Mehanika tla 2007 (Soil Mechanics _2007)

2,530
-1

Published on

0 Comments
1 Like
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total Views
2,530
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0
Actions
Shares
0
Downloads
72
Comments
0
Likes
1
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Mehanika tla 2007 (Soil Mechanics _2007)

  1. 1. MEHANIKA TLA Interna skripta Prof. dr. Predrag Kvasnička Dubravko Domitrović, dipl. ing. Zagreb, 2007.
  2. 2. Rudarsko-geološko-naftni fakultet POGLAVLJA: 1. Uvod 2. Fizičke osobine materijala tla 3. Terenski istraživački radovi 4. Ugradnja zemljanih materijala 5. Voda u tlu 6. Naprezanja i deformacije u tlu 7. Slijeganje tla 8. Vremenski tok slijeganja – konsolidacija 9. Čvrstoća tla 10. Plitki temelji 11. Stabilnost kosina 12. Potporni zidovi i slične konstrukcije DODACI: 13. Građevne jame 14. Piloti Mehanika tla ♦ interna skripta 2
  3. 3. Rudarsko-geološko-naftni fakultet 1. UVOD Ova je knjiga namijenjena, kako početnicima u mehanici tla, dakle studentima tehničkih struka (prvenstveno rudarske i građevinske), tako i inženjerima koji se žele informirati o novim trendovima u geotehničkom projektiranju, posebno povezanim sa stupanjem na snagu eurokoda 7 (EC7). Na hrvatskom jeziku, doduše, već imamo knjige od Nonveillera i Terzaghija ([4] i [5]), koje su vrlo opsežne, pa baš i nisu pogodne za početnike, a primjenjuju i drugačija pravila za projektiranje nego što to nameće EC7. One, ipak i dalje ostaju kao dobra dopunska literatura za stručnjake koji se žele detaljnije informirati o porijeklu i nastanku pojedinih metoda projektiranja. Utoliko nisam smatrao potrebnim da neke izvode odande prenosim, kako ne bih nepotrebno opterećivao ovaj tekst. Uopće, ne smatram da ova knjiga može zamijeniti neke druge, nego samo da ona slijedi moj pristup izlaganju ove materije i da čitaoca upozna s «jezikom struke», a zatim i s nekim inženjerskim modelima proračuna, deformacija (slijeganja) i stabilnosti geotehničkih konstrukcija. Mehanika tla je nauka (tj. primijenjena znanost) koja proučava i opisuje mehaničke osobine temeljnog tla, bilo da je ono prirodni oslonac građevini čiju težinu mora preuzeti bez štetnih slijeganja i deformacija, bilo da služi kao materijal pri građenju nasipa za ceste, željeznice ili brane. Često se kaže i slijedeće: mehanika tla bavi se objektima «na tlu, u tlu i od tla». Mehanika tla je, zajedno s mehanikom stijena i inženjerskom geologijom, dio tehničke discipline geotehnike koja se bavi projektiranjem i izvođenjem objekata u tlu i stijeni. Za potrebe geotehnike, u mehanici tla se proučavaju teoretski modeli naprezanja, deformacija, tečenja i sl., pomoću kojih se predviđaju ponašanja geotehničkih objekata i procjenjuje koliko ta ponašanja zadovoljavaju postavljene kriterije. Ti su kriteriji, prema novim evropskim propisima – eurokodovima, povezani s graničnim stanjima uporabivosti i nosivosti, pa treba ustanoviti, zadovoljavaju li predviđeni geotehnički zahvati kriterije za odgovarajuća granična stanja. Rješavanje (geotehničkih) inženjerskih problema možemo prikazati simbolički, prema Lambe & Whitman (1969): MEHANIKA TLA • karakteristike tla vezane uz odnos • naprezanje/deformacije teorijske analize INŽENJERSKA GEOLOGIJA, ISTRAŽIVANJE • sastav i osobine temeljnog tla ISKUSTVO • • INŽENJERSKA + PROCJENA RJEŠENJA geotehničkih problema vezanih uz mehaniku tla iz prethodnih projekata iz zahvata na susjednom i sličnom tlu EKONOMIKA Slika 1.1-1 Rješavanje geotehničkih inženjerskih problema možemo prikazati simbolički (Lambe & Whitman, 1969). Mehanika tla ♦ interna skripta 3
  4. 4. Rudarsko-geološko-naftni fakultet Shema sa slike upućuje na to da je za rješavanje geotehničkih problema iz mehanike tla potrebno znati i nešto o bliskim strukama kao što je, primjerice, inženjerska geologija, nešto iz ekonomike (jer netko naše geotehničke zahvate treba platiti), a svakako je dobro imati i određeno iskustvo na sličnim poslovima (ako ne vlastito, barem nekog starijeg kolege koji vas može savjetovati). Uz sve to je potrebno i nešto što se zove «inženjerska procjena», a što bi otprilike trebalo značiti da sve ranije navedeno treba dobro «odvagnuti» prije nego što se predloži rješenje inženjerskog problema. Neki od geotehničkih zadataka su: plitko i duboko temeljenje, izrada nasipa i nasutih brana te potporne konstrukcije. Uz njih nailazimo i na specifične probleme iz rudarske prakse kao što su slijeganje tla kao posljedica (podzemnih i površinskih) rudarskih radova te odlaganje jalovine. Kako je organizirana i od čega se sastoji sama mehanika tla? Jedan, danas opće prihvaćeni način prikaz sheme mehanike tla je i tzv. Burlandov trokut (sl. 1.1-2, prema Burland, 1987). postanak tla / geologija profil tla istraživanja na terenu i opis tla iskustvo rizik ponašanje tla laboratorijska / terenska ispitivanja / opažanja / mjerenja odgovarajući model tla idealizacija povezana s ocjenom / fizički i analitički modeli Slika 1.1-2. Geotehnički trokut (Burland, 1987). Iz tog trokuta se vidi da teoretski dio mehanike tla (modeli) predstavlja tek jednu trećinu potrebnog znanja, a da je jednako tako važno dobro poznavati rasprostiranje i sastav tla (profil tla) te njegovo ponašanje koje se određuje pomoću terenskih istraživanja, vađenja uzoraka iz tla i određivanja njihovih svojstava u laboratoriju. Naime, u odnosu na, primjerice, građevinske materijale koji, u pravilu imaju poznata svojstva, tlo je na svakoj lokaciji drugačije, pa ga prvo treba dobro istražiti i procijeniti, a tek onda kombinirati moguća rješenja za projekte. Dodatna je «komplikacija» voda u tlu, bez koje ne bi bilo života na zemlji, ali koja inženjeru geotehničaru uvijek zagorča život. Kako neki kažu da «voda nije dobra ni u cipeli» tako bi se isto moglo reći i za njezino prisustvo u tlu. Mehanika tla ♦ interna skripta 4
  5. 5. Rudarsko-geološko-naftni fakultet Slijedom ovih razmišljanja organizirana su i poglavlja u ovoj knjizi, čija se prva poglavlja bave općim fizikalnim osobinama tla (2. poglavlje), istraživanjima na terenu (3. pog.), ponašanjem zemljanih materijala prilikom ugradnje (4. pog.) te pojavnošću i tečenjem vode u tlu gdje se daju prvi teoretski izvodi (5. pog.). Slijede poglavlja o dodatnim naprezanjima (6. pog.), slijeganjima (7 pog.) te slijeganjima u vremenu (8. pog.) u kojima se uvode modeli ponašanja tla pri malim deformacijama. Naprezanja koja uzrokuju velike deformacije i slom tla obrađuju se u 9. pog. gdje se govori o čvrstoći. Slijede poglavlja o modelima koji se primjenjuju za opise ponašanja plitkih temelja (10. pog.), stabilnosti kosina (11. pog.), potpornih konstrukcija (12, pog.), građevnih jama (13. pog.), pilota (14. pog.) i sidara (15. pog.). Zaključno je poglavlje o eurokodu 7. U ovom su tekstu uvažene promjene koje su došle s novim evropskim propisima za geotehniku eurokod 7, kako u oznakama i terminologiji, tako i u prilagođavanju izraza za proračun, posebno što se tiče uvođenja parcijalnih koeficijenata. LITERATURA: [1] Burland, J.B. (1987). Nash lecture: The teaching of soil mechanics – A personal view, Groundwater effects in geotechnical engineering, IX ECSMFE, Dublin. [2] EC 7 1994, Eurokod 7. Dio 1. - Opća pravila, Dio 2. – Projektiranje pomoću laboratorijskih ispitivanja i Dio 3. – Projektiranje pomoću terenskih ispitivanja. [3] Lambe, T. W. & Whitman, R. V. (1969). Soil mechanics. Massachusetts Institute of Technology, John Willey & Sons, Inc., New York. [4] Nonveiller, E. (1979). Mehanika tla i temeljenje građevina. Školska knjiga, Zagreb. [5] Terzaghi, K. (1943) Theoretical soil mechanics, prema: Teorijska mehanika tla. tiskano 1972, Naučna knjiga, Beograd Mehanika tla ♦ interna skripta 5
  6. 6. Rudarsko-geološko-naftni fakultet Dodatak 1A 1. UVOD Mehanika tla proučava i opisuje mehaničke osobine tla, bilo da je ono prirodni oslonac građevini čiju težinu mora preuzeti bez štetnih slijeganja i deformacija, bilo da služi kao materijal pri građenju (npr. nasipa za ceste, željeznice ili brane). Tlo je materijal na kojem se gradi, u kojem se gradi i od kojeg se gradi. Mehanika tla proučava fizičke i mehaničke osobine tla, tečenje vode kroz tlo, naprezanja i deformacije u tlu, parametre čvrstoće tla, nosivost tla, metode laboratorijskog i terenskog ispitivanja i spada u širem smislu u tzv. geotehničko inženjerstvo. Mehanika tla spada u područje tehničke ili primijenjene mehanike u kojoj se zakoni i metode teorijske mehanike primjenjuju u tehnici. Klasična mehanika tla zasniva se na dvije idealizacije realnog tla: 1. tlo je kruto plastično tijelo – za razmatranje problema sloma tla tj. graničnog opterećenja, 2. tlo je elastično tijelo – za razmatranje problema deformacija u tlu. Realno tlo nije niti jedno od toga no ta je idealizacija pogodna za analitičko rješavanje više tipičnih zadataka u mehanici tla. Realno tlo je ustvari nelinearno elastičan materijal s povratnim deformacijama pri rasterećenju. Suvremena mehanika tla osniva se na detaljnijim terenskim istraživanjima, složenijim laboratorijskim pokusima i primjeni raznih vrsta programa na osobnim računalima čime se bolje opisuje stvarno ponašanje tla, ali ne možemo reći da su svi problemi riješeni na odgovarajući način, pa istraživanja u ovom području i dalje intenzivno traju. Povoljne lokacije za izgradnju uglavnom su iskorištene, preostale zahtijevaju složenija znanja i bolje tehnike izgradnje. Mehanika tla ♦ interna skripta 6
  7. 7. Rudarsko-geološko-naftni fakultet 1.2. POVIJEST Unatoč nedostatku sveukupnih saznanja o ponašanju tla, postoje dokazi o empirijskom iskustvu starih civilizacija koje se očituje različitim građevinama iz Rimskog doba (akvadukti, mostovi, ceste), građevinama u Grčkoj, egipatskim piramidama, Kineskom zidu, zemljanim branama u Indiji. Naravno da su postojale i neuspješne građevine. Pretpostavlja se da su građevine koje se nisu zadovoljavajuće ponašale mijenjane novima na principu pokušaja i pogreške, često na istoj lokaciji. Primjer neuspješnog temeljenja jeste kosi toranj u Pisi sagrađen u 12. st. Veći interes za probleme vezane uz tlo javlja se ponovno u 17. i 18. stoljeću uglavnom vezano za probleme stabilnosti pokosa i potpornih zidova. Navodimo samo neke značajnije doprinose razvoju ove discipline: Charles Augustine Coulomb (1736-1806), francuski vojni inženjer, poznatiji po istraživanjima elektriciteta i magnetizma, razmatrao je probleme pritisaka tla, potpornih zidova i posmične čvrstoće materijala. William John Macquorn Rankine (1820-1872), škotski inženjer i fizičar, osim doprinosa u molekularnoj fizici, termodinamici i čvrstoći materijala, također se bavio pitanjima potpornih zidova i pritisaka tla – Rankine-ova granična stanja ravnoteže, tzv. aktivno i pasivno stanje. Karl Culman (1821-1881), njemački inženjer, razvio grafičku metodu određivanja pritisaka tla na potporne zidove. Henri Philibert Gaspard Darcy (1803-1858), francuski inženjer poznat po eksperimentalnom radu vezanom za problem propusnosti tla, kojeg prepoznajemo po poznatom Darcy-jevom zakonu. Joseph Valentin Boussinesq (1842-1929), primijenjeni matematičar, unaprijedio je Rankinovu analizu problema zemljanih pritisaka, te se bavio analizom naprezanja u tlu uslijed vanjskog opterećenja – elastični, izotropni, homogeni poluprostor. Otto Mohr (1835-1918), poznat je po grafičkoj metodi predstavljanja naprezanja tzv. Mohrovoj kružnici, kao i po Mohrovoj teoriji loma baziranoj na posmičnoj čvrstoći odnosno koheziji i kutu unutrašnjeg trenja. Temelje mehanike tla kao zasebne discipline dao je Karl Terzaghi (1882-1963) u knjizi “Erdbaumechanik” 1925. godine spojivši eksperimentalni i teoretski rad. Prije te publikacije, postojali su doprinosi drugih autora, no nisu bili integrirani u koherentnu disciplinu. Početkom 20. stoljeća najviše istraživanja vezanih uz ovu disciplinu provedeno je u SAD, te u nekim europskim državama: Njemačka, Francuska, Švedska. Nakon što je Karl Terzaghi objavio svoju knjigu 1925. godine, fond raspoložive literature o ovom području postaje ogroman, a publicira se osim u knjigama, još i u stručnim časopisima te saopćenjima sa kongresa (ICSM, ECSMFE). Navodimo samo neke značajnije: ASCE Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, New York, Canadian Geotechnical Journal, Ottawa, Geotechnique – Institution of Civil Engineers, London, ASTM Geotechnical Testing Journal. Mehanika tla ♦ interna skripta 7
