībā no iepriekš veiktajiem līdzīgas ievirzes pētījumiem Latvijā, disertācijas autora veiktais pētījums ir augstākas detalitātes. Tajā iegūtie konusa iespiešanas pretestības un dabīgā mitruma in situ mērījumu rezultāti pārbaudīti vairākās iepriekš izvēlētās Latvijas vietās, tā pilnīgāk apzinot Latvijas glacigēno grunšu daudzveidību. Turklāt minēto parametru mērījumi veikti arī atšķirīga sastāva, vecuma un ģenēzes gruntīs.

6

Autora pētījumā ģeotehnisko analīžu veikšanai izmantoti zinātniskas klases portatīvi mērinstrumenti, lai ar augstu precizitāti noteiktu grunšu konusa iespiešanas pretestību un dabīgo mitrumu.

Pētījuma metodiskie risinājumi vairumā gadījumu sakrīt ar tiem, kas mūsdienās izmantoti līdzīgos zinātniskajos pētījumos citur pasaulē, un tas ļauj tieši salīdzināt pētījumā iegūtos rezultātus ar citu pētnieku iegūtajiem rezultātiem.

Autora iepriekš veiktajos pētījumos (Karpovičs, 2006a; 2006b) novērtētas līdz šim iegūto Latvijas glacigēno grunšu inženierģeoloģisko pētījumu (analīžu rezultātu) izmantošanas iespējas un veikta šo datu izvērtēšana un analīze, kas netika turpināta kopš divdesmitā gadsimta sešdesmitajiem gadiem.

Lietišķā nozīme

Pētījumā raksturots Latvijas glacigēno grunšu īpašību neviendabīgums un atkarība no mērījumu veikšanas virziena. Šī sakarība būtu ņemama vērā, veicot detalizētus inženierģeoloģiskos pētījumus.

Izmantojot disertācijas ietvaros izveidoto elektronisko glacigēno grunšu ģeotehnisko īpašību datu bāzi, var veikt šo datu matemātisku apstrādi. Datu bāze būtu papildināma ar kvalitatīviem grunšu analīžu rezultātiem, jo nākotnē tā var kalpot par bāzi zinātniskajiem un lietišķajiem pētījumiem.

Aprobācija

Balstoties uz pētījuma rezultātiem par atsevišķām pētījuma sadaļām un darbu kopumā: sagatavoti pieci raksti zinātniskajos žurnālos, starptautiskajās zinātniskajās konferencēs sniegti seši ziņojumi, kā arī seši – Latvijas zinātniskajās konferencēs.

Pateicības

Disertācija izstrādāta ar Eiropas Sociālā fonda finansētā projekta Nr. 2004/0001/VDP1/ESF/PIAA/04/3.2.3.1/0001/0063 (LU ESS2004/3) „Atbalsts doktorantūras programmu īstenošanai un pēcdoktorantūras pē tī ju-miem”.

7

1. GLACIGĒNĀS GRUNTIS UN TO PĒTĪJUMI LATVIJĀ

Apkopojot grunšu pētījumu vēsturi Latvijā, jāatzīmē vairāki darba izstrādei nozīmīgākie aspekti. Sistemātiski grunšu, to skaitā glacigēno, ģeotehnisko īpašību pētījumi veikti no 20. gs. 50.–80. gadiem, galvenokārt papildinot ģeoloģiskās kartēšanas pētījumus. Turklāt apjomīgi grunšu pētījumi veikti atsevišķu, lielu inženiertehnisko būvju vajadzībām. Šo pētījumu rezultāti ietverti pārskatos. Ievērojama daļa no grunšu analīzēm veiktas pēc vienotas metodikas centralizētās laboratorijās, kas norāda, ka šo analīžu rezultāti var būt savstarpēji salīdzināmi. Diemžēl pētījumu veikšanas apstākļi bieži vien nav fiksēti vai arī to kvalitāte neatbilst mūsdienu prasībām, kas nosaka, ka to lietojums mūsdienās ir ierobežots un noderīgs tikai plašākiem vispārinājumiem un orientējošai grunšu īpašību novērtēšanai. Jāpiebilst, ka šo pētījumu sākotnējie rezultāti jau apkopoti A. Zobenas disertācijā un turpmāk ļoti fragmentāri pieminēti tikai I. Danilāna monogrāfijā. Savukārt specializēti grunšu īpašību pētījumi veikti ierobežotā skaitā un vēl mazāk datu ir pieejams publikācijās. Jo īpaši tas attiecināms uz pēdējiem 20. gadiem, kuru gaitā inženierģeoloģiskie pētījumi realizēti atsevišķos būvobjektos; pamatā tie ir komerciāli pētījumi un to rezultāti nav publiski pieejami.

Minētie aspekti noteica, ka disertācijā izmantojami tikai līdz 20. gs. 80. gadiem veikto analīžu rezultāti un tikai orientējošai glacigēno grunšu īpašību novērtēšanai. Turklāt detalizētu grunšu pētījumu trūkums norāda uz nepieciešamību tāda veida pētījumu veikt disertācijas ietvaros, paredzot tos attīstīt turpmākajos gados.

Glacigēnie nogulumi un gruntis – klasifikācija un pieņemtā terminoloģija

Morēnas nogulumi ir vairāku Zemes zinātņu – kā kvartārģeoloģijas, gla-ciālās ģeoloģijas, augsnes zinātnes, inženierģeoloģijas – un citu zinātņu pētī-jumu priekšmets. No visiem nogulumu ģenētiskajiem tipiem tieši glacigēnie ir visdaudzveidīgākie un tiem līdz mūsdienām joprojām nav vienotas definīcijas un terminoloģijas, turklāt nav vienota viedokļa arī par izdalīto morēnas tipu diagnosticēšanas pazīmēm. Disertācijā glacigēnās gruntis apskatītas kā morēnas nogulumi (diamiktons), sekojot A. Dreimaņa vadītās INQUA komisijas C-2 morēnas darba grupas (2-A) izstrādātajai definīcijai „Morēna ir atlūzu materiāls, ko transportējis un pēc tam izgulsnējis ledājs tā pamatnē vai atlūzu materiālam izkūstot no ledus, bet kušanas ūdeņi nogulumus nav vai tikai nedaudz šķirojuši”.

8

Pētījumam izvēlētā vizuāli homogēnā sablīvējuma morēna uz lauka noteikta, vadoties pēc iepriekšminētajā darbā aprakstītajām identificēšanas pazīmēm.

Inženierģeoloģijā un ģeotehnikā nogulumi un nogulas apskatītas kā gruntis ar atšķirīgu sastāvu un īpašībām un klasificēšanas pamatkritērijs ir to granulometriskais sastāvs. Zinātniskajos pētījumos pasaulē plaši izmantotas vairākas grunšu klasifikācijas sistēmas, ko vispārinot var iedalīt divās lielās grupās – universālās un specifiskās grunšu klasifikācijas. Jāpiebilst, ka nav vienas universālas izmantoto klasifikāciju grupēšanas pazīmes, turklāt arī pašas klasifikācijas atsevišķos reģionos un valstīs vēsturiski veidotas visai atšķirīgi, aptverot konkrētajam reģionam raksturīgās gruntis, pieņemto grunšu sastāva un īpašību noteikšanas specifiku. Jāņem vērā, ka atšķirīgi ir arī paši grunšu klasificēšanas principi, kurus nosacīti var iedalīt trīs grupās: ģenētiskās klasifikācijas, klasifikācijas pēc granulometriskā sastāva un būvniecības vajadzībām. Turklāt tikai bijušajā PSRS par grunšu klasifikācijas papildu kritēriju izmantoja to ģenēzi. Katra no minētajām klasifikācijām, lai arī veidota, par pamatu ņemot granulometrisko sastāvu, dalījumu grunšu klasēs veido atšķirīgi. Pasaulē izplatītāko grunšu klasifikāciju salīdzinājumu izstrādājis K. Dundulis (1997) un pēdējo desmit gadu laikā nozīmīgu panākumu klasifikāciju unificēšanā joprojām nav.

Iepriekšminētais norāda, ka dažādajās klasifikācijās glacigēnās gruntis (morēna) aptver dažādus grunts tipus. Jāņem arī vērā, ka grunšu klasificēšanas pamatā ir to granulometriskais sastāvs un vēsturiski dalījums pa frakcijām (raksturīgās analizējamās frakcijas un to proporcijas vai no tiem aprēķinātie lielumi) dažādās valstīs ir visai atšķirīgs. Īpaša uzmanība morēnas grunšu klasificēšanai pievērsta Zviedrijā, kur tās grupētas gan pēc granulometriskā sastāva (6 tipos), gan pēc ģeotehniskajām īpašībām. Tas nozīmē, ka īpaša uzmanība pievēršama, salīdzinot dažādās valstīs veikto morēnu inženierģeoloģisko pētījumu rezultātus.

Kopumā pētījumu jomas terminoloģijas attīstība latviešu valodā ievērojami kavējas pat attiecībā pret kaimiņu valstīs paveikto, tomēr jau 1999. gadā iznācis Zinātniski-pētnieciskā centra SIA UNICONE rakstu krājums „Unicone proceedings. Geotechnics and Ecology”, kurā iztirzāti dažādi ģeotehniska satura pētījumi un ar nozares terminoloģiju saistīti jautājumi; izdevuma pielikumā publicēta arī īsa ģeotehnisko terminu vārdnīca latviešu, angļu un krievu valodā. Ar ģeotehnisko terminu izstrādi nodarbojas arī Ģeotehniķu savienība un LZA Terminoloģijas komisija. Izstrādājot disertāciju, autors vadījies pēc minētajā vārdnīcā apkopotajiem terminiem.

9

Glacigēno grunšu inženierģeoloģiskā izpēte un detalizētu pētījumu specifika

Līdzīgi kā kvartārģeoloģijā un glaciālajā ģeoloģijā, arī inženierģeoloģijā glacigēno grunšu pētīšanas īpatnības (apgrūtinājumi) saistītas galvenokārt ar to saguluma un tekstūras neviendabīgumu un rupjgraudainā materiāla ieslēgumiem. Līdz šim lielākā daļa ar glacigēnajām gruntīm saistīto inženierģeoloģisko pētījumu veikti, lai noskaidrotu šo grunšu sastāva un dažādu īpašību vērtību iespējamās variācijas gan tipa robežās, gan to sadalījumam greizumā un horizontālajā plaknē, gan arī kā pēc īpašībām tās atšķiras no citām glaciālajām un citām gruntīm. Otrs pētījumu virziens ir metodiska rakstura, t.i., šīm specifiskajām gruntīm piemērotāko laboratorijas un in situ metožu attīstīšana, un iegūto rezultātu interpretācija.

Lai gan grunšu pētījumi mūsdienu izpratnē uzsākti jau 20. gs. 30. gados ar Karla Tercagi (Karl Terzaghi) publikācijam, taču grunšu īpašību saistība ar to ģenēzi apskatīta salīdzinoši maz. Pastiprināta uzmanība tādiem pētījumiem pievērsta, sākot ar 20. gs. 70. gadiem, kad organizēts šiem pētījumiem veltīts simpozijs un konference, kuras rezultāti publicēti rakstu krājumos, kur apkopotas dažādu Zemes zinātņu nozarēs uzkrātās zināšanas. Starp tolaik veiktajiem pētījumiem īpaši izceļami Boltona un Milligana, kā arī citi darbi. Savukārt pagājušā gadsimta nogalē Lielbritānijas Būvniecības ražošanas pētniecības un informācijas asociācija (CIRIA) publicēja tieši morēnas grunšu inženierģeoloģiskajiem pētījumiem veltītu grāmatu, kur pievērsta uzmanība arī morēnu ģenēzes ietekmei uz to ģeotehniskajām īpašībām. Atsevišķu pētījumu rezultāti publicēti līdz pat mūsdienām, atzīstot, ka vēl arvien ir daudz neatrisinātu jautājumu.

Pētījumi apliecina, ka glacigēnās (morēnas) gruntis nepieciešams pētīt atsevišķi, jo empīriskās korelācijas un teorētiskie modeļi, kas radīti tīrām smilts un māla gruntīm, var būt nepatiesi jaukta sastāva gruntīm, kādas ir glacigēnās (morēnas) gruntis. Tas noteica nepieciešamību veikt glacigēno grunšu pētījumus, īpašu uzmanību pievēršot tā metodiskajiem aspektiem.

10

2. MATERIĀLI UN METODES

Tradicionāli inženierģeoloģiskajos pētījumos rokas instrumentus izmanto visai reti, savukārt specifiskos grunšu pētījumos – vēl retāk. Literatūrā šādu instrumentu izmantojums zinātniskajos pētījumos apskatīts, tomēr šajos darbos pētījumu realizācijas metodiskie jautājumi iztirzāti visai ierobežoti. Tādēļ viens no disertācijas uzdevumiem bija rast risinājumu mērījumu organizēšanai un īstenošanai in situ apstākļos, kā arī objektīvi novērtēt iegūto mērījumu rezultātu precizitāti.

Pieejamie dati un to izvērtējumsLai gūtu priekšstatu par Latvijā sastopamo glacigēno grunšu fizikālo

un mehānisko īpašību, kā arī granulometriskā sastāva izmaiņu robežām, un noskaidrotu iespējamās korelatīvās saiknes starp minētajiem parametriem, tika izskatīti un izvērtēti iepriekšējos gados Latvijas teritorijā veiktie inženier-ģeoloģisko laboratorisko analīžu rezultāti, aptverot galvenokārt no 1958. gada līdz 1992. gadam veikto ģeoloģiskās kartēšanas darbu rezultātus. Kopumā iz vēr tēti Latvijas Vides, ģeoloģijas un meteoroloģijas aģentūras (LVĢMA) Ģeoloģijas fondā apkopotie glacigēno grunšu rezultāti – aptuveni 5000 paraugu inženierģeoloģisko analīžu. Šie analīžu dati, kas galvenokārt iekļauti grunšu pasēs, tika izvērtēti un ievadīti īpaši šim mērķim izveidotā datu bāzē datorprogrammā MS Excel. Tomēr, jau ievadot datus un uzsākot to vienkāršotu salīdzināšanu, konstatēts, ka lielākā daļa no tiem turpmāk nav izmantojami. Galvenais iemesls šādam nelabvēlīgam konstatējumam ir paraugu analīžu realizācija dažādās laboratorijās ar atšķirīgām metodēm un iekārtām, turklāt atbilstoši dažādiem mērīšanas nosacījumiem un, lielākoties, nezināmu precizitāti. Jāpiebilst arī, ka šajos materiālos ne vienmēr norādīta grunts ģenēze, un pieejamās grunšu pases lielākoties nav pārbaudāmas arī pēc LVĢMA Ģeoloģijas fonda arhīvā saglabātajiem sākotnējiem ģeoloģiskajiem materiāliem.

Tādēļ šajā pētījumā analītisko datu vērtēšanai un aprēķiniem turpmāk izmantoti tikai tādi analīžu rezultāti, kas iegūti vienā laboratorijā pēc vienotas metodikas un ar noteiktu precizitāti, – dažāda mēroga valsts ģeoloģiskās kartēšanas darbu laikā iegūto glacigēno grunšu paraugu analīžu rezultāti. Minētais ļāva pētījumam nodalīt glacigēno grunšu laboratorijas analīžu rezultātus, kas savulaik noteikti 664 paraugiem. Datu apstrādei tie sākotnēji ievadīti autora izveidotajā MS Excel datu bāzē. Laboratorisko pārbaužu dati ievadīti un uzglabāti *.xls formātā, jo tas ir savietojams ar lielāko daļu datorprogrammu to turpmākajai statistiskajai apstrādei.

Disertācijas vajadzībām datu analīze veikta, izmantojot dažādas statistiskās metodes datorprogrammā Statistica 5.1. Pētījuma gaitā konstatētas visai būtiskas

11

datu pārnešanas un pārrakstīšanās kļūdas sākotnējos laboratoriju sagatavotajos protokolos. Tādēļ, lai mazinātu gadījuma neprecizitāšu iespējamību, ievadei datu bāzē tika izmantoti tikai pārbaudīti sākotnējie analītiskie dati, t. i., grunšu pases. Tajā pašā laikā, vairākkārtīgi pārbaudot datus un vērtējot to kvalitāti, datu bāzē tie ievadīti oriģinālā izteiksmē.

Iepriekšminēto vēsturisko datu novērtējums un analīze parādīja, ka arī pēc rūpīgas sākotnējās izvērtēšanas tie ir atšķirīgas kvalitātes, ko pirms tālākas datu apstrādes nepieciešams rūpīgi izvērtēt. Turklāt mūsdienās būtiski pieaugusi iekārtu un mērījumu precizitāte, uz ko norāda, piemēram, pēc vēsturiskajiem datiem un mūsdienās veikto analīžu rezultātiem sastādīto morēnas smilšmāla un mālsmilts dabīgā mitruma un porainības koeficienta atkarību grafiki. Tajos redzams, ka vēsturiskajiem datiem, novērojama lielāka datu izkliede, salīdzinot ar mūsdienās realizēto pētījumu datiem. Minētais pastarpināti norāda, ka apskatītie parametri noteikti ar atšķirīgām metodēm, tādēļ disertācijā iepriekšējo pētījumu vēsturiskie dati diemžēl izmantojami tikai vispārinātam grunšu raksturojumam.