  8. 8. Rudarsko-geološko-naftni fakultet 2 FIZIČKE OSOBINE MATERIJALA TLA 2.1 Trofazni karakter tla U ovom se poglavlju opisuje tlo kao inženjerski materijal. Tlom se bave razne struke (geologija, mineralogija, rudarstvo, graditeljstvo, agronomija, ...), i svaka razmatra “svoje” osobine tla. Ovdje ćemo se zadržati prvenstveno na onim osobinama tla koja su bitna za ono što bi se moglo nazvati inženjerskim osobinama tla, tj. osobinama koje su bitne za projektiranje i izvođenje građevinskih i rudarskih objekata i zahvata. Tlo je materijal koji se sastoji od tri komponente (faze): čvrstih čestica te tekuće i plinovite faze u porama između čestica. Čestice tla su zrna i pločice vrlo različitih veličina, oblika i mineraloškog sastava. U ponašanju tla odražavaju se svojstva svih triju faza kao i njihove interakcije. Ponašanje takvog materijala je vrlo kompleksno, radi čega je neophodno proučiti karakteristike svake faze, a zatim i njihovu interakciju. Čestice tla Osnovne karakteristike čestica tla su: - gustoća čestica tla ili masa jedinice volumena čestica tla (nekad se to krivo zvalo “specifična težina”), - granulometrijski sastav, što je raspodjela čestica tla po veličini, izražena u postotku mase i ? - boja, oblik i mineraloški sastav čestica. Tekućina u porama Tekućina u porama tla je redovito voda, ali može biti i nafta ili sl. No, premda su mehaničke karakteristike vode dobro poznate, njeno ponašanje u sitnim porama u tlu ne odgovara uvijek klasičnoj fizici, jer dolazi do interakcije na molekularnoj razini. Plin u porama O plinovitoj komponenti u tlu se vrlo malo zna te se iz tog razloga u inženjerskoj praksi najčešće promatraju ili potpuno “suha” ili vodom zasićena tla. Svojstva djelomično zasićenih tala se u inženjerstvu uzimaju u obzir tek u zadnjih dvadesetak godina i to prvenstveno tamo gdje se zanemarivanjem tih svojstava dobivaju grube greške. Mehanika tla ♦ interna skripta 8
  9. 9. Rudarsko-geološko-naftni fakultet 2.2. MODEL TLA Radi jednostavnijeg definiranja odnosa faza u tlu uvodi se tzv. model tla uz pomoć kojega se kvantificiraju jedinični odnosi1 volumena i masa u uzorku tla. Oznake, indeksi i kratice se ovdje navode kao što su u Eurokodu 7 [1], a porijeklom su uglavnom iz engleskog jezika, pa će se, radi lakšeg pamćenja, navesti i engleski termini. uzorak tla model tla Vg Vv plin mg Vw tekućina mW V m Vs volumeni - čestice tla ms mase Oznake na slici su: V – ukupni volumen uzorka (sve tri faze), [m3], Vv – volumen pora (engl. “voids”), [m3], Vs – volumen čvrstih čestica (engl. “solids”), [m3], Vg – volumen plina (engl. “gas”), [m3], Vw – volumen vode (engl. “water”), [m3], m – ukupna masa uzorka, [g], mg – masa plina, [g], masu plina u praktičnim problemima zanemarujemo, mw – masa vode, [g] i ms – masa čvrstih čestica, [g]. Slika 2.2-1 Model tla. Volumni odnosi Definirani su slijedeći volumni odnosi (bezdimenzionalne veličine, vrijednosti im se mogu izraziti i u postocima): V (2.2-1) relativni porozitet n= v V (raspon je, uglavnom, između nmin = 0,10 i nmax = 0,55) V e= v koeficijent pora (2.2-2) Vs (raspon je uglavnom između emin = 0,10 i emax = 1,20) V Sr = w stupanj zasićenosti (2.2-3) Vv (raspon mu je određen ispunjenošću pora vodom, 0 ≤ Sr ≤ 1, ili u postocima). 1 jedinični odnos ovdje znači: po jedinici volumena, obično za m3 Mehanika tla ♦ interna skripta 9
  10. 10. Rudarsko-geološko-naftni fakultet Kako Sr mjeri ispunjenost pora vodom? Sr = 0 → suho tlo, Sr = 100% → potpuno zasićeno (saturirano) tlo, 0 ≤ Sr ≤ 100% → djelomično saturirano tlo. Relativni porozitet i koeficijent pora su međusobno zavisne veličine. Njihova veza dobije se iz: Vv , dijeljenjem i brojnika i nazivnika na desnoj srani s Vs dobiva se (2.2-4) Vv + Vs e n= , a također se dobije i (2.2-5) 1+ e n e= (2.2-6) 1− n n= Maseni odnosi U udžbenicima i knjigama iz mehanike tla na ovom se mjestu obično uvode, umjesto mase i gustoće, težine i jedinične (neki puta «specifične») težine. Treba prihvatiti da je masa osnovno svojstvo materijala, dok je težina sila kojom tu masu privlači sila zemljine teže. Očito da nije potrebno u osnovno svojstvo mase unositi i silu planeta na kojemu se masa nalazi. U inženjerskim problemima se često koriste i jedinične težine koje se iz masa i gustoća dobivaju jednostavno, množenjem s g, akceleracijom zemljine teže (tj. gravitacijom) Definirani su slijedeći odnosi masa ili maseni odnosi unutar uzorka tla: m w= w vlažnost (2.2-7) ms (vlažnost tla je obično w < 100 %, ako je w = 0 % ⇒ suho tlo) Slijede gustoće koje se izražavaju u jedinicama [kg/m3] ili [Mg/m3]: m gustoća tla ρ= (2.2-8) V m gustoća čestica tla ρs = s (2.2-9) Vs m ρw = w gustoća vode (2.2-10) Vw Gustoća tla se može povezati s ostalim jediničnim veličinama na slijedeći način: ρ = ρ s ⋅ (1 − n) + ρ w ⋅ S r ⋅ n (2.2-11) gustoća suhog tla (Sr = 0) ρ d = ρ s ⋅ (1 − n) (2.2-12) Indeks d dolazi od engleskog “dry”. ρd = ms ms = V Vs + Vv (2.2-13) Rasponi vrijednosti gustoća tla nalaze se u okviru sljedećih granica, tablica 2.2-1: Mehanika tla ♦ interna skripta 10
  11. 11. Rudarsko-geološko-naftni fakultet Tablica 2.2-1 Rasponi vrijednosti gustoća tla. gustoće ρs ρ ρd vrijednosti2 kg/m3 2500-2800 1750-2000 1400-1700 Kao što je već rečeno, svakoj gustoći odgovara neka jedinična težina. Jedinice težine dobiju se, prema drugom Newtonovom aksiomu, tako da se masa (u kg) množi s akceleracijom (u m/s2) što daje silu (u N), tj. [kg ⋅ m/s2 ] = [N], pa se za jediničnu težinu (sve se dijeli s m 3 ) dobije [kg⋅m/s2 / m 3 ] = [ N/m 3]. Zbog praktičnosti se jedinična težina češće izražava u 1000 puta većoj jedinici tj. u [ kN/m 3]. Jedinična težina i gustoća se mogu, dakle, povezati na slijedeći način: m⋅ g = ρ ⋅g γ = [kN/m3] (2.2-14) V gdje je: - γ – jedinična težina, - m – masa uzorka, - V – volumen uzorka, - g – ubrzanje sile teže (gravitacija), g = 9,81 m/s2 i - ρ – gustoća. Veličine navedenih masenih i volumnih odnosa se određuju odgovarajućim postupcima i mjerenjima u laboratoriju za mehaniku tla. Tablica 1. Izrazi za računanje stupnja zasićenosti materijala (Nonveiller, 1981) 2 Vrijednosti gustoća bi se prema SI sustavu trebale izražavati u [g/m3], ali se u svrhu pojednostavljenja izražavaju u [g/cm3] odnosno [kg/m3], čak i u [t/m3]. Mehanika tla ♦ interna skripta 11
  12. 12. Rudarsko-geološko-naftni fakultet Tablica 2. Izrazi za računanje težina i poroziteta tla (Nonveiller, 1981) Napomena:Svi odnosi vrijede za potpuno zasićen materijal. Ako je on nepotpuno zasićen sa Sr <1, u sve izraze treba uvrstiti Sr⋅γw umjesto γw. Mehanika tla ♦ interna skripta 12
  13. 13. Rudarsko-geološko-naftni fakultet 2.3. LABORATORIJSKI POKUSI KOJIMA SE ODREĐUJU FIZIČKE OSOBINE ČESTICA TLA 2.3.1. Gustoća čestica tla Gustoća čestica tla određuje se laboratorijski pomoću tzv. piknometra, male vatrostalne bočice sa šupljim staklenim čepom (slika 2.3-1). Kod određivanja gustoće čestica je problem odrediti gustoću pojedine čestice što se očito ne bi moglo učiniti mjerenjem mase i volumena svake pojedine čestice u uzorku. Problem se rješava posredno, moglo bi se reći – trikom: «volumen zrnaca zamijenimo jednakim volumenom vode». U piknometar se prvo ulije voda; vaganjem se odredi masa piknometra s vodom (mp). U tu se istu bočicu usipa (rastresiti) uzorak, mase mu i izvaže piknometar s uzorkom ( mp+u). Zrna uzorka istisnu toliko vode koliki je njihov volumen. Volumen istisnute vode odredimo preko mase vode koja je jednaka razlici zbroja mase i piknometra s vodom (mu + mp) i mase piknometra s uzorkom u vodi (mp+u). Pokus počinje tako da se izvaže masa male količine (cca 20 g) suhog tla (sušenog 24 sata na 100 do 110 oC), razmrvljenog uzorka, mu, i masa, mp, piknometra, napunjenog vodom na temperaturi 20 oC. Uzorak se tada stavi u prazan piknometar u koji dolijemo vodu (tri četvrtine volumena) i kuhamo ga na 105 oC, da se iz pora uzorka ukloni sav zrak i pore popune vodom. Piknometar se ohladi, dopuni vodom do vrha, i izvaže masa, mp+u. Volumen uzorka tada dobijemo odnosom istisnute mase vode iz piknometra i gustoće vode: m + m p − m p +u , (2.3-1) Vu = u ρw iz uvjeta da je Vu = Vs , a mu = ms , slijedi da je gustoća čestica tla: m ρs = s , Vs γ s = ρs ⋅ g a jedinična težina čestica tla (2.3-2) (2.3-3) Slika 2.3-1 Piknometri. 2.3.2 Granulometrijski sastav 2.3.2.1 Što je granulometrijski sastav i čemu služi? Već je uvodu rečeno da je granulometrijski sastav raspodjela čestica tla po veličini, izražena u postotku mase. Smatramo ga vrlo važnom osobinom materijala tla, pa ćemo o tome ovdje nešto više reći. Tlo je skupina čestica (zrnaca) različitog oblika i veličine. Prema dominantnoj veličini zrna svrstavamo tla u skupine (klasificiramo ih) u: pijeske i šljunke (krupnozrnati materijali), te prahove i gline (sitnozrnati materijali). Dominantna veličina zrna određuje se tako da se uzorak materijala tla prosijava kroz sita različite veličine okca i dobiju ostaci na sitima koji se važu i tako odrede razredi promjera zrna (=zrna promjera od-do?) izraženi u masama. Dominantna Mehanika tla ♦ interna skripta 13
  14. 14. Rudarsko-geološko-naftni fakultet veličina zrna je ona čiji razred ima najveći postotak u ukupnoj masi uzorka. Možemo sada izreći nešto točniju definiciju granulometrijskog sastava: Granulometrijski sastav je, za neki uzorak tla, veza (relacija, odnos) svih razreda promjera zrna i njihovih postotaka masa. Klasifikacija materijala tla, prema granulometrijskom sastavu, po raznim normama, prikazana je u tablici 2.3-1. Već se samo na temelju granulometrijskog sastava mogu odrediti neke fizikalne karakteristike tla, a za njegovu primjenu u geotehničkim zahvatima, kao primjerice [2]: - vodopropusnost; - stišljivost; - kapilarnost; - filtarska svojstva; - osjetljivost na smrzavanje; - nosivost; - podložnost eroziji, - uporabljivost određene mehanizacije itd. Osnovni koraci u određivanju granulometrijskog sastava su: - odabiranje reprezentativnog uzorka, - dispergiranje agregata na konačne čestice, - mjerenje mase pojedinih frakcija.. Postupci za određivanje granulometrijskog sastava su: a) sijanje – za čestice veće od 0,06 mm; b) areometriranje (sedimentiranje čestica u vodi) – za čestice manje od 0,06 mm; c) kombinirana analiza – ako materijal sadrži i krupne i sitne frakcije. Tablica 2.3-1. Vrste materijala prema veličini čestica (ISO – Međunarodna organizacija za standardizaciju, USCS – Američki propisi): VRSTA MATERIJALA ISO/DIS 14688 USCS BROJ SITA (USCS) DROBINA (OBLUTCI) 60 mm 75 mm krupni 20 mm ŠLJUNAK srednji 6 mm sitni 2 mm 4,75 mm No. 4 0,075 mm No. 200 krupni 0,6 mm srednji 0,2 mm sitni 0,06 mm krupni 0,02 mm PRAH srednji 0,006 mm sitni 0,002 mm areometriranje sijanje PIJESAK GLINA Mehanika tla ♦ interna skripta 14
  15. 15. Rudarsko-geološko-naftni fakultet 2.3.2.2. Sijanje Provodi se suhim ili mokrim postupkom. Za sijanje se koristi niz (garnitura) sita standardnih dimenzija, čiji se otvori smanjuju na svakom slijedećem situ (odozgo prema dolje). Suhi postupak Uzme se određena količina materijala, uzorak (veličina uzorka ovisi o vrsti materijala i veličini zrna). Uzorak se usipa na najgrublje sito u nizu sita (koja su postavljena jedno iznad drugog) u tresilicu. Sita s uzorkom se tresu 10 do 15 min. Nakon toga se važe ostatak na svakom situ: m1, m2, ... mn, te materijal koji je prošao kroz najfinije sito mp (uhvaćen u zdjelu na dnu). Kroz sito s najvećim otvorima mora proći sav materijal (kako bi se znalo koje je maksimalno zrno). Slika 2.3-2. Prikaz ucrtavanja rezultata laboratorijskih pokusa sijanja i areometriranja u granulometrijski dijagram. Slijedi proračun veličine razreda što je postotak mase ukupnog uzorka između dva promjera sita. Postoci se određuju prema izrazu: Ni ∑ = ∑ mi ⋅100 i mi [%] (2.3-4) n gdje je mi – masa ostatka na situ i. U mehanici tla je uobičajeno da se crtaju tzv. kumulativni granulometrijski dijagrami, kod kojih se jedni postoci pribrajaju drugima, za razliku od tzv. krivulja razdiobe, gdje se svaka frakcija crta odvojeno. Da se dobije kumulativna krivulja potrebno je odrediti: i N Di = 100 − ∑ N i [ %] (2.3-5) 1 Rezultati se prikazuju granulometrijskim dijagramom (sl. 2.3.-2.): - NDi – koeficijent prolaza mase u [%] kroz sito (linearno mjerilo) i - D - promjer (veličina) zrna u [mm] (logaritamsko mjerilo). Mehanika tla ♦ interna skripta 15