Pētījumā izmantotie instrumenti

Pētījumā izmantoti portatīvi, zinātniskas precizitātes mērinstrumenti – rokas penetrometrs un mitruma mērītājs, ar kuriem iespējams veikt konusa iespiešanas pretestības un dabīgā mitruma mērījumus in situ.

Penetrācijas mērījumi veikti ar Eijkelkamp rokas (IB tipa) penetrometru, kas apgādāts ar 150 N atsperi, un tā konusa diametrs ir 5,6 mm, virsmas laukums 0,25 cm2 un virsotnes leņķis 30o. Ar šo penetrometru iespējams mērīt konusa iespiešanas pretestību diapazonā no 0 līdz 60 kg/cm2 ar ±8% ražotāja noteiktu precizitāti (iedaļas vērtība uz skalas 1 kg/cm2).

Dabīgā tilpuma mitruma mērījumi veikti ar ΔT mitruma mērītāju HH2, kas papildināts ar datu uzkrāšanas bloku un sensoru SM-200 (Delta-T Devices; adatu garums 51 mm, mērīšanas diapazons 0–50%, precizitāte ±3%).

Pētījuma vietas izvēle un sagatavošana

Veicot maza mēroga (t. i., milimetru līdz decimetru mēroga diapazonā) detalizētus inženierģeoloģiskos pētījumus, būtiska nozīme ir piemērotas vietas izvēlei, kā arī šo pētījumu metodiskajiem aspektiem. Tādēļ vieta detalizētam pētījumam tika izvēlēta atbilstoši šādiem kritērijiem:

a) griezumā jābūt pārstāvētām glacigēnajām gruntīm; b) gruntīm jābūt pārstāvētām vismaz 1 m biezumā, lai varētu veikt pie-

tiekami daudz mērījumu;

12

c) gruntīm jābūt tuvu zemes virsmai, lai izvairītos no papildu rakšanas darbiem, sagatavojot pētījuma vietu;

d) gruntīm jābūt viendabīgām, bez citu materiālu lēcām un ievilkumiem; e) gruntis nedrīkst būt pārveidotas augsnes veidošanās un sala procesu

ietekmē;f) gruntīm jābūt ar relatīvi nelielu oļu un laukakmeņu saturu, kas varētu

traucēt mērījumu veikšanu vienmērīgā tīklā; g) teritorijai jābūt relatīvi brīvai no veģetācijas (īpaši lieliem kokiem,

jo koku saknes izmaina grunts mitruma režīmu un sagrauj dabīgo struktūru). Vērā ņemami arī tehniskie apsvērumi: piekļuve objektam (h) un darba drošības apsvērumi (i).

1. attēls. Pētījuma vietu izvietojums

Apzīmējumi: 1 – Sila karjers; 2 – Ulmāle; 3 – Apriķi; 4 – Mucenieku karjers; 5 – Lutriņi; 6 – Kažoku karjers; 7 – Ānes karjers; 8 – Daugmale; 9 – Garkalne; 10 – Gauja; 11 – Aizkraukle; 12 – Lodesmuiža; 13 – Rauna; 14 – Lodes karjers; 15 – Kupravas karjers. Glacigēno grunšu pētījumu vietas (1, 2, 4, 5, 6, 11, 13), mālaino grunšu pētījumu vietas (3, 7, 14, 15), smilšaino grunšu pētījumu vietas (2, 4, 6, 8, 9, 10, 12)

Lai atrastu vietu, kas atbilst visiem iepriekšminētajiem kritērijiem, izvērtētas kvartāra nogulumu kartes ģeoloģiskie griezumi un, kā arī apzināts nozares speciālistu viedoklis. Tā rezultātā izdalīti glacigēno nogulumu izplatības areāli un vietas, kur potenciāli tie varētu atsegties, proti, upju ieleju posmi, kur varētu būt pietiekami augsti atsegumi vai arī karjeri. Pētījumam piemērotas vietas

13

meklēšanas gaitā tika apsekoti glacigēno grunšu dabiskie atsegumi upju krastos (Rauna un Cimziņa Raunas apkārtnē, Daugava pie Aizkraukles) un mākslīgi izveidotās sienas karjeros Tukuma, Lutriņu un Aizputes apkārtnē, kā arī Baltijas jūras stāvkrastā Ulmāles apkārtnē un citviet. Turklāt pētījuma pamatotībai un interpretācijas nodrošinājumam ar eksperimentālajiem datiem apsekoti un veikti mērījumi ne tikai glacigēnajās, bet arī citas ģenēzes un sastāva kvartāra un devona gruntīs (1. attēls).

Atsegumi iepriekšminētajās vietās tika attīrīti, dokumentēti, veicot mērījumus ar rokas penetrometru un mitruma mērītāju, lai pēc tam izvērtētu to piemērotību detalizētajiem pētījumiem, kā arī pietiekamā skaitā iegūtu mērījumus, kas kopumā raksturotu glacigēnās gruntis.

Pētījuma vietu ģeoloģiskais raksturojums

Detalizēta pētījuma vieta Sila karjerā (2. attēls) atrodas Bandavas pau gu-raines dienvidrietumu daļā – Rietumkursas augstienes centrālajā daļā Aizputes apkārtnē, aptuveni 2 kilometrus uz rietumiem no Kalvenes dzelzceļa stacijas. Pētījuma vietas kvartārģeoloģiskā griezuma pamata elementus reģionālā skatījumā veido Bandavas pauguraines dienvidu daļas pamatā izveidojies plašs pirmskvartāra iežu pacēlums, ko pārklāj aptuveni 60–80 m bieza kvartāra nogulumu slāķopa.

2. attēls. Pētījuma vietas (Sila karjera) atrašanās delatizēta shēma

14

Detalizēta pētījuma vietas (Sila karjera rietumu sienā) atsegto ģeoloģisko griezumu veido 2,0–3,2 m biezs pelēkbrūnas morēnas mālsmilts slānis, kas uzguļ oļainiem smilts, grants nogulumiem (3. attēls). Mālsmilts slāņa apakšējos 50 cm veido blīvs smilšmāls ar paaugstinātu oļu saturu un grants starpslāņiem. Morēnas un smilts grants kontaktu veido vidēji 10 cm biezs konglomerāta slānis, kam 50 m zemāk smilts grants nogulumos seko otrs (apmēram 20 cm biezs) konglomerāta slānis. Savukārt smilts un grants nogulumu slāņa biezums karjera teritorijā izsekojams līdz apmēram 6 m dziļumam.

3. attēls. a ) Pētīto glacigēno grunšu atseguma ģeoloģiskais griezums Sila karjerā un pētījuma vietas fotodokumentācija b) pirms pētījuma un c) pēc pētījuma

Apzīmējumi: 1 – morēnās mālsmilts; 2 - mālsmilts ar lielu grants un oļu piejaukumu; 3 – smilts grants maisījums ar oļiem; 4 – konglomerāts; 5 – nobiras; 6 – mērījumu vieta (kubs)

Izvēlētajā pētījuma vietā instrumentāli grunts īpašību mērījumi veikti morēnas smilšmāla masīvajā daļā 180 cm no zemes virsmas un 50 cm virs blīvā smilšmāla.

Pārbaudes pētījuma pamatotībai un interpretācijas nodrošinājumam ar eksperimentālajiem datiem

Lai precizētu detalizēta pētījuma mērījumu veikšanas organizāciju un nodrošinātu iegūto rezultātu interpretācijas patiesumu tika veikti eksperimentāli

15

mērījumi in situ mērījumi un to salīdzinājumi ar laboratoriskām pārbaudēm. Tas ļāva noteikt rokas penetrometra, konusa iespiešanas pretestības (qc, MPa), un mitruma mērītāja dabīgā tilpuma mitruma (W, tilp. %) mērījumu precizitāti un to ietekmējošos faktorus gan glacigēnajās, gan arī citas ģenēzes – kvartāra un devona mālainajās un smilšainajās gruntīs.

Grunts stiprības salīdzinošie mērījumi

Lai pārbaudītu konusa iespiešanas pretestības mērījumu ticamību, veikti paralēli, sistematiski grunts stiprības in situ mērījumi. Rokas penetrometra konusa iespiešanas pretestības mērījumu rezultāti salīdzināti ar divu atšķirīgu metožu un instrumentu – lāpstiņu zondes un Proktora penetrometra – mērījumu rezultātiem, kas iegūti, veicot paralēlos mērījumus. Tie realizēti glacigēna-jās mālsmilts gruntīs, veicot sistemātiskas paralēlu mērījumu sērijas trijās ģeogrāfiski atšķirīgās vietās Latvijā. Kopā veikti 428 paralēli konusa iespiešanas pretestības un lāpstiņzondes pretestības (301) un Proktora penetrācijas pretes-tības (127) mērījumi.

Iegūtie īpašību atkarību grafiki norāda, ka starp konusa iespiešanas pretes-tības (qc) un lāpstiņu zondes bīdes pretestības (Cu) mērījumu rezultātiem novērota ciešāka atkarība (R2 = 0,81) nekā kā starp konusa iespiešanas pretestības (qc) un Proktora penetrācijas pretestības (CI) mērījumu rezultātiem (R2 = 0,74), taču augstie determinācijas koeficienti liecina, ka konstatētās atkarības statistiski ir nozīmīgas. Vienlaicīgi pētījumā autors nekonstatēja atšķirības minētajām atkarībām ģeogrāfiski atšķirīgās teritorijās. Tas liecina, ka novērotā atkarība, iespējams, ir likumsakarīga glacigēnajām gruntīm.

Grunts stiprības atkarība no tās dēdējuma pakāpes

Eksperimenta mērķis bija noskaidrot grunts dēdēšanas ietekmi uz to fizikāli mehāniskajām īpašībām. Katrā no tīkla šūnām, uz virsmas, kas novietota perpendikulāri svaigi atsegtai atseguma sienai – pavisam trijos atsegumos – veikts 301 glacigēno grunšu dabīgā mitruma, konusa iespiešanas pretestības – qc un lāpstiņu zondes bīdes pretestības – Cu sistemātisks mērījums vienmērīgā tīklā in situ. Pētījumā paralēli veikti visu trīs parametru mērījumi, kas ļautu novērtēt atkarības starp šo parametru vērtībām, ja tādas tiktu novērotas. Lai pārliecinātos, ka iegūtajām sakarībām nav lokāls raksturs, sākotnējais eksperiments Sila karjerā atkārtots divos citos atsegumos – Mucenieku un Kažoku karjerā.

Veiktie mērījumi norāda, ka dēdēšanas procesu ietekme glacigēnajās gruntīs ir konstatēta, un tā ir instrumentāli mērāma, kā arī fiksētas divu mērīto para-metru – qc un Cu – vērtību sadalījuma likumsakarības. Mitruma sadalījumam

16

šāda veida likumsakarības nav novērotas, taču šis parametrs izmantots kā indikatīvais – qc un Cu vērtību sadalījuma noskaidrošanai.

Konusa iespiešanas pretestības atkarība no mērīšanas dziļuma

Eksperimenta mērķis ir pārbaudīt, kā qc vērtības mainās atkarībā no mērī-juma dziļuma, lai noskaidrotu, kāds ir optimālais mērījuma nolasīšanas dziļums. Šai nolūkā konusa iespiešanas pretestības mērījumi veikti 15 punktos līdz 10 cm dziļumam, veicot nolasījumus ar soli 1 cm. Mērījumi veikti gan vertikāli – 8 punktos, gan horizontāli – 6 punktos.

Eksperimentā novērota tendence vertikāli veikto mērījumu qc vērtībām pieaugt līdz aptuveni 5 cm dziļumam, pēc kura tās stabilizējas. Atzīmējams, ka līdzīgas sakarības novērotas arī horizontāli veiktajiem mērījumiem.

Ņemot vērā konstatēto sakarību, tālākajiem glacigēno grunšu pētījumiem noteikts optimālais konusa iespiešanas pretestības (qc) vērtības nolasīšanas dziļums – 5 cm. Tas ir svarīgi šādu iemeslu dēļ: bija jānoskaidro dziļums, kurā iegūtā qc vērtība būtu raksturīga noteiktajam grunts tilpumam (šajā gadījumā 10 cm3) un, otrkārt, – tālākajai datu interpretācijai bija svarīgi, lai mērījumi būtu veikti regulārā tīklā.

Penetrometra konusa virsmas nodiluma pakāpes ietekme uz mērījumu precizitāti

Lai noskaidrotu qc vērtību izmaiņas penetrometra konusa virsmas nodiluma ietekmē, veikti paralēli penetrācijas mērījumi ar dažādas pakāpes nodiluma konusiem. Šai nolūkā realizēti paralēli qc mērījumi glacigēnajās (morēnas mālsmilts) gruntīs ar trīs vienāda sākotnējā izmēra (diametrs 5,6 mm, virsmas laukums 0,25 cm2, virsotnes leņķis 30o), dažādas nodiluma pakāpes konusiem. Kopā veikti 63 sistemātiski mērījumi, nolasot penetrometra rādījumus 5 cm dziļumā. Veicot šādu eksperimentu, tas bija svarīgi, jo šī eksperimenta mērījumu punkta laukums bija 12 cm2, kas ir tuvs autora veiktā pētījumā izvēlētajam (10 cm2). Tā kā autora veiktajā pētījumā mērījumi veikti 10x10x10 cm šūnā, kur izpildīts viens mērījums katrā no trim virzieniem.

Eksperimentā noskaidrots, ka qc vērtību svārstību robežas bija intervālā no 0,0 līdz 0,8 MPa ar vidējo aritmētisko vērtību 0,2 MPa. Jāpiemin, ka vērtību svārstību robežu vidējās aritmētiskās vērtības būtiski neatšķiras starp mērījumiem ar dažādiem konusiem, t.i., nelietotā konusa qc vērtību svārstību robežu vidējā aritmētiskā vērtība ir 0,1 MPa, bet abiem pārējiem konusiem – attiecīgi 0,3 MPa. Tas ļāva secināt, ka, veicot atkārtotus mērījumus pēc tam, kad realizēts ievērojams skaits konusa iespiešanas pretestības mērījumu

17

(~4500 mērījumi), atkārtoto mērījumu precizitāti konusa nodilums būtiski neietekmē. Atzīmējams, ka šīs sakarības novērotas nelielā qc vērtību diapazonā (~0,5 MPa). Minētais norāda, ka ir iespējams iegūt reprezentablus rezultātus, veicot detalizētus pētījumus ar lielu mērījumu skaitu.

Dabīgā mitruma mērījumu precizitātes novērtējums

Eksperimenta mērķis bija noskaidrot, kāds ir dažāda granulometriskā sastāva grunšu izmērīto dabīgā mitruma vērtību atkarību ciešums, veicot paralēlus in situ mērījumus gan ar diviem līdzīgas klases mitruma mērītājiem, gan ar diviem vienādas markas sensoriem, turklāt arī dažādu ekspluatācijas laiku. Kā arī ar dažādajiem sensoriem iegūto mitruma mērījumu rezultātu salīdzināšana ar laboratorijā noteiktajiem. Kopā veikti 115 paralēli mitruma mērījumi un ievākti 17 grunts paraugi svara mitruma noteikšanai laboratorijā.

Kā norāda mērījumu rezultātu atkarību grafiki glaciolimniskās ģenēzes gruntīs pastāv visai cieša atkarība starp abu sensoru rādījumiem. Savukārt glacigēnās ģenēzes mālsmilts gruntīs nav novērota cieša atkarība starp abu sensoru rādījumiem. Tomēr konstatēta tilpuma un svara mitruma cieša atkarība mērījumiem ar abiem sensoriem gan glaciolimniskas, gan glacigēnas ģenēzes gruntīs.

Grunts dabīgā mitruma izmaiņas laikā

Eksperimenta mērķis bija noskaidrot, kā mainās grunts dabīgais mitrums laikā in situ attīrītā smilts atsegumā. Tas īstenots vienas dienas laikā glaciolimniskās smilts un aleirītiskās smilts atsegumā Taurenes apkārtnē, Vecpiebalgas novadā. Katrā slānī veikta mērījumu sērija 10 stundu garumā. Iegūto mērījumu rezultātu tālākajai interpretācijai sastādītie grafiki parādīja galvenās mitruma zuduma likumsakarības pētītajās gruntīs. Aprēķini parādīja, ka žūšanas process norit lēni –, smalkgraudainās smilts slānī 10 stundu laikā sasniedzot 0,4% stundā, turpretī smalkgraudainās, aleirītiskās smilts slānī mitruma zudums ir ievērojami mazāks – vidēji 0,1% stundā.

Eksperimenta rezultāti rāda, ka iespējams veikt in situ mitruma mērījumus smilšaino grunšu atsegumā, nezaudējot mērījumu korektumu, ko izraisa grunts mitruma režīma izmaiņas to žūšanas gaitā pirmās diennakts laikā.

Konusa iespiešanas pretestības atkarība no dabīgā mitruma

Zinātniskie pētījumi norāda, ka konusa iespiešanas pretestība atkarīga no vairākiem grunts parametriem, no kuriem būtiskākie ir blīvums un mitrums.

18

Lai noskaidrotu, kā minētā sakarība novērojama dažādas ģenēzes gruntīs, veikti konusa iespiešanas pretestības un dabīgā mitruma mērījumi.