  16. 16. Rudarsko-geološko-naftni fakultet Ako ima i sitnijih frakcija nalijepljenih na krupna zrna primjenjuje se mokri postupak. Postupak je isti kao i suhi samo se na svakom situ materijal ispire, zatim suši i važe. Ovakvim ispitivanjem dobiva se tzv. efektivni promjer zrna, jer zrno može biti pločasto ili izduženo: d d a) Slika 2.3-3. Sita. a) Nekoliko vrsta sita s obzirom na vrstu otvora. b) Shematski prikaz sijanja. b) Još jedna mogućnost tumačenja granulometrijskog dijagrama Ako uzorak kojeg sijemo ima neku početnu masu m0 i početni volumen V0, on ima i neku m početnu gustoću suhog tla, ρ d 0 = 0 . U postupku sijanja možemo tako pratiti promjenu mase, V0 kao promjenu početne gustoće suhog tla (za početni volumen uzorka, V0). Ako u izrazu 2.3-5. podijelimo brojnik i nazivnik s V0 dobijemo: ∑m = 100 − ∑m i N Di i i n ⋅100 = (∑ mi − ∑ mi ) / V0 n i ∑ m /V i 0 ⋅100 = ρ di ⋅100 ρd0 (2.3-6) n U izrazu 2.3-6. je ρ di «trenutna gustoća» tj. gustoća uzorka na odgovarajućem situ. Na slici 2.3-2. prikazan je i odnos trenutne i početne gustoće suhog tla. Ovakva predodžba sijanja pomaže pri povezivanju rezultata ovoga pokusa s areometriranjem u jedan zajednički dijagram (vidi 2.3.2.3.). Mehanika tla ♦ interna skripta 16
  17. 17. Rudarsko-geološko-naftni fakultet 2.3.2.3. Areometriranje Areometriranje je metoda određivanja granulometrijskog sastava tla za materijal koji sadrži zrna manja od 0,06 mm (prah, glina). Budući da tako sitne čestice nije moguće sijati (nisu vidljive prostim okom), veličina i postotak pojedinih frakcija određuju se indirektno, mjerenjem gustoće suspenzije u određenim vremenskim intervalima, primjenjujući tzv. Stockesov zakon. Stockesovim zakonom se definira brzina padanja zrnaca u mirnoj tekućini koja je to veća što su čestice krupnije. Drugim riječima, ako u vodu uspemo malu količinu materijala koji se sastoji od čestica različite veličine, krupnije čestice padat će brže, a sitnije sporije. Stockes-ov zakon glasi: ρ − ρw 2 v= s ⋅D , a brzinu možemo pisati i kao (2.3-7) 18 ⋅η H v = , pa izjednačavanjem tih dvaju izraza dobijemo (2.3.-8) t H H 18 ⋅η ⋅ H 18 ⋅η Dt = = ⋅ = const ⋅ , (2.3-9) (ρ s − ρ w ) ⋅ t t ρs − ρw t gdje je v Dt ... ... η ... H ... t ... ρs i ρw ... brzina padanja čestice, promjer istaloženog zrna nakon vremena t, viskoznost vode na određenoj temperaturi (svojstvo materijala), visina padanja zrna, vrijeme i gustoće čestica i vode. Ako zamislimo da imamo neku posudu u kojoj te čestice padaju i ako na putu padanja čestica možemo postaviti «vrata» na nekoj dubini u kojoj možemo mjeriti vrijeme u kojemu je čestica potonula, od površine do te dubine, možemo, prema Stockesovom zakonu, odrediti njezin promjer. Međutim, budući da su čestice nevidljive prostim okom, mi njihov prolaz moramo mjeriti posredno. To činimo mjerenjem gustoće suspenzije na vratima. Kako i zašto je to moguće? Naime, ako imamo više čestica različitog promjera, onda će kroz ta vrata proći prvo grupa krupnih čestica, a slijedit će je grupe čestica manjih promjera. Te grupe čestica treba zamisliti kao «rešetke» u čijim su čvorovima čestice. Sve rešetke kreću istovremeno (jer su sve čestice prije pokusa jednoliko raspodijeljene u suspenziji), ali one s većim zrnima padaju brže, a s manjim, sporije. Ako na vratima imamo uređaj za mjerenje gustoće, taj će registrirati promjenu gustoće suspenzije tek kad zadnja čestica iz krupne rešetke prođe mimo njega. Ako možemo registrirati promjenu mase (ili gustoće) uzorka, zbog čestica koje su prošle kroz vrata, u odnosu na početnu masu uzorka, dobit ćemo vezu promjene mase (kao kod sijanja ostataka na sitima) i promjera pripadajuće grupe čestica. Opisani postupak provodi se u pokusu areometriranja u laboratoriju za mehaniku tla. U tom se pokusu za mjerenje prolaza čestica koristi u gustoćama umjereni plovak koji se zove areometar. Areometar (još ga nazivaju i hidrometar) mjeri gustoću na dubini gdje pluta njegovo težište. Gustoća suspenzije se očitava na vratu areometra, na mjestu gdje vrat areometra izviruje iz vode (skala u jedinicama gustoće). Mehanika tla ♦ interna skripta 17
  18. 18. Rudarsko-geološko-naftni fakultet Slika 2.3-3. Prikaz ucrtavanja rezultata laboratorijskih pokusa areometriranja u granulometrijski dijagram. Pokus teče tako da se u menzuru od 1 l nalije destilirana voda (1 l) i naspe materijal tla, koji se dobro natopi i dispergira u vodi pomoću miješalice. Vodi je dodan antikoagulans – vodikov peroksid – da spriječi koagulaciju, tj. nakupljanje manjih čestica u veće. Količina materijala tla ovisi o veličini čestica; 25 g za glinu, 100 g za prah. Čestice tla padaju u suspenziji i talože se na dnu. Prije nego što padnu na dno prođu pored težišta areometra koje predstavlja «vrata» pri prolasku pored kojih se registrira promjena gustoće suspenzije, što se očita na vratu areometra u određenim vremenskim razmacima. Ti su razmaci (prema američkom standardu) 75'', 2', 5', 15', 45', 2 h, 5 h, 24 h. Veza vremena, promjera i mase čestica u suspenziji dobije se na slijedeći način: Početna gustoća suspenzije, ρ 0 , i početna gustoća suhog tla suspenzije, ρ d 0 , mogu, prema 2.2.-11. i 2.2-12., povezati na sljedeći način: ρ 0 = ρ d 0 + S r nρ w (2.3-10) gdje je početni volumen uzorka, zapravo volumen menzure, V0 , a početni volumen vode jednak volumenu pora, a što je praktički opet V0 , pa su i stupanj zasićenosti i relativni porozitet jednaki jedan. Izraz 2.3-10 tako postaje ρ0 = ρd 0 + ρ w . ρ Koeficijent prolaska mase iz izraza 2.3-6., N Di = di ⋅100 , može se tada napisati kao: ρd0 ρ ρ ρ − ρw N Di = di ⋅100 = dt ⋅100 = t ⋅100 , ρd 0 ρd0 ρ0 − ρw (2.3-11) (2.3-12) gdje su ρt i ρ0 trenutna i početna gustoća suspenzije (koje se izravno mjere areometrom), a pripadajući se promjeri zrna dobiju iz 2.3.-9. Pretpostavke i ograničenja metode određivanja promjera zrna areometriranjem su: Mehanika tla ♦ interna skripta 18
  19. 19. Rudarsko-geološko-naftni fakultet - nema utjecaja zrnaca jednog na drugo pri padanju (zato je važno da imamo ograničenu količinu uzorka u vodi - oko 50 g u 1 l); sferična zrnca – nije točno naročito za zrnca gline < 0,005 mm – pločasti oblik, u proračunu treba uzeti u obzir korekcije zbog temperature, viskoziteta tekućine i vrste antikoagulansa. AREOMETRI Slika 2.3-4. Areometri. 2.3.2.4. Kombinirana analiza Do sada su sijanje i areometriranje razmatrani odvojeno. Međutim, prirodni materijali su često kombinacija krupnih i sitnih materijala, pa granulometrijsku krivulju, dobivenu sijanjem, treba nastaviti areometriranjem (za čestice manje od 0.06 (ISO), odnosno 0.0750 mm (USCS)). Kombinirana se analiza provodi ako više od 10% zrnaca prođe kroz sito s najmanjim otvorima. Mehanika tla ♦ interna skripta 19
  20. 20. Rudarsko-geološko-naftni fakultet Korekcija prolaza za areometriranje je: N Di ' = N Di ⋅ m1 m0 (2.3-13) gdje su - NDi – % prolaz kroz najmanje sito No. 200; - m1 – masa uzorka koja je prošla kroz sito No. 200; - m0 – ukupna masa suhog tla na početku sijanja. 2.3.2.5. Koeficijenti granulometrijskog sastava tla Za karakterizaciju granulometrijskog sastava tla definiraju se dva koeficijeta: koeficijent jednoličnosti i koeficijent zakrivljenosti. Oni se definiraju na temelju karakterističnih vrijednosti promjera zrna. Koeficijent jednoličnosti je D (2.3.-14) cu = 60 , D10 a koeficijent zakrivljenosti ( D30 ) 2 cc = . (2.3.-15) D10 ⋅ D60 Karakteristični promjeri zrna D10 , D30 i D60 se dobiju tako da se u granulometrijskom dijagramu povuče horizontala na odgovarajućim postocima (10%, 30% i 60%) i očitaju odgovarajuće vrijednosti promjera u [mm]. Koeficijent jednoličnosti cu = 1 odgovara materijalu kojemu su sva zrna jednakog promjera. Ako promjer zrna vrlo široko varira onda je cu vrlo velik. Ovdje treba upozoriti na «anomaliju naziva». Naime, što je cu veći to je materijal manje jednoličan, a ista je situacija i s koeficijentom zakrivljenosti. Na ovu su anomaliju već upozoravali razni autori (primjerice, Kovaks & Holtz), ali su takvi nazivi usvojeni i u međunarodnim standardima (ISO). Tablica 2.3-2. Termini za oblik granulomet. krivulje (draft ISO/CD14688-2, Tab. 2). termin dobro graduiran (multi-graded) srednje graduiran (medium-graded) jednoliko graduiran (even-graded) slabo graduiran (gap-graded) Mehanika tla ♦ interna skripta cu cc cu >15.0 1 < cc < 3 6.0 do 15.0 cc < 1.0 cu < 6.0 cc < 1.0 obično visok bilo koji (obično cc < 0.5) 20
  21. 21. Rudarsko-geološko-naftni fakultet 2.4 Indeksni pokazatelji 2.4.1 Što su indeksni pokazatelji? Indeksni pokazatelji su parametri koji, uz granulometrijski sastav, daju dodatne informacije o osobinama tla koja su povezana s porozitetom i vlažnošću tla. To je posebno važno za sitnozrnate materijale, kod kojih svojstva tla i ne ovise toliko o granulometrijskom sastavu. Podaci kojima se detaljnije opisuju osobine tla, ovisno o porozitetu i vlažnosti, su: - indeks relativne gustoće – za nekoherentne materijale i - granice plastičnih stanja – za koherentne materijale. 2.4.2. Indeks relativne gustoće Indeks relativne gustoće izračunavamo po formuli: e − e0 I D = max emax − emin gdje su ei koeficijenti pora uzorka: - e0 – u prirodnom stanju, - emin – u najgušćem stanju, - emax – u najrahlijem stanju. (2.4-1) U tablici 2.4.-1. je dan pregled stanja tla po zbijenosti (ISO/DIS 14688-2). Tablica 2.4-1. Stanja materijala tla prema zbijenosti (draft ISO/CD14688-2, Tab. 2). STANJE vrlo rahlo rahlo (rastresito) srednje zbijeno zbijeno vrlo zbijeno ID [-] < 0,20 0,20 - 0,40 0,40 - 0,60 0,60 – 0,80 >0,80 SPT N30 <4 4–7 7 – 15 15 – 30 > 30 CPT qc [MPa] < 2,5 2,5 – 5,0 5,0 – 10,0 10,0 – 20,0 >20,0 PMT pl [MPa] < 0,30 0,30 - 0,50 0,50 - 1,0 1,0 – 2,0 >2,0 U tablici 2.4.-1., osim prema ID-u, određena je zbijenost i prema rezultatima in istu ispitivanja, o čemu će se govoriti kasnije. Indeks relativne gustoće je važan i za određivanje podložnosti tla dinamičkim utjecajima, koja je to veća što je relativna gustoća manja. 2.4.3. Granice plastičnih stanja (Atterbergove granice) Fizikalne osobine glina mijenjaju se s promjenom sadržaja vode. Zato se njihovo stanje definira preko granica plastičnih stanja, koje je, na temelju iskustva, postavio švedski geokemičar Albert Atterberg, početkom dvadesetog stoljeća, pa ih zovu i Atterbergove granice. Granice se određuju na temelju jednostavni ispitivanja u laboratoriju za mehaniku tla. Na dijagramu su prikazana stanja kroz koja prolazi koherentno tlo s povećanjem vlažnosti. Mehanika tla ♦ interna skripta 21
  22. 22. Rudarsko-geološko-naftni fakultet STANJE ČVRSTO POLUČVRSTO PLASTIČNO ŽITKO w GRANICA wS wP wL Ip Granice plastičnih stanja su: - wS – granica stezanja (shrinkage limit), wS = 0 ÷ 30 %, - wP – granica plastičnosti (plastic limit), wP = 0 ÷ 100 %, uglavnom, wP < 40 % i - wL – granica tečenja (liquid limit), wL = 0 ÷ 1000 %, uglavnom, wL < 100 %. Poznavanjem gore spomenutih granica koherentan materijal možemo klasificirati u određene skupine prema plastičnosti. Za klasificiranje materijala prema plastičnosti, potrebno je odrediti i tzv. indeks plastičnosti. I P = wL − wP (2.4-1) Pomoću granice tečenja i indeksa plastičnosti razvrstavamo (klasificiramo) koherentne materijale prema plastičnosti (tablica 2.4.-2.). Još jednom treba naglasiti da koherentne materijale ne klasificiramo prema granulometrijskom sastavu, već prema plastičnosti. Tablica 2.4-2. Klasificiranje koherentnih materijala prema plastičnosti (draft ISO/CD14688-2, Tab. 3). stupanj plastičnosti neplastično nisko plastično srednje plastično visoko plastično granica tečenja u [%] < 12,0 30,0-50,0 >50,0 indeks plastičnosti, IP < 12,0 12,0 do 25,0 25,0 do 40,0 >40,0 Važan je i indeks konzistencije (što je IC veći materijal je manje deformabilan): w − wO (2.4-2) IC = L IP Gdje je w0 prirodna vlažnost. Indeks konzistencije se, s povećanjem vlažnosti, kreće u rasponu od nule do jedinice, tj. od stanja u kojemu je uzorak praktički tekuć, do polučvrstog stanja. Suprotno od indeksa konzistencije je indeks tečenja: w − wP (2.4-3) IL = 0 IP tj. IL = 1-IC . Procjena konzistentnog stanja prema vrijednosti indeksa konzistencije dana je u tablici 2.4.-3. U tablici su navedeni hrvatski termini koje je predložio Nonveilller (1981). Termini nisu doslovno prevedeni s engleskog, ali su u nas uobičajeni. Tablica 2.4-3. Indeks konzistencije za prahove i gline (draft ISO/CD14688-2, Tab. 8). konzistencije prahova i glina indeks konzistencije, IC žitko (very soft) <0,25 lako gnječivo (soft) 0,25 do 0,50 teško gnječivo (firm) 0,50 do 0,75 polučvrsto (stiff) 0,75 do 1,00 čvrsto (very stiff) >1,00 Mehanika tla ♦ interna skripta 22