Kvartāra mālu konusa iespiešanas pretestības un dabīgā mitruma vērtību atkarību grafiks norāda, ka kopumā novērota visai cieša saikne gan starp vi-dējotām, gan atsevišķos mērījumu punktos noteiktajām vērtībām.

Papildu pētījumi veikti, novērtējot apskatāmo īpašību atkarību pirmskvartāra aleirītiskajos mālos. Tie realizēti Lodes karjerā devona mālos 2007. gada jūlijā, veicot konusa iespiešanas pretestības un mitruma mērījumus 11 punktos.

Atšķirībā no kvartāra nogulumiem, devona mālainajos aleirolītos veicot sa-līdzinoši nelielu mērījumu skaitu, konstatēta cieša saikne starp konusa iespiešanas pretestības un dabīgā mitruma mērītajām vērtībām. Jānorāda, ka ciešākā saikne konstatēta nelielā dabīgā mitruma vērtību intervālā (20,1% – 23,5%), savukārt, mazinoties dabīgajam mitrumam, minētie parametri savstarpēji nekorelē. Literatūrā šāda parādība skaidrota ar grunšu cementāciju vai arī ar apstākli, ka atkarību ciešumu ietekmē grunts blīvums.

Konusa iespiešanas pretestības vērtību sadalījuma atkarību novērtējums

Lai noskaidrotu, vai, veicot mērījumus glacigēnajās gruntīs ģeogrāfiski atšķirīgās teritorijās, iegūtās sakarības ir līdzīgas, veikti mērījumi gan Sila kar-jerā Aizputes novadā, gan Kažoku karjerā Tukuma novadā. Papildu mērījumi veikti arī atšķirīga sastāva gruntīs Ulmāles atsegumā (Pāvilostas novadā), lai noskaidrotu, vai metode pielietojama arī citu grunšu izpētei.

Eksperimentālajā pētījumā Kažoku karjerā bija jānoskaidro, vai ar rokas penetrometru iegūtās glacigēno nogulumu qc vērtību sadalījuma sakarības detalizētajā pētījumā – Sila karjerā (3. nodaļa) novērojamas ģeogrāfiski at šķi-rīgās teritorijās un vai ir konstatējamas sakarības starp iespējamo ledāja kustī-bas virzienu un qc vērtību sadalījumu. Šai nolūkā veikti 150 konusa iespiešanas pretestības un dabīgā mitruma mērījumi – attiecīgi 91 mērījums paralēli un 59 mērījumi perpendikulāri iespējamajam ledāja kustības virzienam. Mērījumu tīkls izvēlēts tāds pats kā „kubam”, lai iegūtās qc vērtību sadalījuma vizualizācijas būtu savstarpēji salīdzināmas.

Mērījumu vērtību statistiskie rādītāji parādīja, ka nepastāv būtiskas at šķi rī-bas starp mērījumiem, kas veikti paralēli un perpendikulāri iespējamajam ledāja kustības virzienam. Savukārt iegūtā konusa iespiešanas pretestības vērtību sadalījuma vizualizācija norādīja, ka, lai gan statistiski starp qc vērtībām, kas iegūtas dažādos mērījumu virzienos, nav būtiskas atšķirības, tomēr novērojamas noteiktas sakarības to vērtību sadalījumā.

19

Eksperimentālais pētījums Ulmālē veikts lai pārliecinātos, ka pēc autora izstrādātās metodes iespējams veikt mērījumus un konstatēt sakarības ne tikai glacigēnajās gruntīs, bet arī citās, pētītas smilšainās gruntis P’avilostas novada, Ulmālē. Mērījumi veikti kuba formas grunts ķermenī 30x30x30 cm perpendikulāri katrai no 6 skaldņu virsmām pa 5 mērījumiem katrā no virsmām, un 5 mērījumi uz skaldnes kuba vidū. Kopumā veikti 35 konusa iespiešanas pretestības un dabīgā mitruma mērījumi.

Iegūtās konusa iespiešanas pretestības (qc) un dabīgā mitruma vērtību savstarpējo atkarību analīze rāda, ka sakarības starp šīm vērtībām katrā atsevišķajā mērījumu punktā, līdzīgi kā glacigēnajās gruntīs, nav novērojamas. Savukārt iegūtajās konusa iespiešanas pretestības (qc) un dabīgā mitruma vērtību sadalījuma vizualizācijās novērojamas gan atsevišķo parametru vērtību sadalījuma likumsakarības, gan arī sakarības starp šo vērtību sadalījumu. Kopumā eksperimenta rezultāti liecina, ka noteiktas sakarības starp instrumentāli mērītām grunts īpašībām in situ apstākļos iegūstamas gan atšķirīga sastāva (mālsmilts un smilts), gan atšķirīgas ģenēzes (glacigēnajās un marīnajās) gruntīs.

Eksperimentālā pētījuma Lodesmuižā mērķis bija in situ apstākļos novērtēt īpašību izmaiņas masīvā un viendabīgā pamatmorēnā, kurā ietverta atsevišķa liela izmēra atlūza. Tika pieņemts, ka šādai atlūzai jābūt viegli diagnosticējamai un tās īpašībām jābūt būtiski atšķirīgām no pamatmorēnas – atsevišķam akmenim pamatmorēnas masīvā, un tā lineārajiem izmēriem jābūt lielākiem par šādos pētījumos izvēlēto novērojumu tīkla blīvumu.

Šajā pētījumā instrumentāli noteikto konusa iespiešanas pretestības un dabiskā mitruma vērtību sadalījums atsegtajos glacigēnajos nogulumos ar atsevišķu laukakmeni, norādīja uz šo īpašību sadalījuma komplicētību. Dabiskā mitruma sadalījums norāda uz nokrišņu ūdens infiltrācijas nevienmērību, kas visai ierobežotā pētījuma laukumā (110x130 cm) pārsniedz 7%. Tas ir ļoti augsts rādītājs, ja tiek ņemts vērā nogulumu ļoti līdzīgais granulometriskais sastāvs. Dabiskā mitruma sadalījumā, pamatmorēnā, atsevišķais akmens ir šķērslis, tomēr mitruma pārvietošanās šajā gadījumā nav izteikti gravigēna, tas ir, vertikāli lejup vērsta, bet veido sarežģītāku vērtību sadalījuma ainu (Karpovičs et al., 2010).

Iepriekš apskatītajos eksperimentālajos pētījumos iegūtie rezultāti atklāj, ka izvēlētās pētniecības metodes ir pietiekami jutīgas, turklāt iegūtie rezultāti nav atkarīgi no pētījuma vietas ģeogrāfiskajā telpā, kā arī no grunts tipa, kurā tie veikti. Tas savukārt apstiprina, ka šādi veikti pētījumi, to skaitā ar augstu detalitāti, un tajos iegūtie rezultāti ir patiesi un var tikt pārliecinoši interpretēti.

20

Datu interpretācijas paņēmieni, to izvēle un metodika

Lai pētījuma vajadzībām novērtētu īpašību vērtību reālo sadalījumu noteiktā iežu tilpumā, par pētījuma objektu tika izvēlēta vizuāli homogēna, masīva sablīvējuma morēna. Mērījumu organizācijas un iegūto datu matemātiskās apstrādes vajadzībām pētījumu objektam bija jānodala ārējā kārta, kamēr tas ieguva ģeometrisku formu – kubu ar skaldnes garumu viens metrs. Augšējā virsma (skaldne, Z ass) un divas sānu skaldnes (Y ass un X ass) tika mar-ķētas ik pēc 10 cm, ļaujot iegūt regulāru 10x10 cm novērojumu tīklu mērījumu veikšanai (4. attēls).

4. attēls. Mērījumu veikšanas shēma glacigēno grunšu kubā

Visi mērījumu punktos iegūtie dati (mērījumu rezultāti) ar MS Excel tika pārbaudīti pēc to vērtību sadalījuma pa kuba asīm un atsevišķiem slāņiem, pārliecinoties par minimālo un maksimālo vērtību lomu vērtību sadalījumā, kā arī sadalījuma raksturu, lai izslēgtu polimodālu sadalījumu turpmāko analīzi. Nākamajā pētījuma posmā tika veikta instrumentāli noteikto grunšu konusa iespiešanas pretestības un dabiskā mitruma vērtību savstarpēja korelācija, pārbaudot korelatīvo atkarību būtiskās izmaiņas. Noslēdzošajā posmā iepriekš iegūtie dati izmantoti mērījumu vērtību sadalījuma telpiskajai vizualizācijai, datus apstrādājot ar datorprogrammu Voxler 1.1 un šajā gadījumā nosakot katrā no trim pētītajām skaldnēm 100 režģa mezglus, savukārt datu interpolācijai piemērojot vietējo polinomu metodi.

21

3. REZULTĀTI UN DISKUSIJA

Detalizēti grunts pētījumi

Lai novērtētu īpašību vērtību reālo sadalījumu noteiktā iežu tilpumā pētījuma vajadzībām par tā objektu izvēlēta vizuāli homogēna, masīva sablīvējuma morēna.

Mērījumu veikšanai kubs sadalīts mazākās vienāda izmēra šūnās – kubiņos pa 10x10x10 cm (4. attēls), kuros dabiskā mitruma un konusa iespiešanas pretestības instrumentāli mērījumi veikti trijos savstarpēji perpendikulāros virzienos pa XYZ asīm 5 cm dziļumā. Kopumā penetrācijas mērījumi un tikpat daudz morēnas dabiskā mitruma mērījumu veikti 3000 punktos kubā un paralēli tiem – vēl 300 mērījumu punktos uz trim skaldnēm ārpus kuba. Iegūtie rezultāti fiksēti lauka grāmatiņā, bet vēlāk ievadīti datorā MS Excel elektroniskajā tabulā un uzglabāti to tālākajai statistiskajai apstrādei.

Lai novērstu pētāmās grunts žūšanu, tās konservācijai atstāti apmēram 20 cm grunts virs mērāmā kuba, un mērījumi veikti tikai 10 cm biezā slānī, kas atbilst vienas mērāmās šūnas biezumam. Instrumentālie mērījumi veikti katras skaldnes 100 punktos; pēc tam attiecīgais 10 cm biezais slānis noņemts, attīrot nākamos 10 cm un veicot vēl 100 mērījumus tā paša regulārā tīkla šūnās līdz īpašības novērtētas visā kubā katrai šūnai trīs savstarpēji perpendikulāros virzienos. Visi mērījumi realizēti lauka apstākļos in situ – nekavējoties pēc skaldnes sagatavošanas pētījumam.

Datu statistiskais novērtējums

Lauka apstākļos iegūtie īpašību mērījumu dati statistiski apstrādāti datorprogrammās MS Excel un Statistica 5.1, un to rezultāti apkopoti 1. tabulā. Visu mērījumu rezultātu summārā korelācijas analīze (visiem mērījumiem pa katru no asīm) parādīja, ka pastāv salīdzinoši cieša saikne starp konusa iespiešanas pretestības mērījumu rezultātiem visos (pa X, Y un Z asi) mērīšanas virzienos (r = 0,7). Savukārt dabīgā mitruma vērtību atkarību no mērīšanas virziena (kuba ass) raksturo korelācijas koeficents robežās no 0,1 līdz 0,2. Tajā pašā laikā korelācijas koeficents starp konusa iespiešanas pretestības un dabiskā mitruma mērījumu rezultātiem kuba ietvaros ir r = -0,32, bet atkarībā no mērījumu virziena mainās r = –0,35 (X ass), r = –0,36 (Y ass) un r = –0,34 (Z ass).

22

1. tabula

Konusa iespiešanas pretestības (qc, MPa) un dabīgā mitruma (W, tilp. %) vērtību statistiskie rādītāji

Mērījumu skaits, n

Nomērīto vērtību statistiskie rādītāji

vidējaisaritmētiskais

maksi-mums

mini-mums mediāna variācijas

koeficients

qc, Z ass 997 2,1 4,5 0,7 2,0 0,5

qc, Y ass 997 2,3 4,8 0,7 2,4 0,6

qc, X ass 997 2,0 4,1 0,9 2,0 0,4

W, Z ass 983 36,9 42,9 32,5 36,9 1,5

W, Y ass 989 36,4 40,7 31,7 36,3 1,4

W, X ass 987 36,0 43,4 31,7 36,0 2,0

Tabulā ievietotie statistiskie rādītāji raksturīgi morēnai – ir līdzīgi un būtiski neatšķiras kādā no virzieniem. Atzīmējamas pa Y-asi izvietoto mērījumu maksimālo vērtību atšķirības, kā arī visai augsta dabiskā mitruma vērtību variācija. Pastarpināti šie dati apstiprina iepriekšējos vizuālos novērtējumus par pētījumiem izvēlētā slāņa salīdzinošo viendabīgumu.

Datu grafiskā vizualizācija

Iegūtie rezultāti ir daudz informatīvāki, ja izvērtēti konusa iespiešanas pretestības un dabiskā mitruma vērtību sadalījumi un datu savstarpējā korelācija (Karpovičs, Segliņš, 2008), ko uzskatāmi norāda šo datu vizualizācija grafikos. Mērījumu veikšana noteiktā ģeometriskajā tīklā ļāva analizēt mērījumu vērtības jebkurā no trim pētītajiem virzieniem (asīm) kā summāri, tā arī ik pa solim 10 cm visā izveidotā kuba tilpumā.

Instrumentālo mērījumu vērtību sadalījums uz kuba ārējām skaldnēm (malām) sniedz plašākas iespējas tās izvērtēt. Datu iepriekšējais novērtējums norāda, ka vērtību sadalījums ir normāls un nav iegūtas ekstremālas vērtības, kas būtu izslēdzamas vai atsevišķi apstrādājamas analīzei. Iegūto rezultātu vizualizācija (5. attēls) atklāj, ka korelācijas koeficienti starp konusa iespiešanas pretestības un dabiskā mitruma vērtībām ir tuvi un būtiski neatšķiras no mērījumu veikšanas virziena.

23

5. attēls. Konusa iespiešanas pretestības (augšējā attēlu rinda) un dabiskā mitruma vērtību (vidējā attēlu rinda) sadalījums uz pētītā morēnas kuba

skaldnēm (X, Y un Z asis) un mērījumu vērtību savstarpējā korelācija (apakšējā attēlu rinda) (pēc Karpovičs, Segliņš, 2008)

Savukārt atsevišķo konusa iespiešanas pretestības un dabiskā mitruma vēr-tību sadalījums un tā grafiskais atspoguļojums veido sarežģītu attēlu. Pētījuma vietas sagatavošana, tikai kalibrētu instrumentu lietošana, visu mē rījumu vairākkārtēja pārbaude laukā un datu iepriekšējā statistiskā pārbaude neļauj iegūto vērtību salīdzinājumu interpretēt kā kļūdas vai nepilnības. Tādējādi iegūtā aina atspoguļo visai sarežģītu pētāmās vielas (glacigēno nogulumu) īpašību sadalījumu izvēlētajos mērījumu veikšanas virzienos. Attēlos viegli pamanāma ne tikai īpašību anizotropija atkarībā no virziena (pētītās kuba skaldnes, t.i., azimuta), bet arī vērtību sadalījuma visai kontrastainās atšķirības. Atzīmējams, ka tās netika konstatētas pirms vizualizēšanas regulārā mērījumu tīklā (Karpovičs, Segliņš, 2008).

24

Īpašību sadalījuma telpiskās konstrukcijas

Telpiskās konstrukcijas veidotas, apstrādājot mērījumu rezultātus visā morēnas kuba tilpumā, kas veikti atsevišķi pa katru no asīm (6. un 7. attēls).

6. attēls. Konusa iespiešanas pretestības vērtību (qc, MPa) sadalījums kuba telpā; mērījumi veikti perpendikulāri zemes virsai (Z ass) – iedaļas vērtība

uz ass 0,1 m (pēc Karpovičs, Segliņš, 2008)

7. attēls. Dabiskā mitruma vērtību (W, tilp. %) sadalījums kuba telpā; mērījumi veikti perpendikulāri zemes virsai (Z ass) – iedaļas vērtība

uz ass 0,1 m (pēc Karpovičs, Segliņš, 2008)

Iegūtā rezultātu vizualizācija skaidri norāda uz visai sarežģītu pētītā iežu masīva iekšējo uzbūvi, ko nosaka dažādu īpašību mikroslāņu savstarpējās attiecības telpā. Atzīmējams, ka šāda iekšējās uzbūves sarežģītība iepriekš netika konstatēta ne lauka pētījumu gaitā, veicot mērījumus, ne arī analizējot mērītās

25

vērtības atsevišķās skaldnēs, un nav atpazīstama arī mērīto vērtību savstarpējās korelatīvajās atkarībās.

Konusa iespiešanas pretestības un dabīgā mitruma vērtību sadalījumu telpā un šo parametru vērtību sadalījuma atkarību no mērījumu veikšanas virziena ļāva novērtēt to telpisko vizualizāciju (8. attēls) salīdzināšana. Lai sakarības starp mērītajiem parametriem būtu objektīvi salīdzināmas, visas vērtību izovirsmas (slāņi) attēlotas ar vienādu soli – qc ar soli 0,5 MPa un W ar soli 0,5%.