  23. 23. Rudarsko-geološko-naftni fakultet 2.4.2.1. Granica tečenja Granica tečenja se određuje pomoću uređaja s pokretnom mjedenom zdjelicom standardiziranog oblika – tzv. Casagrandeovog aparata (sl, 2.4-1.). Pomoću ekscentra na osovini, zdjelica se podiže na visinu od 1 cm s koje slobodno pada na podlogu. Na uzorku se načini standardizirani žlijeb posebnim nožem. Pokretana ručno ili automatski, zdjelica brzinom od 2 udarca u sekundi udara o podlogu, dok se žlijeb ne sastavi na duljini od 12 mm. Broj udaraca ne smije biti manji od 10, a ne veći od 50. Pokus se ponavlja na više uzoraka (4 do 5) istog materijala, a kojima se postepeno dodaje voda (tj. povećava se vlažnost). Za svaki se uzorak odredi vlažnost, w. Rezultati se unose na dijagram w (% - lin. mjerilo) i N (broj udaraca - log mjerilo), povuče se pravac i odredi vlažnost za 25 udaraca. To je granica tečenja, wL (sl. 2.4.-2.). 2.126 in. (54 mm) radius Uzorak tla Gumeno postolje 50 Vlažnost [%] 45 11 mm Granica tečenja = 42 40 35 8 mm 2 mm 30 10 20 25 Broj udaraca [N] 30 40 50 Slika 2.4-1. Casagrandeov aparat (fotografija i presjeci) i određivanje granice tečenja pomoću dijagrama (granica tečenja je za N = 25). 2.4.2.2. Granica plastičnosti Za određivanje granice plastičnosti ne treba poseban aparat. Uzorak se pripremi u mekoplastičnom stanju. Grumeni materijala se valjaju, na neupijajućoj podlozi (primjerice, staklenoj ploči), u valjčiće promjera 3 mm. Valjčići bi se, kod te debljine, trebali početi kidati ili pucati. Ako se to ne događa, valjčići se ponovno stišću u grumenčiće i pokus se ponavlja. Tim se postupkom uzorku pomalo oduzima voda (smanjuje vlažnost). Valjčiće koji su počeli pucati na 3 mm spremamo u zatvorenu posudu, a zatim ih važemo i stavljamo sušiti da odredimo vlažnost. Tako dobijemo granicu plastičnosti - wp. Mehanika tla ♦ interna skripta 23
  24. 24. Rudarsko-geološko-naftni fakultet 2.4.2.3. Granica stezanja Granica stezana je vlažnost od koje se sušenjem volumen uzorka više ne smanjuje. Naime, u postupku sušenja, zbog povećavanja kapilarnih sila vode u porama uzorka, uzorak se steže sve dok čestice ne dođu u tako zbijenu strukturu da ih te sile više ne mogu zbijati. Granica stezanja u laboratoriju se određuje tako da se uzorak suši u posudi pravilnog oblika (da se može lako odrediti početni volumen uzorka), a povremeno mu se određuju vlažnost i volumen sve dok se daljnjim sušenjem volumen više ne smanjuje. Vrijednost granice stezanja interesantna je, uglavnom, kad se radi s nesaturiranim materijalima, pa se, kod uobičajenih laboratorijskih ispitivanja, rijetko traži. polučvrsto stanje ws granica plastičnosti čvrsto stanje granica stezanja vol. čestica vol. pora čvrste čestice voda zrak plastično stanje granica tečenja Volumen tekuće stanje indeks plastičnosti [Ip] wL wp Vlažnost [w] Slika 2.4-3. Granica stezanja, ws, na mjestu gdje prestaje smanjenje volumena uzorka sa smanjenjem njegove vlažnosti. 2.4.2.4. Dijagram plastičnosti (A-dijagram) A. Casagrande je predložio da se rezultati ispitivanja Atterbergovih granica prikazuju u tzv. dijagramu plastičnosti (sl. 2.4.-4.). U tom se dijagramu rezultati ispitivanja grupiraju oko pravca s jednadžbom: I P = 0,73 ⋅ ( wL − 20) , (2.4-4) Iznad pravca se grupiraju gline, a ispod prahovi i organske gline. S pozicijom materijala u A-dijagramu su povezana neka «inženjerska» svojstva materijala. Kao što ćemo kasnije vidjeti, dijagram plastičnosti služi i za klasifikaciju sitnozrnatih materijala (vidi poglavlje 2.4.4.). 2.3.2.4. Aktivnost Aktivnost glinovite frakcije tla definira se kao odnos indeksa plastičnosti, IP, i sadržaja frakcije promjera manjeg od 0,002 mm u postocima. Naime, količina vode koja se može vezati uz čestice tla zavisi o količini i vrsti minerala gline. Tako, na osnovi relativno jednostavnih pokusa možemo približno dobiti uvid i u mineraloški sastav materijala. Aktivnost gline definira se na slijedeći način I (2.4-5) A= P , N 0,002 gdje je N0,002 sadržaj frakcija promjera zrna manjeg od 0,002 mm. Mehanika tla ♦ interna skripta 24
  25. 25. Rudarsko-geološko-naftni fakultet S obzirom na aktivnost gline dijelimo na (sl. 2.4.-5.): A < 0,75 neaktivne gline (kaolinit); 0,75 < A < 1,25 normalne gline (ilit); A > 1,25 aktivne gline (montmorilonit). 80 ća ve 40 lin A ija ( 73 0, = Ip e in gl 20 , ah pr .g an g or lin 0) -2 l w m ja an Stišljivost, propusnost Ip 60 ija ez h ko Suha čvrstoća - e 0 0 20 40 60 wl 80 100 Suha čvrstoća, plastičnost, stišljivost Propusnost Slika 2.4-4. Dijagram plastičnosti (A – dijagram). rilo al ne rm no t vi ne gli ne 60 gl in (m e on (il it) tm o 80 40 ak Indeks plastičnosti, Ip [%] nit ) 100 20 ne ak tiv g ne line o ( ka lini t) 0 0 20 40 60 Sadržaj gline [%] 80 100 Slika 2.4-5. Dijagram aktivnosti gline. Mehanika tla ♦ interna skripta 25
  26. 26. Rudarsko-geološko-naftni fakultet 2.4. Identifikacija i klasifikacija tla 2.4.1. Što su identifikacijski pokusi? Treba razlikovati pojmove identifikacija i klasifikacija. Identifikacija je proces određivanja stanovitih osobina tla. Klasifikacija je proces uspoređivanja tih osobina tla s osobinama grupe u nekom sustavu klasifikacije. Tada promatrani uzorak možemo klasificirati tj. svrstati ga u klasifikacijsku grupu. Identifikacijski se pokusi obavljaju na terenu i u laboratoriju. Na terenu se radi o skupu jednostavnih pokusa koji se izvode rukama ili uz pomoć noža. Služe za svrstavanje uzoraka u klasifikacijske skupine, na temelju čega se određuju daljnja terenska i laboratorijska ispitivanja. Budući da terenski pokusi mogu dati samo ocjenu traženih osobina, konačno se materijali mogu klasificirati tek na temelju laboratorijskih ispitivanja. Na terenu, prvi je korak da se tla razdijele obzirom na na dominantna zrna: - pojedinačna zrna vidljiva prostim okom (dogovorno, d > 0,060 mm) ⇒ krupnozrnato, nevezano, nekoherentno tlo, dvije grupe: pijesci i šljunci; - pojedinačna zrna nevidljiva prostim okom (dogovorno, d < 0,060 mm) ⇒ sitnozrnato, vezano, koherentno tlo, dvije grupe: prah i glina. Za identifikaciju na terenu potrebno je određeno iskustvo osobe koja je obavlja. Ona je prvenstveno vizualna. Greška može nastati, primjerice, kod određivanja granulometrijskog sastava, kad se količine određuju vizualno (po volumenu), a traže se odnosi u masama. Tlo je redovito mješavina krupno- i sitnozrnatog materijala, pa postoje dodatni kriteriji za određivanje klasifikacijske grupe. 2.4.2. Identificikacija krupnozrnatih tala (nekoherentnih tala) Izvađeni uzorak materijala rasprostremo na neku ravnu površinu (novine, ploča) i vizualno odredimo kolika je količina (postotak) koje vrste čestica (s obzirom na njihovu veličinu). Utvrdimo li da prevladavaju krupnija zrna, slijedeći korak je odrediti oblik zrna: - uglast; - poluuglast; - poluzaobljen; - zaobljen. Nakon toga pokušamo odrediti granulometrijski sastav, odnosno je li materijal dobro, jednoliko ili loše graduiran. Za šljunak i krupni pijesak se vizualno to uglavnom može odrediti, dok za sitnije materijale ne može. Treba reći da se vizualno mogu odrediti samo odnosi volumena pojedinih frakcija, dok se odnosi masa (koji se ucrtavaju u granulometrijski dijagram) mogu odrediti tek na temelju vaganja u laboratoriju, pa je i to uzrok moguće greške kod vizualnog procjenjivanja granulometrijskog sastava. 2.4.3. Identifikacija sitnozrnatih tala (koherentnih tala) Na terenu uzimamo među prste malo vlažni uzorak tla. Ustanovljavamo slijedeće: Lijepljenje za prste. Ako se uzorak lijepi za prste, radi se o glini ili o organskoj glini. Prah i treset se ne lijepe za prste. Miris, boja i sjaj uzorka nam mogu pomoći da ocijenimo plastičnost i sadržaj organske komponente. Sjaj određujemo zarezivanjem površine grumena slabo vlažnog do suhog materijala. Voštan sjaj se javlja kod gline visoke plastičnosti, mutan sjaj kod gline srednje plastičnosti, a bez sjaja su prah i organske niskoplastične gline. S obzirom na miris, svježe Mehanika tla ♦ interna skripta 26
  27. 27. Rudarsko-geološko-naftni fakultet zarezana površina gline može biti: bez mirisa, imati zemljan miris ili mirisati po organskoj truleži. Tada uzorak ima i karakterističnu tamnu do crnu boju. Reakcija na potresanje. Materijal se izmiješa s vodom u veličini loptice za stolni tenis tako da bude u lakognječivom stanju. Kuglica se stavi na dlan, a gornja se površina poravna nožem. Drugom rukom lagano udaramo s donje strane po ruci koja drži kuglicu i čeka pojavu vode na poravnatoj površini kuglice. Kad se voda pojavi, ruka se stisne, pa raširi i promatra brzinu nestajanja vode s površine kuglice. Brza je reakcija kod prašinastih i niskoplastičnih materijala. Konzistentno stanje određuje gnječenjem uzoraka među prstima, pa slijedi: - žitko konzistentno stanje – ne može se valjati (blato). - lako gnječivo – može formirati valjčiće tanje od 3 mm; - teško gnječivo – valjčići od 3 mm se ne drobe, ali malo tanji se drobe; - polučvrsto – može se gnječiti, drobe se valjčići od 3 mm; - čvrsto konzistentno stanje – uzorak se mrvi u male komadiće; Sadržaj kalcijevog karbonata. Još jedan dodatni pokus koji se ponekad provodi daje podatak o količini kalcijevog karbonata u sastavu čestica, CaCO3. Pokus se provodi tako da se na površinu uzorka kapne nekoliko kapi solne kiseline i prati reakcija, Nonveiller (1981): - ne šumi: < 1 % težinskog udjela; - šumi kratko, slabo: 1÷2 %; - šumi jače, kratko: 2÷4 %; - šumi jako, dugo: > 5 %. Suha čvrstoća. Ako je uzorak suh, pokušavamo prstima stisnuti grudicu materijala. Velika je čvrstoća glinovitih, visokoplastičnih materijala, a srednja kod glina srednje plastičnosti. Niska je za sve ostale materijale. 2.4.4. Klasifikacija tla 2.4.4.1. Čemu služi klasifikacija tla? Klasifikacija tla je već više puta spominjana. Radi se, dakle, o svrstavanju materijala tla u grupe sličnih svojstava. Kao što je već rečeno, interesantna su prvenstveno svojstva materijala za iskope i građenje; često kažemo i da su to inženjerska svojstva. Treba reći da se, samo na temelju klasifikacijske grupe, ne mogu odrediti svojstva materijala, već treba obaviti i odgovarajuće terenske i laboratorijske pokuse. Klasifikacijske grupe nam služe da ocijenimo raspon vrijednosti u kojemu se rezultati pokusa mogu kretati (da ne pravimo grube greške). 2.4.4.2. Jedinstvena klasifikacija U nas je uobičajena tzv. jedinstvena klasifikacija koja materijale dijeli prema veličini zrna, a sitnozrnate još i prema plastičnosti. Za nju je potrebno provesti relativno jednostavna laboratorijska ispitivanja kao što su sijanje, areometriranje i Atterbergove granice. Razradio ju je Arthur Casagrande (1948), pa je još zovu i AC-klasifikacija. Kasnije su se pojavile još neke klasifikacije, koje su bile povezane s poznatim institucijama za standardizaciju kao što su DIN, British standard, AFNOR (Francuska) i ASTM (SAD). Sve su one bazirane na istim principima kao i jedinstvena klasifikacija, ali su nastojale u svoje klasifikacijske sustave uvrstiti grupe materijala koje su karakteristične za «njihova» tla. Što se tiče novih evropskih propisa za građevinarstvo – eurokodova (za geotehniku Eurokod 7), ne predviđa se vlastiti sustav klasifikacije već će eurokodovi preuzeti sustav koji predlaže Međunaroda organizacija za normizaciju – ISO, norme ISO 14688 (1997) i ISO 14688-2 (2000), o čemu će biti riječi nešto kasnije. Mehanika tla ♦ interna skripta 27
  28. 28. Rudarsko-geološko-naftni fakultet Važno je uočiti da su dosadašnje klasifikacije tla tretirale samo već poremećeno tlo. Takav pristup vuče porijeklo još od Atterberga koji je bio geokemičar i određivao je svoje granice da razvrsta materijale tla za keramičku industriju. Jedinstvena klasifikacija3 tla ima (prema Nonveiller, 1981): a) Oznake glavnih grupa materijala tla; klasificiraju se u grupe prema veličini zrna na (u zagradama su odgovarajući međunarodno usvojeni simboli, koji uglavnom dolaze iz engleskog jezika): - šljunak (gravel – G), - pijesak (sand – S), - prah (sand – M4), - glina (clay –C) i - organsko tlo (organic soil – O), - treset (peat – Pt). Granice materijala se određuju prema dominantnim razredima zrna, a koji su navedeni u tablici 2.3-1. b) Za krupnozrnata tla se uvode i dopunske opisi, prema graduiranosti i količini sitnih čestica, iz čega slijede i dopunske oznake: - dobro graduirano (well – W), - dobro graduirano s dovoljno sitnih čestica da veže krupna zrna (with clay – C), - slabo graduirano, nedostaje neki razred zrna, nema sitnih frakcija (poor – P), - slabo graduirano, s mnogo prašinastih čestica (fines – Fs), - slabo graduirano, s mnogo glinovitih čestica (fines, clay – Fc), - jednolično graduirano, jednozrnato, malo sitnih čestica (uniform – U). Za krupnozrnate materijale se opis dobiva kombinacijom osnovne grupe i dopunskih opisa (iz a i b), pa tako imamo i simbole materijala za razne šljunke: GW, GC, GP, GFs, GFc i GU. Tako se isto dobije i za pijeske, što ukupno čini deset grupa. c) Sitnozrnata tla se svrstavaju u klasifikacijske grupe prema plastičnosti i to prema vrijednosti granice tečenja, wL: - wL < 35 % , niskoplastično tlo (low – L), - 35 < wL < 50 %, srednjeplastično tlo (intermediate – I), - 50% < wL , visokoplastično tlo (high – H). Materijali iznad A-linije u dijagramu plastičnosti (sl. 2.4.-4) su gline, a ispod, prahovi i organske gline. Za sitnozrnata tla se opisi dobiju kombinacijom iz a) i c), pa su tako i simboli ML, MI i MH te CL, CI, CH, a za organsko tlo je OL, OI i OH. Ove grupe, s krupnozrnatim materijalima, daju ukupno 20 grupa. Američki standard (ASTM, D-2487) i danas uvažava jedinstvenu klasifikaciju, s time da nema krupnozrnate materijale tipa Fs i Fc, a kod sitnozrnatih, srednje plastičnosti (I). 2.4.4.3. Klasifikacija prema ISO 14688 (1997) i ISO 14688-2 (2000) Kao što je već rečeno, Međunaroda organizacija za normizaciju – ISO, s ciljem klasificiranja tla, je izdala norme ISO 14688 (1997) i ISO 14688-2 (2000). To su još uvijek nacrt norme i prednorma, pa tako nemaju punu snagu. Također su primijećene neke nedosljednosti. Naime, ISO 14688 (1997) razlikuje pet stupnjeva plastičnosti: nisku (L), srednju (I), visoku (H), vrlo visoku (very high – V) i ekstremno visoka (extremely high – E) (sl. 2.4-6.). S druge strane, ISO 14688-2 (2000) ima samo tri stupnja plastičnosti (tablica 2.4-2.). U ovim normama nisu na jasan 3 Istini za volju, američki standard za klasificiranje, iako se također zove jedinstvena klasifikacija ima neke grupe i oznake drugačije, ali ovdje se držimo opisa kakvi su dani u Nonveillerovoj knjizi, a i kakvi vrijede po hrvatskim normama. 4 slovo M za prah je dao A. Atterberg prema nazivu jednog naselja u Švedskoj (Mo), jer nije u jeziku našao prikladan naziv za materijal između pijeska i gline (prema Šuklje, 1967). Mehanika tla ♦ interna skripta 28
  29. 29. Rudarsko-geološko-naftni fakultet način predložene klasifikacijske grupe s oznakama kao što je to u jedinstvenoj klasifikaciji. Zbog toga se ovdje navode samo neki elementi klasifikacije po tim normama. Nacrt norme ISO 14688 (1997) slijedi, u stvari, British Standard, BS 5930. Kao i jedinstvena klasifikacija, i ova slijedi svrstavanje materijala prema veličini zrna u ritmu brojeva 2 i 6 (tablica 2.3.-1). Sitnozrnati materijali se klasificiraju na temelju dijagrama plastičnosti (za materijale ili frakcije materijala čija su efektivna zrna manja od 425 µm). Slika 2.4-5. Primjeri granulometrijskih krivulja, prema draft ISO/DIS 14688-1, sl.1. Slika 2.4-6. Dijagram plastičnosti prema draft ISO/DIS 14688-1, sl-2. Mehanika tla ♦ interna skripta 29
  30. 30. Rudarsko-geološko-naftni fakultet Na sl. (sl. 2.4.-6.) je prikazan dijagram plastičnosti s odgovarajućim klasifikacijskim grupama za takve materijale. Za krupnozrnate materijale, tipovi graduiranosti se određuju na temelju koeficijenta jednoličnosti, cu i koeficijenta zakrivljenosti, cc (vidi potpoglavlje 2.3.2.5). Tako dijagrame na slici 2.4.-5. opisujemo na slijedeći način: 1 - GLINA, 2 – jednoliko graduirani prašinasti fini PIJESAK, 3 - pjeskovito šljunkovito prašinasta GLINA, 4 – slabo graduirana prašinasto šljunkoviti PIJESAK i 5 – dobro graduiran prašinasti pijesak fini do krupni ŠLJUNAK. 2.5. Geološki uvjeti postanka tla 2.5.1. Procesi u tlu Ovdje će se o procesima u tlu reći nešto u najkraćim crtama jer su to pojave koje se tretiraju u geoznanostima kao što su to geologija i inženjerska geologija, pa više zainteresiranog čitaoca upućujem na literaturu specijaliziranu literaturu, primjerice, Šestanović (1993). Nama su, sa stanovišta mehanike tla, zanimljivi oni (dugotrajni) procesi koji izazivaju promjene u sastavu zemljine kore. Rezultati tih procesa su: 1. raspadanje stijena; 2. transport produkata raspadanja; 3. sedimentacija transportiranih čestica. 2.5.2. Mineraloški sastav tla S geomehaničkog aspekta, mineraloški sastav krupnozrnatog materijala tla nema veliki značaj, dok kod sitnih čestica glavne osobine i ponašanje ovise upravo o mineraloškom sastavu. Glina je poluvezana klastična stijena pretežno izgrađena od minerala glina (kaolinit, ilit, montmorilonit), kvarca, klorita, Fe-hidroksida, feldspata, te organskih i drugih primjesa, veličine čestica D < 0.002 mm. Ishodišni materijal postanka glina povezan je s kemijskim trošenjem stijena, a svi ostali procesi nastanka mehaničkog su karaktera. Ako su vlažne, gline odlikuje plastičnost, što je posljedica koloidnog stanja većine minerala koji ih izgrađuju. Različite su boje: - bijele – ako su čiste; - žute i smeđe – od limonita; - zelenkaste – od klorita; - crvene – od hematita; - crne – od organskih materijala. Jedna od bitnih karakteristika glina jest njihova sposobnost bubrenja i skupljanja, što je rezultat ionske zamjene. Ovisno o zamijenjenim ionima, mijenjaju se i svojstva glina. Gline s kalcijskim i magnezijskim ionima bubre tek neznatno, ali ako se ti ioni zamijene ionom natrija sposobnost bubrenja se jako povećava. Mineraloški sastav se reflektira i u aktivnosti gline (vidi 2.3.2.4). Mehanika tla ♦ interna skripta 30
  31. 31. Rudarsko-geološko-naftni fakultet 2.5.3. Struktura tla Struktura tla je raspored čvrstih čestica u tlu. Strukture koherentnih i nekoherentnih materijala tla međusobno se bitno razlikuju. Kod nekoherentnog tla, dominantan čimbenik koji utječe na formiranje strukture tla je gravitacija. Kod koherentnih tala važan je utjecaj ne samo gravitacije već i molekularnih sila. Navode se neki primjeri struktura za idealne kuglice, slika 2.5-1 (prema Nonveiller, 1979): a) b) c) Slika 2.5-1. Neki primjeri struktura za idealne kuglice: a) jednoliko graduiran materijal, rahla struktura, n = 0,48; b) jednoliko graduiran materijal, gusta struktura, n = 0,26; c) kuglice dvaju promjera, vrlo gusta struktura, n < 0,26 Kod koherentnih tala prevladava utjecaj molekularnih sila. Struktura može biti saćasta ili pahuljasta. Najčešće imamo kombinacije jedne i druge strukture. LITERATURA: [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] EC 7 1994, Eurokod 7. Dio 1. - Opća pravila, Dio 2. – Projektiranje pomoću laboratorijskih ispitivanja i Dio 3. – Projektiranje pomoću terenskih ispitivanja. Holtz, R. D., & Kovacs, W. D. (1981). An introduction to geotechnical engineering, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey. ISO 14688 (1997), draft international standard, Geotechnics in civil engineering Identification and classification of soil, classification and quatification, International Standardisation Organisation. ISO 14688-2 (2000), Geotechnical engineering - Identification and classification of soils, Part 2: Classification principles and quatification of descriptive characteristics (draft prEN ISO/DIS 14688-2:2001), International Standardisation Organisation. Lambe, T. W. & Whitman, R. V. (1969). Soil mechanics. Massachusetts Institute of Technology, John Willey & Sons, Inc., New York. Morgenstern, N. (2000). Common ground. GeoEng2000. Vo. 1., Melbourne, Australia, 120. Nonveiller, E. (1979). Mehanika tla i temeljenje građevina. Školska knjiga, Zagreb Šestanović, S. (1993). Osnove inženjerske geologije – primjena u graditeljstvu. Udžbenici sveučilišta u Splitu. Sveučilište u Splitu. Šuklje, L. (1967). Mehanika tal, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za arhitekturo, gradbeništvo in geodezijo. Ljubljana. Mehanika tla ♦ interna skripta 31
  32. 32. Rudarsko-geološko-naftni fakultet 3 TERENSKI ISTRAŽIVAČKI RADOVI 3.1 Što su terenski istraživački radovi? U ovom se tekstu nastojalo, koliko je to bilo moguće, ravnati prema načelima iz EC 7 1994, Eurokod 7., Dio 3. – Projektiranje pomoću terenskih ispitivanja (što će se referencirati kao EC 7/3). Ovdje opisan opseg i vrste istraživanja uglavnom se odnose na geotehničke građevine druge kategorije (prema EC 7/1), odnosno istraživanja za, sa stanovišta temeljenja i stabilnosti, prosječno složene građevine. Sastoje se od: - geofizičkih ispitivanja, - mjerenja osobina tla in situ i - bušenja i vađenja uzoraka. Svrha terenskih istraživačkih radova je da se prikupe podaci o tlu, po opsegu dovoljni za zadani projekt. Provode se u fazama, pa razlikujemo (EC 7/3, Aneks A): prethodna, projektna i kontrolna istraživanja. Prethodna istraživanja bi trebalo obaviti stručno lice, prije svih, inženjer-geolog, koji, na temelju pregleda terena, topografskih i geoloških karata daje prve informacije o lokaciji. To su podaci o inženjerskogeološkim karakteristikama terena. U njih spadaju: podaci o površinskim i podzemnim vodama (traže se izvori, potoci, jezera) te podaci o nekim geotehničkim svojstvima tla (normalno- ili prekonsolidirano tlo, rahlo-zbijeno, lako-teško gnječivo). Takvi se podaci mogu naći u: geološkim, injženjerskogeološkim i hidrogeološkim kartama te na aerofotogrametrijskim snimcima. Kod određivanja svojstava tla mogu pomoći i podaci o geotehničkim ispitivanjima susjednih područja, pogotovo ako se istražuje urbanizirano područje. Tu pomažu stari urbanistički planovi iz kojih se može doznati slijedeće: prethodna namjena lokacije, prethodna istraživanja na lokaciji i u okolici i prethodno stečena iskustva u tom području. Istraživački radovi za projektiranje i gradnju. Trebaju dati nužne podatke za zahvate u temeljnom tlu i podzemnoj vodi. Istraživačkim se radovima mora obuhvatiti tlo ispod i oko gradilišta u onoj širini u kojoj ponašanje tla može možda negativno utjecati na građevinske radove. Uključuju, ako zatreba, penetracijske pokuse, bušotine i/ili sondažne jame za uzorkovanje, in situ ispitivanja i mjerenje razine podzemne vode. Kontrolna istraživanja. Tijekom gradnje i izvođenja radova na projektu, često se provode određene provjere i dodatna ispitivanja kad treba ustanoviti: kakav je sastav tla, isporučeno gradivo (za nasipe i brane) i radovi u suglasju s onim što je predviđeno ili naručeno. 3.2 Geofizička ispitivanja5 3.2.1 Općenito Pripremni radovi i geofizička ispitivanja, za razliku od ostalih ispitivanja, spadaju u tzv. posredna ili nerazorna ispitivanja. Ta su ispitivanja, u odnosu na količinu podataka koje pružaju, jeftinija od «razornih». Na temelju nerazornih bi trebalo planirati ostala ispitivanja, što često, zbog ograničenog vremena za obavljanje zadatka, nije moguće. Geofizička ispitivanja možemo podijeliti na geoelektrična i seizmička. Izvode se, u pravilu, na površini terena, a geofizička ponekad i u bušotini (down-hole i cross-hole). Geoelektričnim se mjerenjima određuje električni otpor tla, a seizmičkim, brzine mehaničkih valova u tlu. S obje metode se može odrediti sastav slojeva tla po dubini, a na temelju brzina 5 Komentar: Iako se spominju kao dio preliminarnih ispitivanja (u EC 7/3, Aneks A), geofizička ispitivanja u EC 7/3 nisu opisana. Mehanika tla ♦ interna skripta 32