8. attēls. Konusa iespiešanas pretestības qc, MPa (a, c, e) un dabīgā mitruma W, % (b, d, f) vērtību sadalījums kuba telpā

mērījumiem pa Z asi (a, b), X asi (c, d) un Y asi (e, f)

26

Attēlā (8. attēls) redzams, ka mērīto parametru vērtību sadalījums telpā ir atšķirīgs atkarībā no virziena, kurā veikti mērījumi. Turklāt novērojamas šādas sakarības:

- konusa iespiešanas pretestības vērtību atkarība no mitruma vērtību sadalījuma vizualizācijās nav novērojama;

- salīdzinot 35,5% un 37,5% izovirsmas, redzams, ka mērījumiem pa Z asi novērojamās dabīgā mitruma vērtības ir augstākas, salīdzinot ar X un Y asīm;

- salīdzinot 0,5 MPa un 3,5 MPa izovirsmas novērojamās konusa ie-spiešanas pretestības vērtības pa Y asi ir salīdzinoši augstākas nekā pa X un Z asīm.

Pēdējās no sakarībām norāda uz šo parametru anizotropiju. Šāda pieeja ļāva novērot līdzīgas sakarības kā vizualizācijas, kur izovirsmas attēlotas ar vienādu soli (3.7. attēls), kas aprakstītas iepriekšējā rindkopā, un tas liecina, ka novērotās sakarības nav nejaušas. Par to liecina arī pamatmorēnas qc un W% vērtību vizualizācijas līdzīgos pētījumos Lodesmuižas apkārtnē (Karpovičs et al. 2010).

Grunšu neviendabīgums un tā novērtēšana

Tradicionāli inženierģeoloģiskajos pētījumos grunšu īpašību neviendabī-guma novērtēšanai tiek lietotas vairākas pieejas, – gan klasiskās statistikas, vidējās aritmētiskās vērtības, variācijas koeficients, regresijas un korelācijas analīze, gan ģeostatistikā analīze, krigings, galveno komponentu analīze (PCA) un vairākas citas. Autora pētījumā izmantotās klasiskās statistikas rādītāji (minimums, maksimums, vidējais aritmētiskais, mediāna, 1. un 3. kvartile, va-riācijas koeficients) un regresijas un korelācijas analīze, kas ir vienkāršas, plaši un sekmīgi pielietotas metodes līdzīgas ievirzes zinātniskajos pētījumos. Tos papildina neviendabīguma novērtēšanai izmantotās mērīto parametru – konusa iespiešanas pretestības un mitruma vērtību grafiskās vizualizācijas.

Attiecībā uz pētīto iežu – morēnas masīvu, iegūtie rezultāti liek visai būtiski pārskatīt dominējošos, vienkāršotos priekšstatus par morēnas nogulumu viendabību, kas nereti balstās uz vizuālajiem novērojumiem un paviršiem saguluma elementu novērtējumiem atsevišķos novērojumu punktos. Uz šādiem nepamatotiem vienkāršojumiem pētījumos norādījuši daudzi pētnieki. Šajā ziņā informatīvi var būt oļu garenasu orientācijas mērījumi, kas ļauj iepriekšēji novērtēt ietekmējošo spēku nozīmīgumu morēnas veidošanās procesā. Savukārt, novērtējot tādas mehāniskās īpašības kā konusa iespiešanas pretestība un dabiskais mitrums, ir iespējams konstatēt pētāmo morēnas nogulumu nozīmīgu iekšējās uzbūves neviendabīgumu, kas izpaužas kā būtiskas atšķirības mērīto

27

lielumu sadalījumā plaknē (mūsu pētījuma gadījumā – kuba skaldnēs) un jo vairāk – telpā (Karpovičs, Segliņš, 2008; Karpovičs, 2008). Uzskatāmi tas ilustrēts 9. un 10. attēlā.

9. attēls. Konusa iespiešanas pretestības vērtību (qc, MPa) sadalījums uz kuba skaldnēm; mērījumi veikti perpendikulāri skaldnēm. Iedaļas vērtība uz ass 0,1 m

(pēc Karpovičs, Segliņš, 2008)

10. attēls. Dabiskā mitruma vērtību (W, tilp. %) sadalījums uz kuba skaldnēm; mērījumi veikti perpendikulāri skaldnēm. Iedaļas vērtība uz ass 0,1 m

(pēc Karpovičs, Segliņš, 2008)

28

Konstatētā īpašību sadalījuma kontrastainība (9. un 10. attēls) norāda uz visai ievērojamiem riskiem kļūdaini novērtēt glacigēno nogulumu īpašības un tās vispārināt, nepietiekami izzinot šo nogulumu patiesos saguluma apstākļus un īpašību sadalījumu masīvā (Karpovičs, Segliņš, 2008). Turklāt jaunākie pētījumi (Karpovičs et al. 2010) rāda, ka līdzīgas sakarības konstatētas pamatmorēnas nogulumos citur Latvijā. Tas liecina par konstatētās sakarības nav nejaušas.

Glacigēno grunšu anizotropija

Pētījuma rezultāti norāda, ka instrumentāli mērīto fizikālo īpašību vērtības ir atkarīgas no virziena, kurā tās noteiktas (9. un 10. attēls). Atšķirības konstatējamas katrā individuālajā skaldnē, to savstarpējos salīdzinājumos un vispilnīgāk – analizējot iežu masīvu tilpumā. Tomēr šādas atšķirības nav konsta tējamas apkopotajos mērīto parametru statistiskajos rādītājos, kā arī mērījumu vērtību savstarpējā korelācijā (Karpovičs, Seglins, 2010). Kā savā pētījumā norāda M. Jaksa, tad, pieaugot grunts neviendabīgumam, proporcionāli palielinās prognozējamo grunts īpašību kļūda, tāpēc grunšu neviendabīguma pētījumiem ir būtiska praktiskā nozīme. Šī iemesla dēļ nepieciešams veikt papildu pētījumus attiecībā uz citiem lietišķajos pētījumos izmantotajiem grunšu īpašību novērtējumiem laboratorijas apstākļos, atbilstoši papildinot izpētes darbu metodikas.

Īpaši pieminams ir vairāku zinātnieku veiktais augstas detalizācijas pētījums par morēnas biezuma izmaiņām horizontālajā plaknē mūsdienu sedimentācijas vidēs ledāja tiešā tuvumā. Pētījuma gaitā novērotas morēnas porainības un bīdes pretestības vērtību nozīmīgas atšķirības starp dažādiem morēnas slāņiem, turklāt bīdes pretestība aprēķināta pēc rokas penetrometra mērījumu rezultātiem. Diemžēl minētā pētījuma autori nav norādījuši izmantotā rokas penetrometra precizitāti un nav aprakstījuši, kā tika aprēķināta bīdes pretestība, tomēr šāda pieeja var būt perspektīva arī morēnas nogulumu kvartārģeoloģiskajos pētījumos.

Rokas penetrometra izmantošanas iespējas detalizētos grunšu pētījumos

Rokas penetrometru izmantošanai zinātniskajos pētījumos ir vairākas priekš rocības, tomēr jāsastopas ar vairākiem trūkumiem, kuru ietekmes ma-zi nāšanai nepieciešami risinājumi. Būtiskākais no trūkumiem, kas minēts zinātniskajā literatūrā, ir mērījumu rezultātu atkarība no mērītāja kvalifikācijas un tā subjektīvajām īpašībām. Atbilstoši uzturētu un pārbaudītu, darba kārtībā esošu instrumentu un akurāti veiktu mērījumu kvalitāte ir mērinstrumenta kļūdas

29

robežās vai zemāka par to. Mūsu līdzšinējā pieredze rāda, ka šai problēmai iespējami vairāki risinājumi, bet vispirms būtu jāapskata iespējamie problēmas cēloņi. Zināms, ka mālainajās gruntīs konusa iespiešanas pretestība pieaug līdz ar konusa iespiešanas ātrumu. Tomēr lielākajā daļā grunšu konusa iespiešanas mērījumu rezultātus maz ietekmē gan iespiešanas ātrums, kas varētu atšķirties dažādiem mērītājiem, par pamatu ņemot ASAE rekomendētos 30 mm/sek, gan iespiešanas ātruma vienmērīgums. Par to liecina pētījumā veiktie salīdzinošie mērījumi, kas notika masīvos morēnas nogulumos, kur variācijas koeficients 63 mērījumiem bija 2%. Tas apstiprina, ka precizitātes nodrošināšanai relatīvi lielāka nozīme ir mērītāja pieredzei un mērījumu akurātumam. Akurāti veiktu mērījumu rezultāti ir savā starpā salīdzināmi.

Cits aspekts ir glacigēnās grunts rupjgraudainās komponentes rupjas grants un oļu ietekme uz mērījumu precizitāti. Mūsu pētījumā šis aspekts tika ņemts vērā –, ja ar penetrometru veiktā mērījuma laikā konuss saskārās ar oli, kas tika konstatēts pēc raksturīgās skaņas, mērījums tika atkārtots.

Vēsturisko datu izmantošanas iespējas, ģeotehnisko īpašību datu bāzes

Veicot detalizētus grunšu pētījumus, vienmēr eksistē zināms risks, ka tie var atspoguļot galvenokārt pētāmās teritorijas lokālas īpatnības. Īpaši svarīgi tas ir glacigēno nogulumu pētījumos, kas atšķiras ar ļoti augsto sastāva mainību pat nelielos attālumos. Tādēļ, uzsākot pētījumu, vispirms jānovērtē pētāmajām gruntīm raksturīgākās īpašības un iespējamais to vērtību svārstību diapazons. Mūsu pētījumā šim nolūkam izveidota elektroniskā datu bāze, kur ietverti LVĢMA Ģeoloģijas fondā un arhīvā uzkrātie inženierģeoloģisko analīžu rezultāti, iepriekšēji tos izvērtējot un atlasot kvalitatīvākos. Lai gan minēto datu statistiskā apstrāde un izvērtējums norādīja uz šo datu trūkumiem, tomēr tie atzīstami par pietiekamiem glacigēno grunšu īpašību vērtību izmaiņu diapazona un savstarpējo atkarību vispārīgajam novērtējumam. Turklāt datu bāzē iekļauto glacigēno grunšu īpašību vērtību aprēķinātie variācijas koeficienti rāda, ka pastāv ļoti augsta to mainība: no 0,0004 grunts daļiņu blīvumam līdz 427 deformācijas modulim. Tas savukārt norāda uz augstas detalitātes pētījumu veikšanas nepieciešamību.

Šāda pieeja grunšu īpašību telpiskā mainīguma pētījumos ar labiem panākumiem izmantota salīdzinoši plaši, tas ir – grunšu īpašību novērtēšana detālā mērogā veikta pēc konkrētajā zinātniskajā pētījumā iegūtajiem datiem, bet plašāka mēroga pētījumiem izmantotas iepriekš veikto lietišķo pētījumu datu bāzes. Pēdējos gados līdzīgas grunšu ģeotehnisko īpašību publiski pieejamas datu bāzes veidotas gan pētnieciskiem nolūkiem, tai skaitā glacigēnām gruntīm, gan

30

lietišķajiem pētījumiem, kur viens no grunšu pamata novērtēšanas parametriem ir rokas penetrometra konusa iespiešanas pretestība.

Jāpiebilst, ka Latvijā līdz šim reģionāla mēroga datu bāzes nav veidotas un mūsu pētījuma vajadzībām sastādītā datu bāze ir viena no pirmajām. Nākotnē šādas datu bāzes, tajā skaitā šajā darbā izveidotā, būtu pilnveidojamas un papildināmas ar jauniem datiem, kas ļautu precīzāk novērtēt grunšu īpašību savstarpējās atkarības un reģionālo neviendabīgumu.

Konusa iespiešanas pretestības un dabīgā mitruma mērījumu nozīmīgums un precizitāte

Konusa iespiešanas pretestība (qc) raksturo grunts stiprību, ko iespējams izteikt gan grunšu mehāniskajās īpašībās, kā bīdes pretestība, saiste, deformācijas modulis u.c., gan fizikālajās īpašībās kā mitrums, blīvums un citas. Viena no būtiskākajām grunts fizikālajām īpašībām, kas ietekmē konusa iespiešanas pretestības vērtības, ir mitrums. Šo parametru savstarpējā atkarība ir sen zināma, tomēr līdz šim pat empīriski šāda atkarība apzināta tikai dažos grunšu tipos.

Šajā pētījumā veiktā regresijas analīze parādīja, ka minētā sakarība konstatējama arī glacigēnajās gruntīs, taču tikai vidējojot mitruma vērtības attiecībā pret konusa iespiešanas pretestības vērtībām ar soli 0,2 MPa. Turpretī, salīdzinot abu parametru vērtības atsevišķos mērījumu punktos, šāda sakarība netika novērota, norādot, ka šo sakarību glacigēnajās gruntīs ietekmē vēl kāds parametrs. Par to liecina arī citi pētījumi, kur atklāts, ka konusa iespiešanas pretestība galvenokārt atkarīga no grunts blīvuma, kas jāievēro, novērtējot šo atkarību.

31

SECINĀJUMI

Disertācijā izvirzītais mērķis ir sasniegts un noteiktie uzdevumi ir produktīvi izpildīti. Pētījumā iegūtie rezultāti ļauj izdarīt vairākus svarīgākos secinājumus:

1. Iepriekšējos gados veikto glacigēno grunšu inženierģeoloģisko pētījumu datu statistiskā apstrāde, kas veikta, izmantojot autora izveidoto datu bāzi, apliecināja, ka šie dati ir pietiekami precīzi, lai arī tie ļauj iegūt tikai vispārīgu priekšstatu par šo grunšu ģeotehnisko īpašību vērtību izmaiņu robežām, vidējām vērtībām un īpašību neviendabību teritorijā. Aprēķinātie glacigēno grunšu īpašību vērtību variācijas koeficienti rāda, ka pastāv ļoti augsta to mainība: no 0,0004 grunts daļiņu blīvumam līdz 427 deformācijas modulim.

2. Eksperimentālie mērījumi un to salīdzinājumi ar laboratoriskajām pārbaudēm apliecināja, ka pētījumā izmantotie portatīvie instrumenti – rokas penetrometrs un mitruma mērītājs – pietiekami precīzi fiksē konusa iespiešanas pretestības (qc, MPa) un dabīgā mitruma (W, %) mērījumus gan glacigēnajās, gan arī citas ģenēzes – kvartāra un devona mālainajās un smilšainajās – gruntīs. Šie instrumenti ļauj veikt augstas detalitātes pētījumus, tajā skaitā decimetru mērogā, un tas ļauj apzināt pētāmo īpašību sadalījuma slēptās likumsakarības.

3. Eksperimentāli tika noteikti būtiskākie faktori, kas ietekmē mērījumu precizitāti lauka apstākļos in situ, – žūšana un grunts īpašību izmaiņas augsnes procesu un sala ietekmē. Noteiktie faktori ļāva precizēt pētījuma vietas sagatavošanas un mērījumu secīgumu, nodrošinot iegūto rezultātu interpretācijas patiesumu.

4. Glacigēno grunšu ģeotehnisko īpašību mainīguma raksturošanai deci-metru mērogā izmantotās variācijas koeficienta vērtības: 0,4–0,6 (qc) un 1,4–2,0 (W%) norāda uz ievērojamu minēto parametru mainīgumu, īpaši tas attiecināms uz dabīgo mitrumu.

5. Konstatēts, ka decimetru mērogā veikto pētījumu datu statistiskā interpretācija ir maz efektīva, savukārt to vizualizācija datorprogrammā Voxler 1.1 ļāva konstatēt slēptas likumsakarības. Šāda pieeja parādīja, ka konusa iespiešanas pretestības un dabīgā mitruma vērtību sadalījumā pastāv ļoti būtiskas atšķirības homogēnajās un masīvajās sablīvējuma morēnās, kas pirms tam vizuāli nav konstatētas. Turklāt mērījumi pamatmorēnā ir veikti trijās noteiktiem kritērijiem atbilstošās vietās un iegūtie rezultāti parādīja, ka konstatētās likumsakarības nav nejaušas.

6. Veicot sistemātiskus mērījumus ģeometriskas formas objektā (kubā) un vizualizējot iegūtos datus, iegūti parliecinoši rezultāti par pētīto īpašību

32

anizotropiju. Tā vairāk ir izteikta attiecībā uz konusa iespiešanas pretestību, bet mazāk – dabiskā mitruma novērojumos.

No lietišķo ģeoloģisko pētījumu skatpunkta svarīgi ir disertācijas papildu secinājumi un konstatējumi par pētījumu metodiku in situ apstākļos, datu pirmapstrādi un statistisko analīzi, kā arī datu un to analīzes vizualizāciju.

Glacigēno grunšu īpašību raksturošanai izmantotie rādītāji ir – konusa iespie šanas pretestība un mitrums. Taču to izmantošanai lietišķajos, inženier-ģeoloģiskajos pētījumos empīriski, pēc konusa iespiešanas pretestības (qc) vērtībām, būtu papildus jānosaka deformācijas modulis un iekšējās berzes leņķis, kā arī citi parametri – grunts blīvums, granulometriskis sastāvs un konsistences rādītājs.

Autora pieeja, organizējot sistemātiskus mērījumus ģeometriskajos ob jek-tos un vizualizējot iegūtos rezultātus, ļāva konstatēt gan pētīto grunšu īpašību neviendabīgumu, gan anizotropiju. Tas būtu jāņem vērā, veicot gan ģeoloģiskos, gan inženierģeoloģiskos pētījumus. Tas norāda uz būtiski plašāku augstas detalizācijas grunšu pētījumu nepieciešamību.