  33. 33. Rudarsko-geološko-naftni fakultet valova se mogu odrediti i neki mehanički parametri sredine kao što su to Youngov modul elastičnosti i Poissonov koeficijent, pa s te strane seizmičke metode imaju određenu prednost. Ne treba zbog toga automatski odbaciti geoelektrična mjerenja jer svaka metoda ima svoje prednosti i mane, pa se često, tek na temelju mjerenja na oba načina, može odrediti uslojenost tla. Ovakav princip, da se jedan podatak određuje na temelju više metoda, gdje jedna kontrolira drugu, naziva se redundancija. Redundancija se, kad je god to moguće, nastoji provoditi u istraživačkim radovima, jer se podaci o tlu i tako određuju uglavnom posredno, i rijetko se možemo izravno uvjeriti o stvarnom sastavu tla. Budući da se geofizička ispitivanja temeljito obrađuju u drugim kolegijima, ovdje će se navesti samo njihova osnovna obilježja. 3.2.2 Geoelektrična ispitivanja Geoelektričnim se ispitivanjem mjeri specifični električni otpor slojeva tla. Shema mjerenja na terenu je prikazana na slici 3.2-1. Preko naponskih se elektroda nametne električni potencijal (potencijalno polje) u tlu ispod površine. U mjernim se elektrodama mjeri električni potencijal. Iz takvih se podataka mogu odrediti promjene specifičnog otpora u tlu. Te se promjene ponekad uspoređuju sa specifičnim otporima na uzorcima izvađenim iz tla da se dobije točnija slika rasporeda materijala u tlu. baterija mjerni most strujna mjerna elektroda naponska mjerna elektroda polje električnih potencijala u tlu Slika 3.2-1 Shema geoelektričnih ispitivanja. Geoelektričnim mjerenjima se može ispitati sastav tla od 30 do 50 m dubine. 3.2.2.Seizmička ispitivanja Seizmičkim se ispitivanjima mjeri brzina prolaska mehaničkih valova kroz slojeve tla. Provode se tako da se na jednom mjestu, udarom čekića ili eksplozijom, generiraju valovi (izvor vala), a u okolini izvora se mjeri vrijeme nailaska vala (pomoću geofona postavljenih na točno određenim udaljenostima). Vrste mehaničkih valova u tlu su prikazane na sl. 3.2-2. Uzdužni ili longitudinalni valovi se šire zbijanjem i razrjeđivanjem, pa se šire i kroz tlo i kroz vodu. Kad je tlo saturirano, uzdužni valovi odražavaju svojstva krućeg medija – vode. Poprečni ili transverzalni valovi titraju okomito na smjer širenja. Kroz tlo se šire trenjem među česticama tla - što kroz vodu nije moguće, pa je tako brzina poprečnih valova odraz svojstava skeleta tla. Poprečni su nam valovi, dakle, važniji, jer na temelju njih možemo odrediti neka mehanička svojstva tla kroz koje val prolazi, dok se kod uzdužnih ne mogu odvojiti valovi koji prolaze kroz tlo od onih koji prolaze kroz vodu. Mehanika tla ♦ interna skripta 33
  34. 34. Rudarsko-geološko-naftni fakultet površinski val smjer kretanja vala uzdužni val zgušnjavanje i razrjeđivanje u smjeru kretanja vala poprečni val smjer kretanja vala čestice titraju okomito na smjer kretanja vala Slika 3.2-2 Vrste mehaničkih valova u tlu. Podaci se trenutno obrađuju u računalu, pa se tako može ocijeniti i ispravnost mjerenja. Shema površinskog seizmičkih refrakcijskih mjerenja je prikazana na sl. 3.2-3. Valovi se na granicama slojeva odbijaju ili/i ogibaju (refleksija i refrakcija) i stižu u geofone na površini, gdje se elekronski mjeri brzina nailaska vala, a te se informacije obrađuju u računalu. U pravilu, ova metoda nje pogodna za tlo gdje su krući slojevi iznad mekših, ali se danas i to rješava. udar pojačalo računalo geofoni smjer vala reflektirani val u prvom sloju reflektirani val u drugom sloju Slika 3.2-3 Shema seizmičkog refrakcijskog mjerenja. Valovima na putu često stoje neke prepreke, ali i «ubrzivači valova» kao što su vodovodne i slične instalacije. Zbog toga se seizmička mjerenja obavljaju i s površine u geotehničku bušotinu (down-hole) i između dviju bušotina (cross-hole), gdje je lako odrediti put vala (udaljenost između dvije točke). Važno je da izvor vala proizvodi jasno izraženi val, primjerice, transverzalno titrajući u vertikalnom smjeru. Mjerač brzine valova tada mjeri nailazak upravo takvog vala, što olakšava interpretaciju mjerenja. Mjerenja u bušotinama se provode rijetko i uglavnom kod vrlo zahtjevnih projekata (sl. 3.2-4 i 3.2-5). Kao što je već rečeno, na osnovi seizmičkih ispitivanja se mogu odrediti i mehaničke karakteristike tla. Iz brzine poprečnih valova, vs, možemo odrediti, primjerice, modul posmika, G: G = ρ vs2 , gdje je ρ gustoća tla. Gustoće tla se mjere pomoću tzv. karotažnih mjerenja (primjenom radioaktivnih izotopa). Treba reći da je ponašanje tla nelinearno, tj. za veće pomake su moduli manji, pa ovaj modul posmika vrijedi samo za razinu deformacija koja odgovara seizmičkim valovima, a to su stotinke milimetra. Module za veće deformacije možemo ispitati samo na uzorcima tla u laboratoriju. Zbog toga moramo nastojati izvaditi kvalitetne uzorke tla. Mehanika tla ♦ interna skripta 34
  35. 35. Rudarsko-geološko-naftni fakultet osciloskop okidač input vertikalni impuls električni okidač 0,6 m plast. cijev injektirano pu tv izvor valova va alo 3-D mjerač brzine valova Slika 3.2-4 Down-hole mjerenje brzine nailaska valova. osciloskop okidač input vertikalni impuls mjerač vertikalne brzine smjer kretanja valova 3-D mjerač brzine plast. cijev izvor valova injektirano Slika 3.2-5 Cross-hole mjerenja brzine nailaska valova. 3.3 Mjerenje osobina tla in situ 3.3.1 Općenito Iz nekih je materijala praktički nemoguće izvaditi neporemećeni uzorak; to su prvenstveno šljunci, a djelomično i pijesci. Zbog toga se mehanička svojstva takvih materijala određuju uglavnom posredno, primjerice, na temelju dinamičkog ili statičkog prodiranja stardandiziranog šiljka ili cilindra u tlo. Takvi se pokusi provode u velikom broju po cijelom svijetu, od SAD-a do Japana, pa se na temelju tako velikog broja podataka i usporedbi s mjerenjima na izvedenim objektima određuju korelacije s parametrima potrebnim za projektiranje kao što su moduli i čvrstoće. Za korelaciju se često kaže da je bolje nego ništa («correlation is better then nothing»), ali je ona često i jedini izvor podataka o parametrima. Od in situ ispitivanja koje ćemo ovdje navesti, jedino se u pokusu krilnom sondom izravno određuje čvrstoća tla, ali i kod njega nisu do kraja definirani rubni uvjeti, niti uvjeti dreniranja (o čemu će biti više riječi u poglavlju 9.), pa je preporučljivo rezultate komparirati s istovrsnima na uzorcima u aparatima u laboratoriju (princip Mehanika tla ♦ interna skripta 35
  36. 36. Rudarsko-geološko-naftni fakultet redundancije). Od ispitivanja koja se navode u EC 7, ovdje će se nabrojiti samo ona in situ ispitivanja koja se kod nas primjenjuju, a to su: - statički penetracijski pokus i piezokon (oznaka, eng.: CPT i CPTU) - presiometarski pokus, - standardni penetracijski pokus (SPP, eng. SPT), - terenska krilna sonda, - plosnati dilatometrom, DMT i - mjerenja u podzemnoj vodi. 3.3.2 Statički penetracijski pokus i piezokon (cone penetration testing, CPT(U)) Ovaj se pokus ne izvodi u bušotini već sa samostalnim uređajem. U tlo se utiskuje stožac standardnog oblika. Stožac se utiskuje relativno polagano, stalnom brzinom (od 2 cm/s). Mjeri se sila utiskivanja stošca i plašta (s dvama osjetilima za silu (1) i (2), Sl. 3.3-1). Ako je, iza konusa, ugrađeno i osjetilo za mjerenje pornog tlaka, zovemo ga piezokon (piezocone – CPTU). Otpor prodiranju šiljka mjerimo na osjetilu (2), a otpor plašta je razlika očitanja između (1) i (2). Razlikujemo slijedeće veličine: - qc ... specifični otpor stošca (sila na stošcu podijeljena s njegovom površinom), - fs ... specifični otpor plašta (sila na plaštu podijeljena s površinom plašta), - R1 ... jedinični koeficijent trenja: fs / qc (za istu dubinu). Mjerenjem tlaka u vodi, osim određivanja razine podzemne vode, razlikuju se nekoherentni od koherentnih materijala. Ovi drugi su slabopropusniji, pa se tlak u vodi, koji nastaje pri utiskivanju sonde, sporo disipira (raspršuje). Statički penetracijski pokus je precizniji od SPT-a jer se uvjeti izvođenja pokusa mogu bolje kontrolirati. Osim toga, sve se veličine i zapis mogu pratiti preko elektronskih uređaja, obrađivati, pohranjivati i prikazivati pomoću računala. CPTU može poslužiti i za određivanje koeficijenta konsolidacije (Lancellotta, 1995). Jedan primjer korelacijske veze edometarskog modula tla i specifičnog otpora stošca naveden je i u dodatku EC 7, tab. 3.3-1: Eoed = α . qc (3.3-1) Tablica 3.3-1 Tablica koeficijenata α (prema Sanglerat, 1972 i EC 7/3). qc ≤ 0,7 (MPa) 3<α<8 0,7 < qc < 2 (MPa) 2<α<5 qc ≥ 2 (MPa) qc < 2 (MPa) 1 < α < 2,5 3<α<6 qc ≥ 2 (MPa) 1<α<2 MH - visoko plastičan prah: qc < 2 (MPa) 2<α<6 OL - visokoplastičan organski prah: Pt-OH - treset i visokopl. organska glina: qc > 2 (MPa) qc < 1,2 (MPa) qc < 0,7 (MPa) 50 < w ≤ 100 1<α<2 2<α<8 100 < w ≤ 200 1 < α < 1,5 Kreda: w > 300 2 < qc ≤ 3 (MPa) α < 0,4 2<α<4 Pijesak: qc > 3 (MPa) qc < 5 (MPa) 1,5 < α < 3 α=2 qc > 10 (MPa) α = 1,5 CL - nisko plastična glina: ML - niskoplastičan prah CH - visoko plastična glina Mehanika tla ♦ interna skripta 1,5 < α < 4 36
  37. 37. Rudarsko-geološko-naftni fakultet Otpor šiljka Prije zbijanja osjetilo za silu (1) Poslije plašt 30 cm osjetilo za silu (2) Dubina (m) filtar i osjetilo za porni tlak vrh (stožac) φ = 3,57 cm Slika 3.3-1 Vrh statičke penetracijske sonde (lijevo) i primjer rezultata statičke penetracije prije i nakon zbijanja tla. Iz slike se može zaključiti da je otpor šiljka, poslije zbijanja tla na dubini od 1-2 metra, puno veći nego prije zbijanja tla. Na dubini do 1 metra otpor šiljka nešto je manji nakon zbijanja tla, što tumačimo kao posljedicu vibracija koje se javljaju prilikom zbijanja uzrokujući razrahljenje površinskog sloja. 3.3.3 Presiometarski pokus (Menardov presiometar) Glavni dio presiometra je sonda koja se sastoji od valjka koji u srednjem dijelu ima elastičnu membranu (sl. 3.3-2). Sonda se upušta u bušotinu čije su stjenke malo šire od sonde. Pomoću hidrauličkog uređaja na površini, u sondi se povećava tlak, koji djeluje na stjenke bušotine i širi ih. Mjere se tlak i bočni pomak membrane (u stvari tla). Crta se dijagram naprezanja (tlaka) i promjene volumena ekspandirajuće dionice (ćelije), (sl. 3.3-2) iz čega se određuje bočni modul tla. Teorija za Menardov presiometar bazira se na širenju beskonačno debelog cilindra od elastičnog materijala (Das, 1990), pa se Youngov modul tla određuje prema: ∆p , (3.3-2) E = 2 ⋅ (1 + ν ) ⋅Vo ⋅ ∆V gdje je E ... Youngov modul tla, ν ... Poissonov koeficijent, Vo ... volumen ekspandirajuće dionice (ćelije) koji odgovara tlaku po (na početku zone II, Sl. 3.3-2, b), ∆p /∆V ... nagib pravca za zonu II. Menard preporučuje da se uzme vrijednost ν = 0,33, pa izraz (3.3.-2.) postaje: ∆p E = 2,66 ⋅Vo ⋅ , ∆V (3.3-3) Interpretacija dijagrama prema EC 7/3, je nešto složenija nego što je to prikazano na sl. 3.3-2b); prikazana je u dodatku 7.A. Mehanika tla ♦ interna skripta 37
  38. 38. PC promjena volumena pres. ćelije, V vodovi šipka ekspandirajuća dionica presiometarska sonda ispitna dionica bušotina Rudarsko-geološko-naftni fakultet zona II. pseudoelastično ponašanje zona III. plastično ∆V ponašanje zona I. početno opterećenje ∆p V0 p0 tlak u presiometarskoj ćeliji, p (a) (b) Slika 3.3-2. (a) Presiometar - shema i (b) dijagram opterećivanja. 3.3.4 Standardni penetracijski pokus, SPP (standard penetration testing, SPT) rupe za zrak rasklopni cilindar 300 mm 500 mm kuglica nož φ 50 mm Slika 3.3-3 Cilindar za SPP. Ovo je najraširenije terensko ispitivanje. Prvenstveno se rabi za nekoherentna pjeskovita tla. Izvodi se u bušotini. Cilindar, standardnih dimenzija (sl. 3.3-3) se postavlja na dno (prethodno očišćene) bušotine, a preko bušaćih šipki je spojen s površinom. Na najvišoj je šipki “nakovanj” na koji pada malj od 63,5 kg s visine od 76 cm. Mjeri se broj udaraca N da cilindar uđe u tlo Mehanika tla ♦ interna skripta 38