33

Publikāciju saraksts

1. Karpovičs, A., Popovs, K., Segliņš, V., Irbe, Z., 2010. Dažu ģeotehnisko īpašību sadalījums pamatmorēnā. Latvijas Universitātes Raksti Nr. 752 “Zemes un vides zinātne”, 45–54.

2. Karpovičs, A., Seglins, V., 2010. Anisotropy of geotechnical preperties in glacial lodgement till. Geological Qarterly, (pieņemts publicēšanai).

3. Segliņš, V. Gilucis, A., Karpovičs A., 2009. Glacigēno grunšu fizikālās īpašības un to savstarpējās korelācijas. RTU zinātniskie raksti, “Materiālzinātne un lietišķā ķīmija”, 1(19), 69–77.

4. Karpovičs, A. 2008. Detalizēti decimetru mēroga grunšu pētījumi. RTU zinātniskie raksti, “Materiālzinātne un lietišķā ķīmija”, 1(18), 154–162.

5. Karpovičs A., Segliņš V. 2008. Morēnas fizikālo īpašību atšķirības atkarībā no mērījumu veikšanas virziena. Latvijas Universitātes Raksti Nr. 724 “Zemes un vides zinātne”, 52–61.

6. Karpovičs, A. 2006a. Relations between granulometrical composition and geotechnical properties of glacial soils of Latvia. In: „Late Pleistocene Glacigenic Deposits in the Scandinavian Ice Sheet.” proceedings the INQUA Peribaltic Group Field Symposium, September 11–15, 2006, Finland Oulu, 19.

7. Karpovičs, A. 2009b. Rokas penetrometra izmantošanas iespējas detalizētos glacigēno grunšu pētījumos. Grām.: Ģeogrāfija. Ģeoloģija. Vides zinātne: Latvijas Universitātes 67. zinātniskā konference : referātu tēzes. LU Akadēmiskais apgāds, Rīga, 177.–179. lpp.

34

DZĪVES UN DARBA GĀJUMS (CV) ANDRIS KARPOVIČS

Izglītība

2005.–2008. LU, Ģeogrāfijas un Zemes zinātņu fakultāte; studijas ģeoloģijas doktorantūrā

2001.–2004. LU, Ģeogrāfijas un Zemes zinātņu fakultāte; dabas zinātņu maģistra grāds ģeoloģijā; diploma Nr. MDA 1056

1996.–2001. LU, Ģeogrāfijas un Zemes zinātņu fakultāte; dabas zinātņu bakalaura grāds ģeoloģijā; diploma Nr. 013349

Papildizglītība (kursi)

27.02.–30. 04.2008.

Eiropas Savienības struktūrfondu projektu administrēšana

01.04.2007. Inovācijas augstskolas didaktikā

12.05.2010. Contemporary techniques in non-destructive testing and materials evaluation

Profesionālā izaugsme

No 2007 Latvijas Universitāte, ĢZZF, Lietišķās ģeoloģijas katedra zinātniskais asistents

No 2006 RTU, Būvniecības fakultāte un Transporta un mašīnzinību fakultāte, lektors,

1998-2005 Valsts ģeoloģijas dienests (kopš 2005. g. Latvijas Vides, Ģeoloģijas un Meteoroloģijas aģentūra), vadošais ģeologs

ZINĀTNISKĀ DARBĪBA UN PUBLIKĀCIJAS: Publikācijas1. Karpovičs, A., Popovs, K., Segliņš, V., Irbe, Z., 2010. Dažu ģeotehnisko īpašību

sadalījums pamatmorēnā. Latvijas Universitātes Raksti Nr. 752 “Zemes un vides zinātne”, 752, 45–54.

2. Karpovičs, A., Seglins, V., 2010. Anisotropy of geotechnical preperties in glacial lodgement till. Geological Qarterly, (pieņemts publicēšanai).

3. Segliņš, V. Gilucis, A., Karpovičs A., 2009. Glacigēno grunšu fizikālās īpašības un to savstarpējās korelācijas. RTU zinātniskie raksti “Materiālzinātne un lietišķā ķīmija”, 1(19), 69–77.

35

4. Karpovičs, A. 2008. Detalizēti decimetru mēroga grunšu pētījumi. RTU zinātniskie raksti “Materiālzinātne un lietišķā ķīmija”, 1(18), 154–162.

5. Karpovičs A., Segliņš V. 2008. Morēnas fizikālo īpašību atšķirības atkarībā no mērījumu veikšanas virziena. Latvijas Universitātes Raksti Nr. 724 “Zemes un vides zinātņu sērija”, 52–61.

6. Karpovičs, A., Popovs, K. 2010. Gultnes morfoloģijas un nogulumu transporta modelēšana Rīvas lejtecē. Latvijas Universitātes Raksti Nr. 752 “Zemes un vides zinātne”, 55–63.

7. Gilucis, A., Karpovičs A., Segliņš, V. Prols, J., Silgaile. E. 2007. Ģeoķīmisko anomāliju pētījumi Latvijas augsnēs. RTU zinātniskie raksti “Materiālzinātne un lietišķā ķīmija”, 1(15), 7–12.

LZP finansētie pētījumu projektiLatvijas Universitāte, ĢZZF, Lietišķās ģeoloģijas katedrā, LZP grants Nr.01.0293 „Efektīvās porainības un granulometriskā sastāva atkarības aerācijas zonā” (zinātniskais asistents).

Starptautiskie pētījumu projektiEstonian-Latvian cooperation project „BUY LOCAL“, Latvijas ekspertu grupas eksperts.

DALĪBA KONFERENCĒSStarptautiskās1. Starptautiska zinātniska konference, „Clays, clay minerals and layered materials

2009”, Krievija, Zvenigorod, 2009. gada 21.–25. septembris;2. INQUA Lauka simpozijs, „Late Pleistocene glacigenic deposits in the central part of

the Scandinavian ice sheet“, Somija, 2006. gada 11.–15. septembris;3. INQUA Lauka simpozijs, „The Quaternary of Western Lithuania: from the Pleisto-The Quaternary of Western Lithuania: from the Pleisto-

cene glaciations to the evolution of the Baltic Sea“, Lietuva, Plateliai, 2007. gada 27. maijs – 2. jūnijs;

4. Starptautiska zinātniska konference, „GeoPomerania 2007, Geology cross-bordering the Western and Eastern European Platform” Polija, Ščecina, 2007. gada 24.–26. sep-tembris;

5. Starptautiska zinātniska konference, „Zemes degradācija 2009”, Rīga, 2009. gada 17.–19. februāris;

6. Starptautiska zinātniska konference, 15th Meeting of the Association of European Geological Societies (MAEGS-15 ), „Georesources and public policy research, man-agement, environment”, Igaunija, Tallina, 2007. gada 16.–20. septembris;

7. Starptautiska zinātniska konference, „1st Students’ International Geological Confer-ence”, Polija, Krakova, 2010. gada 16.–19. aprīlis;

Iesniegti vēl trīs ziņojumi dalībai The 5th Mid-European Clay Conference, MECC 2010, Ungārija, Budapešta, 2010.g. 25.–29. augusts.

36

Vietējās1. LU 64. zinātniskā konference, Rīga, 2006;2. LU 65. zinātniskā konference, Rīga, 2007;3. LU 66. zinātniskā konference, Rīga, 2008;4. LU 67. zinātniskā konference, Rīga, 2009;5. LU 68. zinātniskā konference, Rīga, 2010;6. RTU 51. Studentu zinātniskā un tehniskā konference, Rīga, 2010.7. Ražas svētki „Mēs Latvijas laukiem”, Vecauce, 2007;8. Ražas svētki „Vecauce – Jaunie zinātnieki lauksaimniecības attīstībai”, Vecauce,

2006;

37

DISERTATIONES GEOLOGICAE UNIVERSITAS LATVIENSIS

ANDRIS KARPOVIČS

GLACIGENIC SOIL GEOTECHNICAL PROPERTIES ANd THEIR VARIABILITy IN LATVIA

SUMMARY OF DOCTORAL THESISIN PARTIAL FULFILLMENT OF THE

REQUIREMENTSof the Doctor Degree in Geologysubdiscipline of Applied Geology

Riga, 2010

The doctoral thesis was carried out: Chair of Applied Geology, Department of Geology, University of Latvia

Supervisor:Valdis Segliņš, Professor, Dr. geol. (University of Latvia)

Reviewers:Laimdota Kalniņa, Associate Professor, Dr. geog. (University of Latvia) Aija Dēliņa, Dr. geol. (University of Latvia) Gotfrīds Noviks, Associate Professor, Dr. h. geol. (Rezekne Higher Education Institution)

Doctoral Committee:Vitālijs Zelčs, Professor, Dr. geol. – chairmanErvīns Lukševičs, Professor, Dr. geol. – deputy chairmanValdis Segliņš, Professor, Dr. geol.Laimdota Kalniņa, Associate Professor, Dr. geog.Aija Dēliņa, Dr. geol.Ivars Zupiņš, Dr. geol.

Secretary:Ģirts Stinkulis, Associate Professor, Dr. geol.

This thesis is accepted for the commencement of the degree of Doctor of Geology (in Applied Geology) on June 11, 2010 by the Doctoral Commitee of Gelogy, University of Latvia.

The thesis will be defended at the public session of the Doctoral Committee of Geology University of Latvia, on September 3, 2010 Alberta Street 10, Jāņa un Elfrīdas Rutku auditorium (Room 313).

The thesis is available at the Library of the University of Latvia Kalpaka Blvd. 4, Rīga, and Academic Library of Latvia, Lielvārdes Street 4, Rīga.

The publication of this summary of doctoral thesis is granted by the University of Latvia.

Address for submitting of comments: Dr. Ģirts Stinkulis, Department of Geology, University of Latvia, Raiņa bulvāris 19, LV-1586, Rīga. Fax: +371 733 2704, e-mail: Girts.Stinkulis@lu.lv

© Andris Karpovičs, 2010© Latvijas Universitāte, 2010

ISBN 978-9984-45-218-0

Contents

INTRODUCTION ........................................................................................................... 40

1. GLACIGENIC SOILS AND THEIR STUDIES IN LATVIA .............................. 43Glacigenic Deposits and Soils – Classification and Accepted Terminology ........ 43Geotechnical Investigations of the Glacigenic Soils and the Investigation Specifics in Detail .............................................................................. 45

2. MATERIALS AND METHODS ............................................................................ 46Accessible Data and Their Evaluation .................................................................... 46Instruments Used During the Study ....................................................................... 47Selection and Preparation of the Study Location ................................................... 47Geological Description of the Study Location ....................................................... 49Check-Ups Aimed at the Substantiation of the Study and Provision of Experimental Data for the Interpretation ............................................................... 50Comparative Measurements of the Soil Strength ................................................... 51Dependence of the Soil Strength on the Degree of Its Weathering ...................... 51The Dependence of the Cone Resistance on the Measurement Depth ................. 52The Impact of the Degree of Wear of the Penetrometer Cone Surface on the Accuracy of Measurements ............................................................................... 52Evaluation of the Accuracy of Natural Moisture Content Measurements ............ 53Changes of Soil Natural Moisture Content in Time .............................................. 54Dependence of the Cone Resistance on the Natural Moisture Content................ 54Evaluation of the Distribution of the Cone Resistance Values ............................. 55Ways of Data Interpretation, Their Selection and Methods .................................. 57

3. RESULTS AND DISCUSSION .............................................................................. 58Detailed Soil Investigations ..................................................................................... 58Statistical Evaluation of Data .................................................................................. 58Graphic Visualisation of Data ................................................................................. 59Spatial Constructions of the Distribution of Properties ........................................ 61Soil Heterogeneity and Its Evaluation ..................................................................... 63Anisotropy of Glacigenic Soils ............................................................................... 65Possibilities of Using a Hand Penetrometer in Detailed Soil Studies................... 65Possibilities of Using the Historical Data; Databases of Geotechnical Properties ........................................................................................... 66Importance and Accuracy of Cone Resistance and Natural Moisture Content Measurements ............................................................................................. 67

CONCLUSIONS .............................................................................................................. 68

List of Publications ......................................................................................................... 70

Curriculum Vitae (CV) ................................................................................................... 71

INTRODUCTION

Soil heterogeneity considerably influences the distribution of geotechnical properties of the soil massif, thus causing difficulties in the evaluation of those properties. Systematic studies of the soil heterogeneity for the solution of geotechnical problems were initiated in the late 1970s with the first attempts to model that phenomenon. Conversely, various aspects of the soil heterogeneity have been investigated in the world using the totality of various measurement methods and analytical approaches; however, no sufficient progress in the understanding of that phenomenon has been reached.

In order to evaluate the latest developments in the theoretical methods, the-oretical notions, technical information about studies, as well as materials of pro-fessional conferences, special seminars and courses were studied and analyzed.

Within the framework of the present study, all executed investigations have been based on the obtained data of the experimental and practical measurements of the cone resistance and natural moisture of the glacigenic soils in the field conditions (in situ) at several objects selected earlier. The most important of those objects were three: the Sils quarry (northwestward from Kalvene in Aizpute County) the Kažoki quarry (southward from Ozolpils in Tukums County) and Lodesmuiža (southwestward from Taurene in Vecpiebalga County). Additional data were obtained at other Latvian sites selected by the author for studying the glacigenic soils. For better precision, the selected methods and instruments were utilised for measurements not only in glacigenic soils, but in the soils with different genesis and composition: clay, the Quaternary sand and the Devonian clayey soils.

Within the framework of the present study, an evaluation of the spatial distribution of the values of the cone resistance and natural moisture of the glacigenic soils in the decimetre range was made utilising accurate scientific manual measuring instruments: the hand penetrometer and the moisture meter. The work is based on approximately 10000 measurements of the cone resistance and natural moisture executed in situ.

Topicality of the StudyIt is known that the physical and mechanical parameters of soils are

interconnected between them and are also associated with the composition of their forming rocks, genesis and many other parameters and factors impacting the soils. Glacigenic soils are characterised by variable composition, physical and mechanical properties that determine the heterogeneity of the Latvian glacigenic soils as well.

41

The mutual dependence of the properties and composition of the glacigenic and other soils, and the regularities of the distribution of their values in the area and, in particular, in space, are the subject of extensive scientific studies all over the world. Besides, glacigenic soils are frequently used as foundations of different structures; therefore it is very important to study such soils in detail. That proves the topicality and up-to-date character of the study.

The purpose of the executed study is to characterise the variability and anisotropy of the geotechnical properties of the glacigenic soils in detail – in the decimetre range, paying special attention to the experimental measurements, in order to ensure accurate interpretation for the solution of geotechnical problems in the Latvian geological conditions.

The Tasks of the StudyCarrying out detailed investigations of the glacigenic soils in the decimetre

range, the following is necessary:1. To evaluate the possibilities of the utilisation of the data of earlier

geotechnical investigations of the glacigenic soils.2. To determine and evaluate experimentally the main factors, which

influence the investigated properties (the cone resistance and natural moisture).

3. To execute measurements of the geotechnical properties in different soil types in order to substantiate the interconnections identified in the glacigenic soils.

4. To evaluate the distribution of the cone resistance and natural moisture values based on the measurements of the aforementioned parameters in situ in the visually homogeneous consolidated till.

5. To evaluate the heterogeneity and anisotropy of the glacigenic soils and their possible causes.

The methodological solutions of the study are in most cases in agreement with those utilised in the scientific studies of the soil properties in the world, and that allows to compare the results obtained by the author with the results of geotechnical studies obtained elsewhere.

Using the latest methodological solutions, the variability of the geotechnical properties of the Latvian glacigenic soils, their interrelations and anisotropy are considered in the present thesis.

Novelty Unlike the earlier similar studies executed in Latvia, the study by the author

of this thesis is more detailed. The newly obtained results of the measurements

42

of the cone pressure and natural moisture in situ were checked at several earlier selected Latvian sites in order to study the diversity of the Latvian glacigenic soils more comprehensively. Besides, the measurements of the aforementioned parameters were made in the soils of different composition, age and genesis.

For the execution of the geotechnical analysis, the author used portable measuring instruments of the scientific class, which guarantee highly accurate determination of the cone pressure and natural moisture.

The methodology of this study predominantly coincides with that utilised in similar scientific studies elsewhere in the world, and allows to compare directly the results obtained during the study with those obtained by other scientists.

In his earlier studies (Karpovičs, 2006a; 2006b), the author evaluated the possibilities of utilising the results of the earlier geotechnical investigations of the glacigenic soils in Latvia (the analytical results); the evaluation and analysis of those data have been executed, which had been interrupted after the 1960s.

Practical SignificanceThe soil heterogeneity of the properties of the Latvian glacigenic soils and

the dependence on the direction of measurements are characterised within the framework of the study. That dependence must be taken into account during the execution of detailed geotechnical studies.

Using the computer database of the geotechnical properties of the glacigenic soil established within the framework of the present thesis, it is possible to process those data mathematically. That database must be supplemented with the results of high-quality soil analyses, since it could serve as the basis for scientific and applied studies in the future.

ApprobationBased on the study results as a whole and on some sections of the executed

studies, five articles for scientific journals, six abstracts for international scientific conferences and six – for the Latvian scientific conferences have been prepared.

AcknowledgementsThis work has been supported by the European Social Fund within the

project Nr. 2004/0001/VDP1/ESF/PIAA/04/3.2.3.1/0001/0063 (LU ESS2004/3) „Support for the implementation of doctoral studies and postdoctoral research”.

43

1. GLACIGENIC SOILS AND THEIR STUDIES IN LATVIA

Generalising the history of the soil studies in Latvia, several aspects, which are important for the preparation of this work, must be mentioned. Systematic studies of the geotechnical properties of soils, including glacigenic ones, were executed since the 1950s –1980s, generally as an addition during the geological mapping. Besides, separate large-scale soil investigations were carried out for the needs of the construction of major structures. The results of those investigations are contained in reports. Most soil analyses were executed based on a unified methodology in the centralised laboratories, and that means that the results of those analysis results could be mutually comparable. Unfortunately, in some cases, the conditions of researches were not identified or their quality did not comply with the modern requirements, which confirms that their utilisation nowadays is limited and suitable only for most general devaluations of the soil properties. It is necessary to note that the principal results have already been generalised in A. Zobena’s thesis and then mentioned very fragmentarily only in I. Danilans’ monograph. However, specialised investigations of soil properties were carried on a limited scale; even less data are available in publications. It is particularly true for the last 20 years, during which geotechnical investigations were executed at a few construction sites; basically, those are commercial investigations, the results of which are not publically accessible.

The above-mentioned aspects have determined that only analytical results obtained until 1980s should have been used in this thesis and only for very general evaluation of the properties of the glacigenic soils. Moreover, the lack of detailed soil studies demonstrated the necessity of their execution within the framework of the present thesis, envisaging their development in the near future.

Glacigenic Deposits and Soils – Classification and Accepted Terminology

Till deposits are the subject of studies within the framework of several earth sciences: Quaternary geology, glacial geology, soil science, engineering geology etc. Out of all genetic types of deposits, exactly glacigenic ones are the most variable and, as of this moment, there are not unified definitions and terminology for them. There is no single point of view too about the features of diagnostics of already singled out till types. In the present thesis, the glacigenic soils are considered as till deposits (diamictons) according to the accepted

44

definition – “Till is a sediment that has been transported and deposited by or from glacier ice, with little or no sorting by water”. Such definition was set forth by the INQUA Commission C-2, Till Investigations Working Group (2-A) led by A. Dreimanis. Visually homogeneous consolidated till was selected for the study based on the identification indicators of the above-mentioned work.

In engineering geology and geotechnics, deposits and sediments are considered as soils with different composition and properties, and the basic classification criterion is the soil grain size composition. Several classification systems are widely used in the world scientific research, which generally could be subdivided into two significant groups – universal and specific soil classifications. It is necessary to add that there is no single universal feature, which would allow to group the utilised classifications; besides, the classifications were historically developed differently in different regions and countries, incorporating soils, which are characteristic of the given region, taking into account the specifics of the determination of the soil composition and properties. It should be taken into consideration that the soil classification principles themselves are different and could be conditionally subdivided into 3 groups: genetic classifications, classifications based on the grain size composition and those for the construction needs. Besides, the genesis was used as an additional criterion of the soil classification only in the former USSR. Each of the aforementioned classifications, although utilised the grain size composition as the basis, had a different subdivision of the soil classes. K. Dundulis (1997) has made a comparison of the soil classifications that are most widespread in the world, and no significant progress has been made in the unification of classifications during the last ten years.

It follows from the aforesaid that the glacigenic soils (till) incorporate different types of soils in different classifications. It should also be taken into consideration that the soil classification is based on the grain size composition of soils, and historically the subdivision by the fraction (typical analysed features of fractions and their proportions or calculated quantities based on them) is quite different in different countries. Special attention to the till soil classification is paid in Sweden, where till is classified and grouped both according to the grain size composition (6 types) and the geotechnical properties. That means that special attention should be paid to the comparison of the results of geotechnical investigations of till in different countries.

In general, the development of terminology in Latvian is considerably delayed compared to that in the neighbouring countries, but the collection of articles “Unicone Proceedings. Geotechnics and Ecology” was published by UNICONE Ltd. – scientific research centre in 1999, which contains some geotechnical studies and items associated with the relevant terminology; an

45

appendix to the publication contains a short dictionary of geotechnical terms in Latvian, English and Russian. The Geotechnical Union and the Terminology Commission of the Latvian Academy of Sciences are also engaged in the development of the geotechnical terminology. Developing this thesis, the author was utilising the terms from the above-mentioned dictionary.

Geotechnical Investigations of the Glacigenic Soils and the Investigation Specifics in Detail

Similar to the Quaternary and glacial geology, the special features (problems) in the studies of the glacigenic soil are predominantly associated with the heterogeneity of their bedding and texture and inclusions of the coarse-grained material. Up till now, the majority of geotechnical investigations associated with the glacigenic soils were executed to determine the possible variations in the composition of those soils and values of their various properties both within the section and in the horizontal plane; their properties differ from other glacial soils and from other types of soils. The second direction of studies is of the methodological character, i.e. the development of methods of laboratory and in situ studies that are most suitable for those specific soils, as well as the interpretation of the obtained results.

Although the soil investigations (in our present-day interpretation) were initiated already during the 1930s by Karl Terzaghi’s publications, the connection of the soil features with the soil genesis has not been thoroughly studied. More attention to such studies started to be paid from 1970s on, when a symposium and conference dedicated to those problems were organised, the results of which were published in collections of articles that generalised the knowledge collected in the Earth sciences. The most important of those researches were Bolton and Milligan’s works and some others. At the end of the last century, the UK Construction Industry Research and Information Association (CIRIA) has published a special book dedicated specifically to the geotechnical investigations of the glacigenic soils, where attention was paid to the influence of the till genesis on its geotechnical features. The results of some studies have been published up till now, but it is necessary to admit that there are still many unsolved problems.

The studies have demonstrated that the glacigenic (till) soils should be studied separately, because empirical correlation and theoretical models for pure sandy and clayey soils could be unsuitable for the soils of mixed composition, to which the glacigenic (till) soils belong. Consequently, it is necessary to carry out the studies of the glacigenic soils paying special attention to their methodological aspects.

46

2. MATERIALS AND METHODS

The hand tools are used rarely enough in the traditional geotechnical investigations, in specific soil investigations - even less frequently. The utilisation of such tools for scientific studies has been dealt with in literature, but the methodological aspects of the execution of the studies have been considered on a very limited scale. Therefore, one of the tasks of the thesis was to find a solution for the organisation of measurements in situ and objectively evaluate the accuracy of the obtained results.

Accessible Data and Their EvaluationIn order to obtain a true notion about the boundaries of variations of

the physical and mechanical properties and the grain-size composition of the Latvian glacigenic soils, and to establish possible correlative relations between the above-mentioned parameters, the results of the laboratory geotechnical analyses executed in Latvia were considered and evaluated. Those predominantly incorporated the results of the geological mapping carried out from 1958 to 1992. The results of the geotechnical analyses of approximately 5000 samples of glacigenic soils collected at the Latvian Environment, Geology and Meteorology Agency’s Geological Fund (LVGMA, GF) were considered in general. Those analytical data (predominantly incorporated in the soil passports) were evaluated and entered in the specially established computer database using the MS Excel software. However, having entered the data and starting carrying out their simplified comparison, it was established that most of them are not suitable for further utilisation. The main reason for such unfavourable conclusion is the execution of analyses at different laboratories with different methods and equipment in accordance with different measurement conditions and with mostly unknown accuracy. It is necessary to add that the soil genesis is not always mentioned in those materials, and the available soil passports have not predominantly been compared with the initial geological materials available at the GF archives.

That is why, in the present thesis, only those analytical data were further utilised for the evaluation and calculations, which had been obtained and with the stated precision – those were the results of the analyses of 664 samples of the glacigenic soils obtained during the state geological mapping operations at different scale carried out at that time. For the data processing, they were first of all entered in the MS Excel database established by the author. The data were entered and stored in the *.xls format, because that format is compatible with most computer programs for further statistical processing of the data.

For the needs of the thesis, the data analysis was carried out also utilising different statistical methods incorporated in the programme Statistica 5.1. During

47

the study, significant errors were discovered in the initial laboratory protocols due to the data transfer and repeated recording. That is why only the checked-up initial analytical data, i.e. the soil passports, were utilised for entering in the database in order to reduce the risk of errors. At the same time, after the multiple check-ups of the data and evaluation of their quality, the original data were entered in the database.

The evaluation and analysis of the above-mentioned historical data have demonstrated that, even after their careful initial evaluation, they are of different quality; therefore they need thorough evaluation before further data processing. Besides, much more accurate measuring equipment and precise measurements are available today, as demonstrated, for example, by the graphs of the dependences of the natural moisture and void ratio in the clayey sand and sandy clay till produced based on the historical data and modern analytical results. The aforesaid proves that the discussed parameters have been obtained utilising different methods; that is why it is possible to utilise the historical data obtained during earlier studies only for very general soil characterisation in the present thesis.

Instruments Used During the StudyDuring the study, portable measuring instruments of scientific precision

were used – the hand penetrometer and the moisture meter with which it is possible to measure the cone resistance and natural moisture in situ.

The penetration measurements were executed utilising the Eijkelkamp hand penetrometer (IB type) with a 150 N spring and with the cone diameter 5.6 mm, surface area 0.25 cm² and the apex angle 30°. Using that penetrometer, it is possible to measure the cone resistance in the range from 0 to 60 kg/cm² with the accuracy ± 8% as stated by the manufacturer (the point value at the scale 1 kg/cm²).

The natural moisture measurements were executed using the ΔT moisture meter HH2 with the data storage block and the sensor SM-200 (Delta-T Devices, the needle length 51 mm, the measurement range 0–50% and the precision ± 3%).

Selection and Preparation of the Study LocationCarrying out detailed geotechnical investigations at a small scale (with the

measurement range from millimetres to decimetres), the selection of a suitable location and the methodological aspects of the study are of great importance. Thus the location (site) for detailed studies must comply with the following criteria:

a) the section must contain glacigenic soils;

48

b) the soil thickness must be at least 1 m, to be able to carry out sufficient number of measurements;

c) the soil has to be located not far from the earth surface in order to avoid unnecessary digging operations preparing the study location;

d) the soil has to be homogeneous, without lenses and inclusions of other materials;

e) the soil must not to be altered under the influence of the topsoil formation and freezing processes;

f) the soil must have a relatively small content of pebbles and boulders, which could prevent the execution of measurements utilising a uniform grid;

g) the territory has to be relatively free from vegetation (especially from big trees, because the tree roots alter the soil moisture regime and disturb the natural structure). It is necessary to take the technical aspects into consideration too: the access to the object (h) and the work safety considerations (i).

Figure 1. The study locations

Legend: 1. Sils Quarry. 2. Ulmāle. 3. Apriķi. 4. Mucenieki Quarry; 5. Lutriņi; 6. Kažoki Quarry; 7. Āne Quarry; 8. Daugmale; 9. Garkalne; 10. Gauja; 11. Aizkraukle; 12. Lodesmuiža; 13. Rauna; 14. Lode Quarry; 15. Kuprava Quarry. The study locations of the glacigenic soils (1, 2, 4, 5, 6, 11, 13); the study locations of the clayey soils (3, 7, 14, 15); the study locations of the sandy soils (2, 4, 6, 8, 9, 10, 12).

In order to identify a place, which complies with all the above-mentioned criteria, the geological sections of the maps of the Quaternary deposits were

49

evaluated, as well as the opinions of specialists in this sphere. As a result, the potential areas and locations of the occurrence of the glacigenic deposits were singled out, where they could potentially outcrop, including parts of river valleys where there could be sufficiently high outcrops or quarries. Natural deposits of glacigenic soils were inspected on the river banks (the Rauna and the Cimziņa near Rauna, the Daugava near Aizkraukle), as well as the artificial walls in the quarries in the vicinity of Tukums, Lutriņi and Aizpute, on the Baltic Sea bluff shore near Ulmale and other places. To make the study substantiated and to provide the experimental data necessary for the interpretation, inspections and measurements were executed not only in the glacigenic soils but also in the Quaternary and Devonian soils of other genesis and composition (Fig. 1).

Outcrops at the aforementioned places were cleaned, documented, measurements using the hand penetrometer and the moisture meter were made in order to evaluate their suitability for the subsequent detailed studies; a sufficient number measurements had to be made to characterise the glacigenic soils in general.

Geological Description of the Study LocationThe Sils quarry (Fig. 2) was the location of the detailed study; it is situated in

the SW part of the Bandava hilly area (the central part of the W. Kursa Upland), near Aizpute, about 2 km from the Kalvene railway station. At the study location, the basic elements of the Quaternary section regionally consist of a wide high of the pre-Quaternary rocks formed in the southern part of the Bandava hilly area, overlain by a 60–80 m thick layer of the Quaternary deposits.

Figure 2. Detailed scheme of the study location (Sils quarry)

50

The outcropping geological section of the detailed study location (in the western wall of the Sils quarry) is formed by a 2.0–3.2 m thick greyish-brown clayey-sandy till layer, which overlies pebbly sand and gravel deposits (Fig. 3). The lower 50 cm of the clayey-sandy layer consist of dense sandy clay with an increased content of pebbles and gravel interlayers. The contact of the till and sand and gravel consists of a conglomerate layer with the average thickness of 10 cm, below which the second conglomerate layer lies approximately 50 cm lower (it is approximately 20 cm thick). In turn, the layer of the sand and gravel deposits has been followed to the depth of approximately in the territory of the quarry.

Figure 3. a) the geological section of the outcrop of the investigated glacigenic soils in the Sils quarry and photographs of the study location; b) before the

investigations; c) after the investigationsLegend: 1. Till sandy loam. 2. Clayey sand with considerable admixture of gravel and pebbles. 3. Sand-gravel mixture with pebbles. 4. Conglomerate. 5. Talus. 6. Measurement location (cube).

The instrumented measurements of the soil properties were executed in the till sandy massif part, 180 cm from the earth surface and 50 cm above the dense sandy clay.

Check-Ups Aimed at the Substantiation of the Study and Provision of Experimental Data for the Interpretation

For the organisation of more precise measurements during the detailed study and to ensure the validity of the interpretation of the obtained results, experimental

51

measurements in situ and their comparison with the laboratory test data were carried out. That allowed to determine the accuracy of the measurements of the cone resistance (qc, MPa) made using the hand penetrometer, and those of the natural moisture (W, vol. %) made using the moisture meter, as well as the factors, which influence them, both in the glacigenic soils and soils of other genesis – the Quaternary and Devonian clayey and sandy-clayey soils.

Comparative Measurements of the Soil Strength

In order to check the reliability of the cone resistance measurements, systematic parallel measurements of the soil strength were executed in situ at the same time. The results of the cone resistance measurements made using the hand penetrometer were compared with the results obtained using two different methods and instruments – the hand-held vane tester and the Proctor penetrometer acquired by conducting parallel measurements. They were executed in the glacigenic clay-sandy soils, by executing a series of systematic parallel measurements in the glacigenic clay-sandy soils at three geographically different locations in Latvia. 428 measurements of the cone resistance, 301 measurements of the undrained strength and 127 measurements of the Proctor penetration resistance were made in parallel altogether.

The obtained graphs of the dependences of properties have demonstrated that a closer dependence exists between the results of the measurements of the cone resistance (qc) and the undrained strength (Cu) (R² = 0.81) than between the results of the measurements of the cone resistance (qc) and the Proctor penetration resistance (CI) (R² = 0.74). However, high determination coefficients confirm that that the observed dependences are statistically important. At the same time, the author of the study has not identified any differences in the above-mentioned dependences in geographically different areas. That demonstrates that the identified dependence is, possibly, a regular relationship for the glacigenic soils.

Dependence of the Soil Strength on the Degree of Its Weathering

The purpose of the experiment was to determine the impact of soil weathering on the physical and mechanical properties of soils. In each of the network cells, on the surface occurring perpendicular to the freshly uncovered outcrop wall (in three outcrops altogether), 301 systematic measurements of the glacigenic soil natural moisture content, cone resistance – qc and the soil undrained strength – Cu in situ utilising a uniform grid were made. All the three

52

parameters were measured simultaneously during the study, which allowed to evaluate dependences between the values of those parameters, if such were observed. In order to make sure that the obtained interconnections are not of local character, the initial experiment at the Sils quarry was repeated in two other outcrops – in the Mucenieki and Kažoki quarries.

The executed measurements demonstrated the existence of the impact of the weathering processes on the glacigenic soils, and it could be measured instrumentally; regularities of the values of two measured parameters – qc un Cu have also been identified. No regularities of that type have been observed in the distribution of the moisture content, but that parameter was used as an indicator for the determination of the distribution of qc un Cu values.

The Dependence of the Cone Resistance on the Measurement Depth

The purpose of the experiment was to check how the qc values change depending on the measurement depth, in order to determine the optimum depth of measurement readings. In order to do that, the cone resistance measurements were carried out at 15 locations to the depth of 10 cm, executing the readings with the step of 1 cm. The measurements were carried out both vertically – at 8 locations, and horizontally – at 6 locations.