  39. 39. Rudarsko-geološko-naftni fakultet “jednu stopu” (ili 30cm). Utjecaj prijenosa energije. Iako se zove «standardni», pojavljuju se različite izvedbe uređaja za spuštanje malja, pa prijenos energije s malja na nakovanj nije uvijek jednak. Naime, kod nekih uređaja malj pada slobodno, a kod drugih je vezan užetom koje je prebačeno preko koloture (pa ima dodatno trenje). Zbog toga su, za razne uređaje, izmjereni različiti korekcijski faktori energije. Uvodi se tzv. koeficijent energije, ERr, što je omjer energije koja se (neposredno ispod nakovnja) prenosi na potisnu šipku i teoretske energije slobodnoga pada malja, a izražava se u postocima. Definira se tzv. referentni broj udaraca N60 što je vrijednost N popravljena koeficijentom energije ERr od 60 %. S druge strane, zbog povećanja naprezanja s dubinom, broj udaraca je potrebno korigirati i s tom veličinom. tako se dobije vrijednost (N1)60 što je vrijednost N popravljena na referentnu energiju ERr od 60 % i efektivno vertikalno naprezanje od σ′ = 100 kPa. Ako imamo uređaj s nekim drugim energetskim koeficijentom, da ga svedemo na 60%, poslužit ćemo se obrnutom proporcionalnošću između energetskog koeficijenta i broja udaraca (EC 7/3, 5.5.2): Na ⋅ ERr,a = Nb ⋅ ERr,b => Na / Nb = ERr,b / ERr,a (3.3-4) iz čega slijedi, za N60 N 60 = ERr N 60 (3.3-5) gdje je N broj udaraca, a ERr je energetski koeficijent za upotrijebljenu opremu. Utjecaj duljine šipki. Ako je duljina šipki manja od 10 m, tada se manja energija prenosi na cilindar, pa se broj udaraca treba korigirati pomoću koeficijenta iz tab. 3.3-2 (ako je materijal pijesak). Tablica 3.3-2 Popravni koeficijenti za duljinu šipke u pijesku (EC 7/3, Tab. 5.1). Duljina šipke ispod nakovnja [m] Popravni koeficijent, λ > 10 6 - 10 4- 6 3- 4 1,00 0,95 0,85 0,75 Utjecaj pritiska nadsloja u pijesku. Utjecaj pritiska nadsloja na vrijednosti N u pijesku, a za razne koeficijente relativne zbijenosti, ID, može se uzeti u obzir tako da se izmjerena vrijednost N pomnoži s popravnim koeficijentom, CN iz tablice 3.3-3. Tablica 3.3-3 Popravni koeficijenti CN za efektivno naprezanje uslijed nadsloja pijeska (EC 7/3, Tab. 5.2). Vrsta pijeska Normalno konsolidiran Relativna zbijenost ID % 40 do 60 60 do 80 Prekonsolidiran CN za σ′v u [ kPa × 10-2] 2 1 + σ′ v 3 2 + σ′ v 1,7 0,7 + σ′ v Za efektivno naprezanje nadsloja od 100 kPa, u tablici 3.3-3 je σ′v = 1, iz čega je i CN = 1, a tada se vrijednost N definira kao normalizirana vrijednost N1. Vrijednosti popravnog koeficijenta CN koje su veće od 2,0 ne bi trebalo primjenjivati (a poželjno je ni one veće od 1,5). Mehanika tla ♦ interna skripta 39
  40. 40. Rudarsko-geološko-naftni fakultet Konačna normalizirana vrijednost, N60, korigirana sa svim gornjim popravnim koeficijentima, bit će: ERr N 60 = ⋅ λ ⋅CN ⋅ N (3.3-6) 60 Za ilustraciju, prikazana je upotreba rezultata SPT-a za određivanje zbijenosti tla, Tab. 3.3-4. Tablica 3.3-4 Stanja materijala tla prema zbijenosti (draft ISO/CD14688-2, Tab. 2). SPT N30 zbijenost tla 0-4 vrlo rahlo 4-7 rahlo (rastresito) 7-15 srednje zbijeno 15-30 zbijeno >30 vrlo zbijeno 3.3.5 Krilna sonda (određivanje nedrenirane čvrstoće tla na terenu) Krilna sonda se sastoji od četiri ploče (krilca), međusobno učvršćene pod kutom od 90°. Pokus se izvodi tako da se sonda utiskuje, izravno u tlo ili kroz bušotinu, do zadane dubine, a zatim zakreće s momentom, tako da do sloma tla dođe u nedreniranim uvjetima (tj. u vodi se mogu povećati porni tlakovi). Krilnu sondu treba okretati stalnom brzinom. Da se ostvare nedrenirani uvjeti, brzina okretanja u koherentnom tlu treba biti od 0,1°/s do 0,2°/s (6°/min do 12°/min). U mekom koherentnom tlu male osjetljivosti, brzina okretanja može biti i do 0,5°/s. zakretni moment povećanje nedrenirane čvrstoće vlaženjem i sušenjem površina ine σg RPV kora te te ž c raste s dubinom jer i efektivna naprezanja od vlastite težine rastu s dubinom h z1 cu od z1 t iv n a ploha sloma tla σg' od z1 efek krilca krilna sonda napr ezan j aut lu o d vlas ti meko, prašinastoglinovito tlo z z krilca τf = c u d Slika 3.3-4 Prikaz krilne sonde i rezultata ispitivanja. Mehanika tla ♦ interna skripta 40
  41. 41. Rudarsko-geološko-naftni fakultet 1 1.2 1.1 0.9 faktor korekcije - µ faktor korekcije - µ 1 0.9 0.8 0.7 0.8 Ip < 40 % 0.7 Ip < 40 % 0.6 0.6 0.5 0.4 0.5 cf u = µcf v µ ≤ 1,2 0 20 cf u = µcf v µ≤1 0.4 40 60 80 100 120 140 granica tečenja wL 160 180 200 0 0.1 0.2 0.3 0.4 srednja vrijednost za c f v / σv' 0.5 0.6 Slika 3.3-5 Popravni koeficijent cfv, za normalno konsolidiranu (lijevo) i prekonsolidiranu glinu (desno), prema EC7/3, dodatak G. Zakretnom momentu, M, se odupire tlo koje se nađe na obodu krilca. Izraz za cu = cfv (jed. 3.3-7) se dobije uravnoteženjem momenata aktivnih sila, M, i momenata sila otpora po oplošju valjka od tla koji nastaje rotacijom krilca. Pretpostavlja se da, zbog rotacije krilca, u tlu nastaje slom, pa su posmična naprezanja i na plaštu i na bazama valjka jednaka čvrstoći tla, tj. cfv. U tom je slučaju krak sila na dvjema bazama jednak 2. (d/2)/3, a po oplošju d/2, pa jednadžba ravnoteže momenata glasi: 2 d d 2 ⋅π d + d ⋅ h ⋅π ⋅ ) (3.3-7) M = c fv ⋅ (2 ⋅ ⋅ 3 2 4 2 što daje 2M M τ f = c fv = = 0,273 ⋅ 3 (3.3-8) d d 2 πd  h +  3  Izraz s krajnje desne strane dobije se samo ako je odnos h = 2d (kako traži EC 7/3). Nedrenirana čvrstoća cu raste s dubinom (sl. 3.3-4) jer rastu i početna efektivna naprezanja (od vlastite težine tla). Ovisnost nedrenirane čvrstoće od početnim efektivnim naprezanjima objašnjena je u 9.2.3.3 (UU pokus). Vrijednosti izmjerene posmične čvrstoće, cfv, treba korigirati s popravnim koeficijentom koji treba odrediti na temelju lokalno stečenog iskustva. Neki primjeri za popravne koeficijente za određivanje nedrenirane posmične čvrstoće iz mjerenih vrijednosti, prikazani su na slikama 3.3-5. (za meku, normalno konsolidiranu glinu) i 3.3-6. (za prekonsolidiranu glinu), a temelje se na lokalno stečenom iskustvu i povratnim analizama klizanja kosina (iz EC 7/3, Dodatak G). 3.3.5 Plosnati dilatometar (DMT) Plosnatim dilatometar (DMT) je sječivo s tankom okruglom čeličnom membranom koja je poravnata s jednom plohom sonde. Služi za određivanje: svojstava čvrstoće i krutosti sitnozrnog tla, stratigrafije tla i in situ stanja naprezanja. Ispitivanje se provodi tako da se sonda u tlo vertikalno utiskuje (u bušotini). Određuje se kontaktno naprezanje tla - p0, na membranu dok je poravnata s jednom plohom sonde, te još jedanput kad se izboči za 1,10 mm - p1. DMT je najprikladniji za glinu, prah i pijesak tj. za tla čije su čestice male u usporedbi s veličinom membrane. Za interpretaciju rezultata DMT-a treba znati in situ vrijednosti tlaka porne vode, u0, i efektivnog vertikalnog naprezanja, σ'v0, prije utiskivanja sječiva. Vrijednost u0 treba odrediti za svaku dubinu ispitivanja na temelju mjerenja tlaka porne vode. Vrijednost σ'v0 treba procijeniti za svaku dubinu ispitivanja na temelju jedinične težine slojeva tla iznad dubine ispitivanja. Dilatometarski koeficijent materijala, IDMT, koeficijent horizontalnog naprezanja KDMT i modul elastičnosti EDMT treba izračunati iz sljedećih izraza: Mehanika tla ♦ interna skripta 41
  42. 42. Rudarsko-geološko-naftni fakultet IDMT = (p1 - p0) / (p0 - u0), (3.3-9) KDMT = (p0 - u0) / σ'v0, (3.3-10) (3.3-11) EDMT = 34,7 (p1 - p0). Postoji, primjerice, korelacija DMT-a i edometarskog modula Eoed = dσ′ / dε (tangentni modul) (EC 7/3, Dodatak H): (3.3-12) Eoed = RM ⋅ EDMT gdje je RM koeficijent koji se procjenjuje, bilo na temelju lokalno stečenog iskustava, bilo iz sljedećih izraza: RM = 0,14 + 2,36 log KDMT IDMT ≤ 0,6 IDMT ≥ 3,0 RM = 0,5 + 2 log KDMT 0,6 < IDMT < 3,0 KDMT > 10 RM = RMO + (2,5 - RMO) log KDMT, RMO = 0,14 + 0,15 (IDMT - 0,6) RM = 0,32 + 2,18 log KDMT Ako se iz gornjih izraza dobije vrijednost RM < 0,85, uzima se da je RM = 0,85. pneumatski i električni vodovi uređaj za upravljanje i umjeravanje tlačna cijev utisna šipka tlačna boca uzemljenje dilatometar Slika 3.3-6 Plosnati dilatometar – shema instalacije uređaja. 5 m 0 m čelična membrana 95 mm P0 P1 čelična membrana Slika 3.3-7 Plosnati dilatometar (lijevo) i položaji membrane. Mehanika tla ♦ interna skripta 42
  43. 43. Rudarsko-geološko-naftni fakultet 3.3.6 Mjerenja u podzemnoj vodi Mjerenja u podzemnoj vodi se odnose prvenstveno na mjerenje razine podzemne vode ili pornoga tlaka. Ta se mjerenja obavljaju pomoću: - otvorenog sustava i - zatvorenog sustava. Otvoren sustav je kad se u tlu postave otvorene cijevi, ili cijevi s filtrima. To je sustav u kojemu je podzemna voda u izravnom dodiru s atmosferom, a mjeri se razina vode u bušotini, cijevi ili plastičnom crijevu. U praksi se upotrebljavaju tri vrste otvorenih sustava: bušotina za opažanje (sa ili bez zacjevljenja), otvorena perforirana cijev s filtrom od krupnog pijeska ili geotekstila te cijev s filtrom na vrhu i s unutarnjim plastičnim crijevom. Otvoreni sustavi, kao što su bušotine za opažanje i otvorene perforirane cijevi, mogu se upotrebljavati samo u slučaju vrlo propusnog homogenog tla i stijene, kao što je to pijesak, šljunak ili stijena s raspuklinama, gdje nema opasnosti da će čestice tla ući u bušotinu ili cijev, Zatvoren sustav je kad se umjesto cijevi, u tlo (nasip, branu) ugrade osjetila za tlak s mogućnošću praćenja tlaka elektronskim putem. Prednost zatvorenih sustava je u tome što je dovoljno da i mala količina vode uđe u sondu, da se tlak točno izmjeri (što je naročito važno za koherentna tla). Postoje hidraulički, pneumatski i električni sustavi zatvorenih piezometara. Ipak, najčešći su piezometri s otvorenom cijevi (sl. 3.3-7) što na donjem kraju cijevi imaju filtar, koji sprečava prodor čestica u piezometar. Piezometarska razina. Razina vode koja se digne u piezometru je tzv. piezometarska razina iz koje se može izračunati piezometarski tlak (umnožak te visine i jedinične težine vode), a koji bi trebao odgovarati tlaku iz odgovarajuće strujne mreže. To nije razina podzemne vode (vodno lice). Razina podzemne vode ili vodno lice je linija koja povezuje one točke u prostoru (i vremenu), u kojima je tlak jednak atmosferskom tlaku. Tablica 3.3-5 Podobnost sustava za mjerenja u podzemnoj vodi, ovisno o vremenu njihova odziva i svrsi mjerenja (EC 7/3, tab. 14.1). šljunak, krupan pijesak uvjeti u temeljnom tlu sitan pijesak, krupan prah sitan prah, glacijalni nanos, glina Svrha mjerenja mjerenje razine podzemne vode ili raspodjele pornog tlaka i njihovih kolebanja mjerenje promjena pornog tlaka uslijed njegovih kolebanja, crpenja, iskopa, opterećenja ili rasterećenja, učinaka zabijanja pilota, ili radi praćenja npr. kosina bušotina za opažanje, otvorena cijev filtar na vrhu cijevi otvorena cijev filtar na dnu cijevi piezometar (hidraulički, pneumatski, električni) filtar na vrhu cijevi piezometar (hidraulički, pneumatski, električni) filtar na vrhu cijevi piezometar (hidraulički, pneumatski, električni) Mehanika tla ♦ interna skripta filtar na dnu cijevi piezometar (hidraulički, pneumatski, električni) piezometar (hidraulički, pneumatski, električni) 43
  44. 44. Rudarsko-geološko-naftni fakultet betonska brtva cijev d=50 mm 0,6 bentonitna brtva 1+2 m filtar saturirani pijesak 0,6 nasip od priručnog materijala bentonitna brtva ispuna Slika 3.3-7 Piezometar (otvoreni sustav). 3.4 Vađenje uzoraka iz tla 3.4.1 Općenito Uzorci tla su nam potrebni da možemo odrediti sastav i svojstva tla. Uzorci mogu biti poremećeni (ako ih se ispituje samo zbog klasificiranja tla) i neporemećeni, ako treba odrediti svojstva koja su ovisna o strukturi tla, kao što su vodopropusnost, deformabilnost i čvrstoća. Uzorci se dalje ispituju u geomehaničkom laboratoriju, koji može biti smješten na terenu ili u nekom većem mjestu. Da se sačuva osnovna struktura uzoraka nakon vađenja, potrebno ih je čuvati u temperaturno i vlažnosno kondicioniranom prostoru, a isto tako ih pažljivo transporti do laboratorija. Uzorci se mogu vaditi iz sondažnih jama i bušotina. 3.4.2 Vađenje uzoraka iz sondažnih jama Vađenje uzoraka iz sondažnih jama prikazano je na sl. 3.4-1. U pravilu su to najkvalitetniji uzorci, ali su skupi jer je potrebno puno ljudskog rada, a i sondažne jame se ne kopaju dublje od 5.0 m. Da se izvadi uzorak iz tla, na nekoj se dubini, nožem i sličnim alatom, obradi dio tla u obliku kvadra, umota se u plastičnu foliju, a u lošijoj varijanti u gazu i parafin (jer se zagrijavanjem mijenja vlažnost uzorka). sanduk parafin sondažna jama do 5,0 m cca 30 cm detalj "A" oštar alat uzorak tla ovdje treba pažljivo odrezati detalj "A" Slika 3.4.-1 Vađenje uzoraka iz sondažnih jama. Mehanika tla ♦ interna skripta 44