The tendency was discovered during the experiment of the vertically measured qc values to increase to the depth of approximately 5 cm, after which it stabilised. It should be mentioned that similar relationships were observed in the horizontal measurements as well.

Taking the observed interconnection into account, an optimum depth was selected for reading the values of the cone resistance (qc) during further investigations of the glacigenic soils – the depth of 5 cm. That is important for the following reasons: it was necessary to find out the depth, where obtained qc value would be characteristic of a certain soil volume (in this case 10 cm3) and, secondly, it was necessary for further data interpretation that the measurements should have been made using a regular grid.

The Impact of the Degree of Wear of the Penetrometer Cone Surface on the Accuracy of Measurements

In order to determine the changes of the qc values under the impact of wear of the penetrometer cone surface, parallel penetration measurements were made using cones with different degrees of wear. For that purpose, parallel qc measurements were made in glacigenic (clayey sandy till) soils with the same

53

initial size (the diameter 5.6 mm, the surface area 0.25 cm2, the apex angle 30o) of cones with different degrees of wear. 63 systematic measurements were made altogether, reading the penetrometer data at the depth of 5 cm. It was important for the execution of that experiment, because the area of the measurement point of that experiment was 12 cm2, which is near to that chosen by the author (10 cm2). Within the framework of the author’s study, the measurements were made in a 10x10x10 cm cell, where one measurement was made in each of the three directions.

It was discovered during the experiment that the boundaries of variations in the qc values were in the interval from 0.0 to 0.8 MPa with the arithmetic mean 0.2 MPa. It should be mentioned that the arithmetic mean values of the boundaries of variations did not differ considerably when measurements were made using different cones, i.e. the arithmetic mean value of the boundaries of variations in the qc values when using a new cone was 0.1 MPa, while that for the other two cones – 0.3 MPa respectively. That allowed to make the conclusion that, when making repeated measurements after a considerable amount of the cone resistance measurements (~4500 measurements), the wear of the cone does not considerably influence the accuracy of the repeated measurements. It should be mentioned that those interconnections were observed only in a narrow range of the qc values (~0.5 MPa). The aforesaid confirms that it is possible to obtain representative results conducting detailed investigations with a large number of measurements.

Evaluation of the Accuracy of Natural Moisture Content Measurements

The purpose of the experiment was to determine what is the density of the dependences of the measured natural moisture content values for soils with different grain-size composition, conducting parallel in situ measurements using both two moisture meters of a similar class and two sensors of the same brand, with different exploitation periods. The results of the moisture content measurements obtained using different sensors were compared to those obtained in the laboratory. 115 parallel moisture content measurements were made altogether and 17 soil samples were taken for the determination of the weight moisture content in the laboratory.

The graphs of dependences of the measurement results have demonstrated that there is a very close dependence between the readings of both sensors in the limnoglacial soils. Conversely, no close dependence between the readings of both sensors in the glacial clayey sandy soils was observed. However,

54

close dependence was observed in the volume and weight moisture content measurements using both sensors, both for the limnoglacial and glacial soils.

Changes of Soil Natural Moisture Content in Time

The purpose of the experiment was to determine how the soil natural moisture content changes in time in situ in cleaned sand outcrop. That was executed during one day in an outcrop of limnoglacial sand and silty sand in the vicinity of Taurene, Vecpiebalga County. A series of measurements was carried out in each layer with the duration of 10 hours. The graphs of the measurement results prepared for further interpretation have demonstrated the main regularities of the loss of the moisture content in the investigated soils. The calculations have demonstrated that the process of loss is slow, reaching 0.4% per hour during 10 hours in fine sand; conversely, the loss of the moisture content in fine silty sand is much smaller, the average being 0.1% per hour.

The results of the experiment have demonstrated that it is possible to conduct in situ moisture content measurements in an outcrop of sandy soils without the deterioration of the accuracy of the measurements caused by the change of the soil moisture content regime during its loss during the first 24 hours.

Dependence of the Cone Resistance on the Natural Moisture Content

Scientific studies have demonstrated that the cone resistance depends on various soil parameters, most important of which are density and moisture content. In order to determine how the above-mentioned dependence is expressed in soils of different genesis, cone resistance and natural moisture content measurements were made.

The graph of dependences of the measurement results of the cone resistance and natural moisture content values in the Quaternary clay has demonstrated that, in general, there is a very close connection both between the averaged values and the values obtained during measurements at different measurement locations.

Additional investigations were carried out, evaluating the dependence of the discussed properties in the pre-Quaternary silty clay. They were executed in the Devonian clay of the Lode quarry in July 2007, carrying out cone resistance and moisture content measurements at 11 locations.

Unlike the Quaternary deposits, conducting not very numerous measurements in the Devonian clayey siltstone, a close connection was observed between the measured values of the cone resistance and natural moisture content. It

55

is noteworthy that the closest connection was observed in a narrow interval of the natural moisture content values (20.1% – 23.5%); conversely, with the decrease of the natural moisture content, there is no mutual correlation of the aforementioned parameters. That phenomenon is explained in the literature by the soil cementation or by the fact that the closeness of the connection is influenced by the soil density.

Evaluation of the Distribution of the Cone Resistance Values

In order to determine whether, during the measurements in glacigenic soils in geographically different territories, the obtained dependences are similar, the measurements were made both in the Sils quarry (Aizpute County) and in the Kažokas quarry (Tukums County). Additional measurements were made in soils of different composition in the Ulmāle outcrop (Pāvilosta County), in order to check the applicability of the method for the investigations of other soils.

It had to be determined during the experimental study in the Kažoki quarry whether the regularities of the distribution of the qc values obtained in the glacigenic deposits using a hand penetrometer during a detailed study in the Sils quarry (Section 3) are observed in geographically different territories and whether there are connections between the possible direction of the glacier movement and the distribution of the qc values. 150 cone resistance and natural moisture content measurements were made for that purpose – 91 measurements parallel and 59 measurements perpendicular to the possible direction of the glacier movement, correspondingly. The chosen measurement grid was the same as that for “the cube”, in order to make the visualisations of the distribution of the obtained qc values mutually comparable.

The statistical indices of the measurement values have demonstrated an absence of considerable differences between the measurements made parallel and perpendicular to the possible direction of the glacier movement. In turn, the visualisation of the distribution of the obtained cone resistance values has demonstrated that, although statistically there is no great difference between the qc values obtained for different measurement directions, certain interconnections in the distribution of their values were observed.

The experimental study in Ulmāle was carried out with the purpose to ascertain that it is possible to make measurements and identify interrelations based on the method developed by the author not only in the glacigenic soils, but also in other sandy soils in Ulmāle (Pāvilosta County). The measurements were conducted utilising a cubical soil body with the size 30x30x30 cm perpendicular to the surface of each of 6 edges, with 5 measurements for each surface and

56

5 measurements at the edge in the centre of the cube. 35 cone resistance and natural moisture content measurements were made altogether.

The analysis of mutual interrelations of the obtained cone resistance (qc) and natural moisture content values has demonstrated the absence of mutual relations between those values at each separate measurement point, similar to the glacigenic soils. However, in the visualisations of the distribution of values of the obtained cone resistance (qc) and natural moisture content, both regularities of the values of separate parameters and interconnections between the distributions of those values were observed. In general, the results of the experiment confirm that the determined connections between the instrumentally measured soil properties in situ can be obtained in the soils of different composition (clayey sand and sand) and different genesis (glacigenic and marine soils).

The purpose of the experimental study in Lodesmuiža was to evaluate in situ the changes of properties in the massif and in the uniform basal till, where a separate large fragment is incorporated. It was assumed that that fragment could be easily diagnosed and that its properties should have been quite different from basal till – a separate stone in the basal till massif and its linear dimensions should have been greater than the density of the observation grid selected for those studies.

The distribution of the cone resistance and natural moisture content values determined instrumentally in outcropping glacigenic deposits with separate boulders within the framework of this study has indicated at the complexity of the distribution of those properties. The distribution of the natural moisture content indicates at the irregularity of the infiltration of precipitation water, which exceeds 7% in the very limited study area (110x130 cm). That is a very high value, taking very uniform grain-size composition of the deposits into account. In the distribution of natural moisture content, in the basal till, a separate stone is an obstacle, however, the migration of moisture is not markedly gravitational, i.e. directed vertically downwards, but forms a more complex pattern of the distribution of values (Karpovičs et al., 2010).

The results obtained during the aforementioned experimental investigations have confirmed that the selected investigation methods display sufficient sensitivity; besides, the obtained results do not depend either on the study location in the geographic space or the soil type. In turn, it confirmed that thus executed investigations, including those with a high degree of detail, and the obtained results are true and can be successfully interpreted.

57

Ways of Data Interpretation, Their Selection and Methods

In order to determine the actual distribution of the values of properties in a certain volume of rocks for the needs of the study, visually homogenous massive dense till was selected as the study object. An outer layer had to be separated the study object for the organisation of measurements and mathematical processing of the acquired data, until it acquired the geometric form – that of a cube with the length of edges of one metre. The top surface (edge, Z axis) and two side edges (Y axis and X axis) were marked after each 10 cm, which allowed to obtain a regular 10 x 10 cm grid of observations for the execution of the measurements (Fig. 4).

Figure 4. Scheme of measurement realization in glacigenic soil cube

All data obtained at the measurement points (measurement results) were checked using MS Excel as regards the distribution of their values on the cube axes and in separate layers to determine the role of the minimal and maximal values in the distribution of values as well as the character of the distribution in order to exclude further analysis of polymodal distribution. During the next stage of the study, the mutual correlation of the instrumentally measured values of the cone resistance and natural moisture of soils was executed, checking important changes of the correlative dependences. During the final stage, the earlier obtained data were used for the spatial visualisation of the distribution of the measured values, processing the data utilising the Voxler 1.1 computer programme, thus determining 100 grid nodes for each of the investigated three edges and using the local polynomial method for the data interpolation.

58

3. RESULTS AND DISCUSSION

Detailed Soil Investigations

In order to determine the actual distribution of the values of properties in a certain volume of rocks for the needs of the study, visually homogenous massive dense till was selected as the study object.

In order to carry out the measurements, the cube was divided into smaller identical cells (cubes with the size 10x10x10 cm), where the instrumented measurements of the natural moisture and cone resistance in three mutually perpendicular directions were made along the X, Y and Z axes at the depth of 5 cm (Fig. 4). Altogether, the penetration measurements and the same number of measurements of the till natural moisture were made at 3000 cube points cube and, parallel to them, at 300 measurement points on three edges outside the cube. The obtained results were recorded in the field log and later input in an electronic MS Excel table and stored for further statistical processing.

In order to prevent the loss of the investigated soil, approximately 20 cm of soil above the measured cube were left for conservation, and the measurements were made only in the layer with the thickness of 10 cm, which corresponds to the thickness of one measured cell. The instrumented measurements were carried out at 100 points of each edge; after that, a 10 cm thick layer was extracted and the next 100 measurements were made in the cells of the same regular grid until the properties have been evaluated in the whole cube for each cell in three mutually perpendicular directions. All the measurements have been made in situ in the field immediately after the preparation of the edges for the study.

Statistical Evaluation of Data

The data of the property measurements acquired in situ in the field were statistically processed using MS Excel and Statistica 5.1 software; the results are generalised in Table 1. The summary correlation analysis of all the measurement results (for all measurements along each axis) has demonstrated the existence of a rather close connection between the results of the measurements of the cone resistance in all the directions of the measurements (along the X, Y and Z axes; r = 0.7). In turn, the dependence of the values of the natural moisture content on the direction of the measurements (the cube axis) is characterised by the correlation coefficients from 0.1 to 0.2. At the same time, the correlation coefficient between the results of measurements of the cone resistance and natural moisture content within the cube is r = –0.32, while the dependence

59

on the direction of measurements varies: r = –0.35 (X axis), r = –0.36 (Y axis) and r = –0.34 (Z axis).

Table 1

Statistical parameters of cone resistance (qc, MPa) and natural moisture (W, vol. %) values

Number of measurements, n

Statistical parameters of measured values

Arithmetic mean max min median variance

qc, Z axis 997 2,1 4,5 0,7 2,0 0,5

qc, Y axis 997 2,3 4,8 0,7 2,4 0,6

qc, X axis 997 2,0 4,1 0,9 2,0 0,4

W, Z axis 983 36,9 42,9 32,5 36,9 1,5

W, Y axis 989 36,4 40,7 31,7 36,3 1,4

W, X axis 987 36,0 43,4 31,7 36,0 2,0

The statistical indices included in the table are characteristic of till, they are similar, and they do not differ much in any of the directions. Differences in the maximal values obtained during the measurements along the Y axis should be mentioned, as well as quite high variations in the natural moisture content values. Those data indirectly confirm the earlier visual evaluations concerning the relative uniformity of the layer selected for the investigations.

Graphic Visualisation of Data

The obtained results are much more informative, if the distributions of the cone resistance and natural moisture content values are evaluated and the mutual correlation of the data is executed (Karpovičs, Segliņš, 2008), which is evident on the visualisation graphs of those data. The execution of the measurements using a certain geometric grid allowed to analyse the measurement values for any of the three investigated directions (axes) both summary and using the step of 10 cm in the whole volume of the produced cube.

The distribution of the values of instrumented measurements on the cube outer edges (sides) provides better possibilities for their evaluation. The preliminary evaluation of data indicates that the distribution of the values is normal, and extreme values have not been obtained, which should have been excluded or processed separately for analysis. The visualisation of the obtained results (Fig. 5) has demonstrated that the correlation coefficients between the

60

values of the cone resistance and natural moisture content are close and do not differ considerably depending on the direction of measurements.

Figure 5. Distribution of measured cone resistance (upper row), natural moisture (middle row) values on measured till cube faces (X, Y and Z axes) and correlation

graphs between measured values (after Karpovičs, Segliņš, 2009)

In turn, the distribution of separate values of the cone resistance and natural moisture content and their graphic visualisation forms quite a complex picture. The preparation of the study site, utilisation of calibrated instruments alone, repeated check-ups of all the measurements in the field and preliminary statistical check-up of the data do not allow the comparison of the obtained data to be interpreted as errors or defects. Thus obtained picture reflects a very complex distribution of the properties of the investigated substance (glacigenic deposits) in the directions of the executed measurements. Not only the anisotropy depending on the direction can be easily seen in the figures (the edges of the investigated cube, i.e. the azimuth), but also quite contrasting variations in the distribution of the values. It should be mentioned that those were not identified before their visualisation using a regular measurement grid. (Karpovičs, Segliņš, 2008).

61

Spatial Constructions of the Distribution of PropertiesThe spatial constructions are produced processing the results of

measurements in the whole volume of the till cube, made separately along each axis (Fig. 6 and 7).

Figure 6. Spatial distribution (in cube) of measured cone resistance values (qc, MPa) if measurements are made perpendicularly to

earth’s surface (Z axis) – step size on axes 0.1 m (after Karpovičs, Segliņš, 2009)

Figure 7. Spatial distribution (in cube) of measured natural moisture (W, vol. %) values if measurements are made perpendicularly to earth’s surface (Z axis) –

step size on axes 0.1 m (after Karpovičs, Segliņš, 2009)

The obtained visualisation of the results demonstrates the existence of a quite complex internal structure of the investigated rock massif, determined by the interrelations between micro layers with different properties in space. It should be mentioned that such complexity of the internal structure was not observed

62

earlier either during field investigations, making measurements, or analysing the measured values for separate edges; no mutual correlation dependences of the measured values were observed either.

It was possible to determine the distribution of the cone resistance and natural moisture content values in space and the dependence of the distribution of the values of those parameters on the direction of measurements by comparing their spatial visualisation (Fig. 8). In order to be able to compare the relations between the measured parameters objectively, all isosurfaces (layers) of the values were displayed with the same step – qc with the step 0.5 MPa and W with the step 0.5%.

Figure 8. Spatial distribution of cone resistance qc , MPa (a, b, c) and natural moisture – W, vol. % (d, e, f) values in cube if measurements are made along

X axis (a, b), Y axis (c, d) and Z axis (e, f).

63

It is evident in the figure (Fig. 8) that the distribution of the values of the measured parameters in space is different depending on the direction of measurements. Besides, the following dependences were observed:

- no dependence of the distribution of the cone resistance values on the moisture content values has been observed on the visualisations;

- comparing the 35.5% and 37.5% isosurfaces, it is evident that the measurements along the Z axis display higher natural moisture content values compared to the X and Y axes;

- comparing the 0.5 MPa and 3.5 MPa isosurfaces, it is evident that the cone resistance values along the Y axis are comparatively higher than those for the X and Z axes.

The last dependence indicates at the anisotropy of those parameters. Such approach allowed to identify similar dependences in visualisations, where the isosurfaces are displayed with the same step (Fig. 3.7), which are described in the previous paragraph, and that confirms that the observed dependences are not coincidental. That is also confirmed by the visualisations of the qc and W% values of the basal till qc un W% values in similar investigations in the vicinity of Lodesmuiža (Karpovičs et al. 2010).