  45. 45. Rudarsko-geološko-naftni fakultet 3.4.3. Bušenje i vađenje uzoraka iz bušotina Bušenje može biti ručno ili motorno (odnosno, bušiti se može pomoću ručne ili motorne bušaće garniture). Iako je motorno suvremenije i kvalitetnije, zbog cijene i, za motorne garniture, nepristupačnih terena, ručno se bušenje i danas uvelike primjenjuje. Ručno bušenje. Buši se pomoću svrdla (sl. 3.4-2), maksimalno do 10 m, i vade poremećeni uzorci. Prvenstveno se rabi za određivanje dubine i sastava slojeva u tlu. Iako se vade i tzv. «neporemećeni uzorci». njihova je kvaliteta slabija nego kod onih vađenih strojno. bušaći toranj svrdla: ulazi tlo šipke (mogu se dodavati) svrdlo Slika 3.4-2 Vađenje uzoraka iz bušotina – ručna garnitura. Motorno bušenje. Jedna jednostavnija motorna garnitura je prikazana na sl. 3.4-3. Samo bušenje se izvodi sa svrdlom ili s tzv. ”jezgrenom cijevi”. Na taj se način dobivaju tzv. poremećeni uzorci. Služe uglavnom za određivanje slojeva po dubini i za klasifikacijska ispitivanja. Ako treba vaditi neporemećene uzorke, na traženoj dubini se bušotina prvo dobro očisti, a umjesto jezgrene cijevi, ugradi se cilindar za vađenje neporemećenih uzoraka. Najčešće se neporemećeni uzorci vade pomoću tzv. tankostjenog cilindra (sl. 3.4-3 b) i cilindra s fiksnim klipom (sl. 3.4-4). Da bi uzorak ostao koliko-toliko neporemećen, potrebno je da cilindar zadovolji dva kriterija: 2 2 D −D (3.4-1) - koeficijent površine (EC 7/3) : C a = v 2 n ≤ 0,15 , Dn - koeficijent unutrašnjeg otvora: Ci = Du − Dn ≤ 0,015 . Dn (3.4-2) gdje je: Dn ... unutrašnji rub noža cilindra, Dv ... najveći vanjski promjer cilindra, Du ... unutrašnji promjer cilindra. Mehanika tla ♦ interna skripta 45
  46. 46. Rudarsko-geološko-naftni fakultet kolotura četveronožni toranj glava s ventilom vitlo (dizalica) pogonski motor transmisija stezna glava čelični cilindar pumpa isplačni bazen uvodna kolona Du 2,5 mm bušeča šipka isplaka Dn Dv jezgrena cijev dijamantna kruna a) b) Slika 3.4-3 a) Vađenje uzoraka iz bušotina – motorna garnitura i b) tankostjeni cilindar za vađenje neporemećenih uzoraka. Cilindri s uzorcima se nakon vađenja parafiniraju i prevoze u geomehanički laboratorij. U laboratoriju se uzorci istiskuju iz cilindra pomoću preše, ali pažljivo, tako da je cilindar položen i uzorak klizi u žlijeb, a do ispitivanja se uzorci čuvaju u vlažnoj komori. Važno je da se uzorci brzo ispitaju (ne kasnije od tjedan dana). Neporemećeni uzorci se ugrađuju u laboratorijske uređaje (primjerice, edometre te uređaje za izravni i troosni posmik). Stupanj očuvanosti uzorka. Nakon što se uzorak istisne iz cilindra, ocjenjuje se stupanj očuvanosti uzorka prema odnosu L / H, gdje je L duljina uzorka u cilindru, a H duljina cilindra. Mehanika tla ♦ interna skripta 46
  47. 47. Rudarsko-geološko-naftni fakultet 4 5 8 9 6 3 2 7 1 10 Slika 3.4-4 Cilindar s fiksnim klipom, za vađenje neporemećenih uzoraka. 3.5 Prikaz rezultata geotehničkih terenskih i laboratorijskih ispitivanja Izvještaj o geotehničkim istraživačkim radovima treba biti u skladu s EC 7/1, pogl. 3.4 i Orr & Farell (1999). Rezultati ispitivanja prikazuju se tzv. geotehničkim izvještajem ili, kako je kod nas uobičajeno reći geotehničkim elaboratom. Sastoji se od dva dijela. Prvi dio sadrži sve rezultate istraživanja u koje su uključene i geološke i inženjerskogeološke značajke istraživane lokacije, a drugi sadrži izvedene vrijednosti parametara i njihovu ocjenu. Rezultati istraživanja moraju sadržavati i: - rezultate terenskih i laboratorijskih ispitivanja u odgovarajućim prilozima, - bušotinske profile s fotografijama jezgri i opisima tla na temelju rezultata laboratorijskih ispitivanja i - podatke o kolebanju razine podzemne vode u bušotinama. Geotehnički je izvještaj ujedno i dio tzv. geotehničkog projektnog izvještaja (EC 7/1, pogl. 2.9). Geotehnički izvještaj treba sadržavati opis svih terenskih i laboratorijskih radova i dokumentaciju o postupcima terenskih i laboratorijskih ispitivanja. Mehanika tla ♦ interna skripta 47
  48. 48. Rudarsko-geološko-naftni fakultet U-2 0,00 AC KLASIFIKACIJA MATERIJALA TERENSKO LABORATORIJSKI REZULTATI SIMBOL Pijesak, sitni, prašinast, rastresit, smeđe boje. Mjestimično sitni komadi polutrulog drveta. SM 1,30 7 RPV PPV 2,50 Šljunak, srednje krupan slabo graduiran, oblog do poluzaobljenog zrna, maks. 3 cm, rastresit, sive boje. GP 5 4,00 4,60 Šljunak, sitan do srednje krupan, slabo graduiran do prašinast, rastresit, tamnosive do crne boje, organskog mirisa. 5,10 Pijesak, srednje krupan, slabo graduiran do prašinast, vrlo rastresit, crne boje, organskog mirisa. 6,30 Šljunak, srednje krupan, dobro graduiran do prašinast, oblog do poluzaobljenog zrna, max. 3 cm, rastresit, crne boje. Šljunak, sitan do srednje krupan, slabo graduiran do prašinast, oblog do poluzaobljenog zrna, max. 3 cm, srednje zbijen, sive boje. 7,30 GP/GM SP/SM 2 GW/GM 26 GP/GM >50 30 Pijesak, sitan do srednje krupan, slabo graduiran do SP/SM prašinast, vrlo zbijen, sive boje. Mjestimično pokoja valutica šljunka. 26 40 14,40 15,50 Lapor, čvrst,sive boje. Uglavnom kompaktan u komadima svijeća, te mjestimično razlomljen (uglavnom usljed bušenja). L >50 SPT 10 20 30 40 50 udaraca 0 10 20 30 40 50 ( kN/m ) qu 0 50 100 150 200 Ik 0 0,2 0,4 0,6 0,8 γ γd γs Legenda : 30 40 90 100 % 0 0 10 20 60 W1 W2 W0 50 70 80 3 250 ( kPa ) 1,0 - neporemećeni uzorci - aksijalna čvrstoća qu (kPa) - standardni penetracijski test (SPT) - atterbergove granice W1, W2 ( % ) - prirodna vlažnost W0 ( % ) γ 3 - suha prostorna težina d ( kN/m ) - vlažna prostorna težina RPV PPV - razina podzemne vode - pojava podzemne vode - indeks konzistencije Ik γ ( kN/m3 ) GEOTEHNIČKI PRESJEK BUŠOTINE M 1:100 E-170-03-01 Prilog br.: 5 Slika 3.5-1 Bušotinski profil. Uobičajeno je da se u bušotinske profile unose rezultati terenskih i laboratorijskih ispitivanja, a da se bušotinski profili nastoje povezati u tzv. geotehničke profile, tako da se dobije slika podzemlja. Posao povezivanja slojeva i stvaranje slike podzemlja, kod imalo složenije situacije, trebao bi raditi inženjer geolog. Primjeri bušotinskog i geotehničkog profila prikazani su na sl. 3.5-1, 3.5-2 i 3.5-3. Mehanika tla ♦ interna skripta 48
  49. 49. LIJEVA OBALA U-2 (164.93) os upornjaka U-2 Rudarsko-geološko-naftni fakultet 0.00 (1) 1.30 N=7 S-2 RPV 2.50 (161.02) 0.00 1.30 (2) GW 3.20 5.40 SP-SM 4.00 GP N=5 4.60 GP-GM 5.10 SP-SM GP N=22 4.20 SM N=2 (1) 6.30 7.30 (2) GW-GM N=26 GP-GM N=29 GP N=24 N=30 SP-SM SP-SM 7.10 CH 8.00 N=34 8.70 (1) L N=26 14.40 SP 11.60 15.50 N=38 N=33 L N=35 (4) N=43 L Slika 3.5-2 Geotehnički profil za približno horizontalno uslojeno tlo. Slika 3.5-3 Geotehnički profil za kosinu (u ovom slučaju ujedno i inženjerskogeološki model klizišta, prema Mihalić, 2001). Mehanika tla ♦ interna skripta 49
  50. 50. Rudarsko-geološko-naftni fakultet utisnuti volumen 7.A Dodatak – Određivanje presiometarskog modula prema EC 7 Vc+2 Vr Vc+Vr ∆V ∆p V ∆V (V = Vc+ Vr) EM = 2,66 Vr pr pLM promjena volumena - ∆v promjena tlaka - ∆p tlak 1,2 minimum pr minimum tlak Slika 7.A-1 Presiometarski dijagram prema EC 7/3, sl 4.3. LITERATURA: [2] [3] [4] [6] [1] Das, M.B. (1990). Principles of geotechnical engineering, PWS-KENT, Boston EC 7 1994, Eurokod 7. Dio 1. - Opća pravila, Dio 2. – Projektiranje pomoću laboratorijskih ispitivanja i Dio 3. – Projektiranje pomoću terenskih ispitivanja. Lancellota, R. (1995). Geotechnical engineering, Balkema. Rotterdam. Mihalić, S. (2001) Geotehničko izvješće za klizište u ulici sv. Dorotea, Jakovlje. Geoexpert GTB (2001), Zagreb. [5] Nonveiller, E. (1979). Mehanika tla i temeljenje građevina. Školska knjiga, Zagreb Orr, T.L.L., & Farell, R.F. (1999). Geotechnical design to Eurocode 7, Springer-Verlag, New York. Mehanika tla ♦ interna skripta 50
  51. 51. Rudarsko-geološko-naftni fakultet 4 UGRADNJA ZEMLJANIH MATERIJALA 4.1 Uvod Zemljani se materijali ugrađuju u: nasipe za ceste i željeznice te u kolničke konstrukcije za ceste, nasipe i konstrukcije za aerodromske piste, nasipe i podloge za temelje objekata, vodoprivredne nasipe i brane. “Ugraditi”, znači najčešće materijal razastrijeti po pripremljenoj podlozi i zbiti ga valjanjem u sloj određene debljine. Na takav se sloj treba moći ugraditi novi sloj tla. Zbijanjem se zemljanom materijalu daju bolja mehanička svojstva tj. veća krutost i čvrstoća. Nisu svi materijali tla jednako pogodni za ugradnju, međutim, često se isplati koristiti zemljani materijal koji je slabije ugradljiv, a bliži je mjestu ugradnje nego bolji iz udaljenog nalazišta, jer su transportni troškovi vrlo veliki. Zato treba podrobno ispitati razna nalazišta materijala u blizini gradilišta. U prikladne materijale za nasipavanje spada većina prirodnih zrnatih materijala, ali i određeni otpadni proizvodi, kao što su odabrana jalovina iz ugljenokopa i leteći pepeo. Neki se umjetno proizvedeni materijali, kao što su laka punila, također mogu upotrijebiti u nekim okolnostima. Neki koherentni materijali mogu biti prikladni, ali zahtijevaju poseban tretman. Kriterij za odabir materijala, koji je prikladan za nasipavanje, temelje se na postizanju odgovarajuće čvrstoće, krutosti i vodopropusnosti nakon zbijanja. Pri tome se mora uzeti u obzir svrha nasipavanja i zahtjeve moguće konstrukcije koja će se izgraditi na nasipanoj podlozi. Geolog treba obaviti preliminarna istraživanja terena i pronaći položaje potencijalnih nalazišta; slijede istražna bušenja iz kojih se vade poremećeni i neporemećeni uzorci koji se klasificiraju, odredi im se prirodna vlažnost, a neporemećenim se uzorcima odredi jednoosna čvrstoća. Detaljnija istraživanja uključuju iskop istražnih jama i, eventualno dodatnih bušotina, kako bi se odredila količina raspoloživog materijala. Na reprezentativnim se uzorcima (prema EC 7/1): Atterbergove granice, granulometrijski sastav, vlažnost i prirodni porozitet, otpornost na drobljenje, mogućnost zbijanja, plastičnost, sadržaj organskih tvari, kemijsku agresivnost, učinke zagađenja, topivost, podložnost promjenama volumena (gline osjetljive na bubrenje ili materijali skloni urušavanju), učinke smrzavanja, otpornost na trošenje, učinke iskopa, prijevoza i ugradnje, mogućnost cementiranja nakon ugradnje (npr. šljaka iz visoke peći). Ugradljivost zemljanih materijala se ispituje na uzorcima u laboratoriju i na probnim poljima na terenu. “Najpopularniji” način ispitivanja ugradljivosti je Proctorov pokus. U tom se pokusu uzorci zbijaju s kontroliranom energijom i određuje se vlažnost koja daje maksimalnu gustoću tla. Na takvim se uzorcima obavljaju i drugi pokusi kojima se određuju mehanička svojstva materijala kao što su stišljivost i čvrstoća. 4.2 Laboratorijsko mjerenje ugradljivosti i zbijenosti materijala 4.2.1 Proctorov pokus Iskustvo je pokazalo da se materijal različito zbija za razne vlažnosti i energije zbijanja. Energija zbijanja bi trebala odgovarati energiji ugradnje raznih strojeva za zbijanje na terenu. R.R.Proctor je standardizirao postupak ugradnje uzoraka u laboratoriju koji je približno odgovarao (prema iskustvu) tadašnjim strojevima (krajem tridesetih godina). Strojevi su s vremenom imali sve veću masu, pa je kasnije standardiziran i tzv. modificirani Proctorovo pokus, s većom energijom zbijanja. Podaci o standardnom i modificiranom Proctorovom pokusu navedeni su u tab. 4.2-1. Mehanika tla ♦ interna skripta 51

×