Soil Heterogeneity and Its Evaluation

Traditionally, several approaches are utilised in the geotechnical investigations for the evaluation of the heterogeneity of soil properties: classical statistics, arithmetic mean values, variation coefficient, regression and correlation analysis, geostatistic analysis, kriging, principal component analysis (PCA) and many others. The classical statistical indices utilised in the author’s study (minimum, maximum, arithmetic mean, median, the 1st and the 3rd quartile, variation coefficient) and the regression and correlation analysis are the methods, which are simple, widely and successfully utilised in the scientific studies of that type. They are supplemented by graphic visualisations of the parameters used for the evaluation of heterogeneity – cone resistance and moisture content values.

As regards the investigated deposits – the till massif, the obtained results make it necessary to revise quite considerably the predominant simplified concepts about the uniformity of the till deposits, which are frequently based on the visual observations and superficial evaluations of the bedding elements at some investigated locations. Several scientists have already mentioned such unfounded simplifications in the studies. In this connection, the measurements of the longitudinal size of pebbles could be informative; they allow to make a preliminary evaluation of the importance of the forces influencing the process

64

of the till formation. In turn, evaluating such properties as the cone resistance and natural moisture content, it is possible to identify the heterogeneity of the internal structure of the till deposits under investigation, which is expressed as considerable differences on the plane of the distribution of the measured values (in the case of our study – the cub edges) and even more – in space (Karpovičs, Segliņš, 2008; Karpovičs, 2008). It is illustrated visually in Fig. 9 and Fig. 10.

Figure 9. Spatial distribution of measured cone resistance values (qc, MPa) on cube faces if measurements are made perpendicularly

to each face – step size on axes 0.1 m (after Karpovičs, Segliņš, 2009)

Figure 10. Spatial distribution of measured natural moisture (W, vol. %) on cube faces if measurements are made perpendicularly to each face –

step size on axes 0.1 m (after Karpovičs, Segliņš, 2009)

65

The observed contrast in the distribution of the properties (Fig. 9 and 10) indicates at quite considerable risks of erroneous determination of the properties of glacigenic deposits and their generalisation, insufficiently knowing the actual bedding conditions of those deposits and distribution of properties in the massif (Karpovičs, Segliņš, 2008). Besides, the latest investigations (Karpovičs et al. 2010) have demonstrated that similar interrelations are observed in the basal till deposits at other Latvian locations. That confirms that the observed interrelations are not coincidental.

Anisotropy of Glacigenic SoilsThe study results have demonstrated that the instrumentally measured

values of physical properties depend on the direction of their determination (Fig. 9 and 10). Differences are observed at each individual edge, in their mutual comparisons and most fully – analysing the rock massif in space. However, such differences are not observed in the statistical indices of the generalised measured parameters, as well as in the mutual correlation of the measurement values (Karpovičs, Seglins, 2010). As demonstrated by M. Jaksa’s study, with an increase in the soil heterogeneity, the error in the forecast soil properties increases proportionally; that is why investigations of the soil heterogeneity are of important practical value. Due to that, it is important to carry out additional studies as regards other evaluations of other soil properties utilised in applied investigations in the laboratory, correspondingly improving the methods of investigations.

A highly detailed study of changes in the thickness of till on the horizontal plane in the modern sedimentation environment near the glacier carried out by several scientists should be mentioned in particular. Considerable differences in the values of porosity and undrained strength between various till layers were observed during the study; besides, the undrained strength was calculated based on the results of hand penetrometer measurements. Regretfully, the authors of the aforementioned study have not mentioned the accuracy of the utilised hand penetrometer and have not described the method of calculating the undrained strength; however, such approach could be prospective for the studies of Quaternary till deposits.

Possibilities of Using a Hand Penetrometer in Detailed Soil Studies

The utilisation of the hand penetrometer in scientific research has several advantages; however, several shortcomings occur as well, in order to reduce the impact of which certain solutions are necessary. The most important

66

shortcoming mentioned in the scientific literature is the dependence of the results of measurements on the operator’s qualification and his subjective properties. The quality of measurements utilising a correctly maintained and checked-up instrument in good working order and carefully made measurements is within the error limit or below it. Our experience has demonstrated that there could be several solutions of that problem, but the causes of the problem must be investigated first of all. It is known that the cone resistance in clayey soils increases with the cone penetration rate. However, in most soils, the results of measurements of the cone penetration are little influenced either by the penetration rate, which could differ for different measurement devices, taking the rate of 30 mm/sec. recommended by ASAE as the basis, or by the uniformity of the penetration rate. That is confirmed by comparative measurements made within the framework of the study in the massive till deposits, where the variation coefficients for 63 measurements comprised 2%. That confirms that, in ensuring the accuracy of measurements, the operator’s experience and care with which the measurements are made are of relatively greater importance. Results of accurately made measurements are mutually comparable.

The impact of the coarse components (coarse gravel and pebbles) of the glacigenic soils on the accuracy of measurements is yet another aspect. That aspect was disregarded in our study, i.e. if the penetrometer made contact with a pebble during the measurement, which was identified by a characteristic sound, the measurement was repeated.

Possibilities of Using the Historical Data; Databases of Geotechnical Properties

Conducting detailed soil investigations, there always is a certain risk that they could reflect predominantly local features of the investigated areas. It is particularly important in the investigations of the glacigenic deposits, which are characterised by very high variability of composition even at small distances. That is why, initiating an investigation, one should first of all evaluate the properties, which are the most characteristic of the investigated soil and the possible range of variations of their values. A computer database was established for that purpose within the framework of our study, which incorporates the results of geotechnical analysis collected at the Geological Fund and Archive of the Latvian Environment, Geology and Meteorology Agency, first of all evaluating them and selecting those with the best quality. Although the statistical processing and evaluation of the aforementioned data has demonstrated the existence of shortcomings in those data, they must be considered sufficient for general evaluation of the range of variations of the properties of the glacigenic deposits and general interrelations. Besides, the calculated coefficients of

67

variations of the values of the properties of the glacigenic soils included in the database confirm the existence of their very high variability: from 0.0004 density of soil particles to 427 deformation modulus. That in turn indicates at the necessity of carrying out very detailed investigations.

That approach has been relatively widely and successfully used in the studies of the spatial changeability of the soil properties, i.e. the detailed evaluation of the soil properties was carried out based on the data obtained during a concrete scientific study, but the databases established based on earlier applied studies were used in larger scale investigations. During the recent years, similar publically available databases of the soil geotechnical properties were established both for scientific purposes (including those of glacigenic soils) and for applied investigations, where the cone resistance determined by the hand penetrometer is one of the basic parameters for the evaluation of soils.

It should be mentioned that regional databases have not been established in Latvia before; the one established for the purposes of our study is one of the first. Such databases, including that established for the purposes of our study, should be upgraded and updated using new data, which would allow to evaluate the interrelations between the soil properties and the regional heterogeneity more accurately.

Importance and Accuracy of Cone Resistance and Natural Moisture Content Measurements

Cone resistance (qc) characterises the soil strength, which could be expressed as the soil mechanical properties, such as undrained strength, cohesion, deformation modulus etc., and as physical properties, such as the moisture content, density etc. The moisture content is one of the most important physical properties of soils, which influences the cone resistance values. The mutual dependence of those parameters has been known for a long time; however, that dependence has been empirically investigated only in a few soil types.

The regression analysis conducted within the framework of this study has demonstrated that the aforementioned dependence is observed in the glacigenic soils as well, but only averaging the moisture content values in relation to the values of the cone resistance with the step 0.2 MPa. Conversely, comparing the values of both parameters obtained at different measurement points, such dependence was not observed, indicating that that dependence in the glacigenic soils is influenced by some other parameter as well. That is confirmed by other investigations as well, where it was discovered that the cone resistance predominantly depends on the soil density, which should be taken into consideration evaluating that dependence.

68

CONCLUSIONS

The target set forth for the thesis has been reached, and the stated tasks have been successfully fulfilled. The obtained results allow to make the following important conclusions:

1. Statistical processing of the data of geotechnical investigations of the glacigenic soils that were collected in the previous years was carried out using the database established by the author. It was ascertained that those data are accurate enough but are sufficient to obtain only a general concept of the boundaries of variations of the geotechnical properties of those soils, as well as their average values and the heterogeneity of properties in the investigated area. The calculated coefficients of the variations of the values of properties of glacigenic soils have shown that their variability is very high: from 0.0004 of soil particle density to 427 of the deformation modulus.

2. Experimental measurements and their comparison with the laboratory testing have ascertained that the portative instruments – the hand penetrometer and the moisture meter used during the study measured the cone resistance (qc, MPa) and natural moisture (W, %) accurately enough both in glacigenic soils and soils of other genesis – Quaternary and Devonian clayey and sandy soils. Those instruments allow to carry out highly detailed investigations including the decimetre range, making it possible to identify the hidden regularities of the investigated distribution features.

3. The most important factors were determined experimentally, which influence the accuracy of measurements precision in the field conditions in situ – drying and changes of the soil properties as a result of topsoil processes and frost. The determined factors allowed to make the site preparation for investigations and the measurement sequence more accurate, and to ensure the reliability of the interpretation of the obtained results.

4. In order to characterise the variability of the geotechnical properties of the glacigenic soils in the decimetre range, different coefficient values were used: 0.4–0.6 (qc) and 1.4–2.0 (W%), demonstrating significant variability of those parameters, especially the natural moisture.

5. It was established that the statistical interpretation of the study data obtained in the decimetre range was not enough efficient enough, but their visualisation using the computer program Voxler 1.1 allowed to ascertain the hidden regularities. Such an approach has demonstrated that there are very significant differences in the distribution of the

69

values of the cone resistance and natural moisture in homogeneous and massive consolidated tills, which were not identified visually before. Besides, measurements in the basal till were executed at 3 locations complying with definite criteria, and the obtained results have shown that the identified regularities are not accidental.

6. Carrying out systematic measurements in the geometric form object (cube) and visualising the obtained data, convincing results were obtained about the anisotropy of the investigated properties. The anisotropy is more obvious in relation to the cone resistance and less obvious – in the measurements of the natural moisture.

Additional conclusions and assertions are important in the present thesis from the point of view applied geological studies concerning the study methods in the in situ conditions, data preprocessing, statistical analysis, as well as the visualisation of the data and their analysis.

The indices utilised for the characterisation of the properties of the glacigenic soils were the cone resistance and moisture. However, for their use in practical geotechnical investigations empirically, based on the values of the cone resistance (qc), it is necessary to determine the deformation modulus and the internal friction angle, as well as other parameters – soil density, grain-size composition and consistency index.

The author’s approach, organising systematic measurements at geometric objects and visualising the obtained results, allows to identify both the heterogeneity and anisotropy of the investigated soils. That must be taken into consideration in both geological and geotechnical investigations. That indicates at the necessity of much more detailed soil investigations.

70

List of Publications

1. Karpovičs, A., Popovs, K., Segliņš, V., Irbe, Z., 2010. Dažu ģeotehnisko īpašību sadalījums pamatmorēnā. Scientific Papers University of Latvia “Earth and Enviromental Sciences”, Vol. 752, 45–54.

2. Karpovičs, A., Seglins, V., 2010. Anisotropy of geotechnical preperties in glacial lodgement till. Geological Qarterly, (pieņemts publicēšanai).

3. Segliņš, V. Gilucis, A., Karpovičs A., 2009. Glacigēno grunšu fizikālās īpašības un to savstarpējās korelācijas. Proceedings of Riga Technical University “Material Science and Applied Chemistry”, 1(19), 69–77.

4. Karpovičs, A. 2008. Detalizēti decimetru mēroga grunšu pētījumi. Proceedings of Riga Technical University “Material Science and Applied Chemistry”, 1(18), 154–162.

5. Karpovičs A., Segliņš V. 2008. Morēnas fizikālo īpašību atšķirības atkarībā no mērījumu veikšanas virziena. Scientific Papers University of Latvia “Earth and Enviromental Sciences”, Vol. 724, 52–61.

6. Karpovičs, A. 2006a Latvijas apledojuma glacigēno grunšu granulometriskais sastāvs un fiziomehāniskās īpašības, to izplatība un savstarpējās atkarības. Grām.: Ģeogrāfija. Ģeoloģija. Vides zinātne : Latvijas Universitātes 64. zinātniskā kon­ference : referātu tēzes. LU Akadēmiskais apgāds, Rīga, 177.–179. lpp.

7. Karpovičs, A. 2006b. Relations between granulometrical composition and geotechnical properties of glacial soils of Latvia. In: „Late Pleistocene Glacigenic Deposits in the Scandinavian Ice Sheet”, proceedings the INQUA Peribaltic Group Field Symposium, September 11–15, 2006, Finland Oulu, 19.

71

CURRICULUM VITAE (CV) ANDRIS KARPOVIČS

Education

2005.–2008. University of Latvia, Faculty of Geography and Earth Sciences; doctoral studies in geology

2001.–2004. University of Latvia, Faculty of Geography and Earth Sciences; MSc. in geology; diploma - MDA 1056

1996.–2001. University of Latvia, Faculty of Geography and Earth Sciences; BSc. in geology; diploma - 013349

Additional education (courses)

27.02.–30. 04.2008.

Administration of European Social Fund projects.

01.04.2007. Innovations in didactics of higher educational institutions

12.05.2010. Contemporary techniques in non-destructive testing and materials evaluation

Professional growth

Since 2007 University of Latvia, Faculty of Geography and Earth Sciences, Department of Applied Geology, scientific assistant.

Since 2006 Riga Technical University, The Faculty of Building and Civil Engineering and The Faculty of Transport and Mechanical Engineering, lector.

1998-2005 State Geological Survey (since 2005 Latvian Environment, Geology, and Meteorology Agency), leading geologist.

SCIENTIFIC ACTIVITY AND PUBLICATIONS Publications1. Karpovičs, A., Popovs, K., Segliņš, V., Irbe, Z., 2010. Dažu ģeotehnisko īpašību

sadalījums pamatmorēnā. Scientific Papers University of Latvia “Earth and Enviromental Sciences”, Vol. 752, 45–54.

2. Karpovičs, A., Seglins, V., 2010. Anisotropy of geotechnical preperties in glacial lodgement till. Geological Qarterly, (pieņemts publicēšanai).

3. Segliņš, V. Gilucis, A., Karpovičs A., 2009. Glacigēno grunšu fizikālās īpašības un to savstarpējās korelācijas. Proceedings of Riga Technical University “Material Science and Applied Chemistry”, 1(19), 69–77.

72

4. Karpovičs, A. 2008. Detalizēti decimetru mēroga grunšu pētījumi. Proceedings of Riga Technical University “Material Science and Applied Chemistry”, 1(18), 154–162.

5. Karpovičs A., Segliņš V. 2008. Morēnas fizikālo īpašību atšķirības atkarībā no mērījumu veikšanas virziena. Scientific Papers University of Latvia “Earth and Enviromental Sciences”, Vol. 724, 52–61.

6. Karpovičs, A., Popovs, K. 2010. Gultnes morfoloģijas un nogulumu transporta modelēšana Rīvas lejtecē.Scientific Papers University of Latvia “Earth and Enviromental Sciences”, Vol. 752, 55–63.

7. Gilucis, A., Karpovičs A., Segliņš, V. Prols, J., Silgaile. E. 2007. Ģeoķīmisko anomāliju pētījumi Latvijas augsnēs. Proceedings of Riga Technical University “Material Science and Applied Chemistry”, 1(15), 7–12.

Research projects financed by LSCUniversity of Latvia, Faculty of Geography and Earth Sciences, Department of Applied Geology, LSC grant Nr.01.0293 „ Effective porosity and grain-size composition dependences of aeration zone” (scientific assistant).

International research projectsEstonian-Latvian cooperation project „BUY LOCAL“, expert of Latvian expert group.

CONFERENCESInternational1. International Scientific Conference, „Clays, clay minerals and layered materials

2009”, Russia, Zvenigorod, September 21–25, 2009;2. INQUA Field Symposium, „Late Pleistocene glacigenic deposits in the central part

of the Scandinavian ice sheet“, Finland, September 11 – 15, 2006;3. INQUA Field Symposium, „The Quaternary of Western Lithuania: from the

Pleistocene glaciations to the evolution of the Baltic Sea“, Lithuania, Plateliai, May 27–June 2, 2007;

4. International Scientific Conference, „GeoPomerania 2007, Geology cross-bordering the Western and Eastern European Platform” Poland, Szczecin, September 24–26, 2007;

5. International Scientific Conference, „Land degradation 2009”, Riga, February 17–19, 2009;

6. International Scientific Conference, 15th Meeting of the Association of European Geological Societies (MAEGS-15 ), „Georesources and public policy research, management, environment”, Estonia, Tallin, September 16–20, 2007;

7. International Scientific Conference, „1st Students’ International Geological Conference”, Poland, Krakow, April 16-19, 2010;

There are submitted three papers to The 5th Mid-European Clay Conference, MECC 2010, Hungary, Budapest, August 25–29, 2010.

73

Local1. 64th Scientific Conference, University of Latvia, Riga, 2006;2. 65th. Scientific Conference, University of Latvia, Rīga, 2007;3. 66th. Scientific Conference, University of Latvia, Rīga, 2008;4. 67th. Scientific Conference, University of Latvia, Rīga, 2009;5. 68th. Scientific Conference, University of Latvia, Rīga, 2010;6. 51th. Students International Scientific Conference of Riga Technical University, Riga,

2010.7. Harvest festivity „We for land of Latvia”, Vecauce, 2007;8. Harvest festivity „Vecauce – Yong scientists for development of agriculture”,

Vecauce, 2006;