1. Predavanje MT

Mehanika tla i stijena Vlasta Szavits-Nossan

str. 1 1. predavanje UVOD U MEHANIKU TLA

Građevine se izgrađuju na tlu (npr. temelji), u tlu (npr. tuneli) i od tla (npr. nasipi i nasute brane). Tlo je jedan od najvažnijih građevinskih materijala, koji se koristi u prirodnom stanju za temeljenje ili iskope, ili se zbija za izgradnju nasipa i brana. Tlo je agregat minerala različitog kemijskog sastava i veličine. Suhi pijesak, primjerice, možete

sipati poput vode, dok od vlažnog pijeska možete graditi dvorac na plaži. Glina se ponaša poput plastelina. Možete je usporediti s maslacem. Ako glini dodate puno vode, ona će teći poput tekućine, kao rastopljeni maslac, dok je glina s malo vode krta i lomi se kao hladan maslac.

Zadaća je mehanike tla da izučava mehanička svojstva tla i pronalazi odnose i zakonitosti među svojstvima, najbolje eksperimentalne i analitičke postupke da se svojstva utvrde, te pogodne postupke za određivanje utjecaja mehaničkih svojstava tla na stabilnost i uporabivost geotehničkih konstrukcija. Za pravilno projektiranje građevinske konstrukcije na nekoj zadanoj lokaciji važno je poznavati mehanička svojstava tla i njihovu razdiobu u okolini tog zahvata (bočno i u dubinu tla) i to do udaljenosti na kojoj svojstva lokalnog tla mogu imati bitan utjecaj. Važno je utvrditi postupke primjenom kojih će se unaprijed nepoznata mehanička svojstva lokalnog tla pouzdano i ekonomično odrediti. Zbog složenih i nadasve raznolikih uvjeta nastanka, svaka lokacija na kojoj se izvodi neki građevinski zahvat praktički je unikatna. Svaka vrsta tla zahtijeva primjenu odgovarajuće tehnologije za njezino ispitivanje. Tehnologija koja je, primjerice, primjerena za ispitivanje mekih glina, neće biti primjenljiva za ispitivanje šljunaka i obratno. Nadalje, tehnologije tehno logije koje su primjerene za jednu vrstu mehaničkih svojstava nisu pogodne za utvrđivanje nekog neko g drugog drugo g svojstva za istu vrstu tla.

Iz navedenih je razloga u mehanici tla nužno razvijen poseban pristup i metodologija rješavanja problema. Osnovne elemente te metodologije prikazao je Burland (1987) pomoću trokuta mehanike tla prikazanog na slici 1-1. U ovom su trokutu tri osnovna elementa metodologije mehanike tla: mehanička svojstva tla, profil tla, i primijenjena mehanika, dok je empirijsko znanje, odnosno iskustvo, poveznica, koja ko ja ova tri elementa povezuje u praktički primjenljivu disciplinu. Profil tla je prostorni raspored svih slojeva u tlu koje karakterizira slično porijeklo

i slične mehaničke karakteristike, zajedno s njihovim svojstvima koja su bitna za planirani zahvat. Profil tla je rezultat planiranja, provedbe i interpretacije rezultata

istražnih radova na mjestu budućeg građevinskog zahvata. Mehanička svojstva tla u profilu utvrđuju se laboratorijskim pokusima na pokusima na reprezentativnim uzorcima tla, pokusima tla, pokusima na terenu terenu ("in situ") te opažanjima relevantnih veličina na terenu ti jekom jekom odvijanja geotehničkog zahvata. Primijenjena mehanika daje prikladne postupke analiza geotehničkog zahvata i geotehničke građevine koristeći ponašanje idealiziranih materijala u profilu tla. Empirija ili iskustveno znanje potvrđuje primjenljivost i pouzdanost ili ispravlja i prilagođuje idealizirane postupke primijenjene mehanike postojećim iskustvima.


str. 2 1. predavanje Profil tla (lokalne karte, raspored i opis slojeva, prilike u podzemnoj vodi, prilike na lokaciji – lokaciji – padavine, padavine, vodotoci, …, mineraloški i kemijski sastav tla i vode, geološke karakteristike, i slično)

empirijsko znanje (usporedivo iskustvo - usporedbe s uspješno izvedenim sličnim zahvatima na bliskoj lokaciji

Mehanička svojstva tla

Primijenjena mehanika

(gustoća, vlažnost, plastičnost, zasićenost,

(teorijske postavke problema i postupci

granulometrijski sastav, sastav, oblik zrna, čvrstoća,

njihovog rješavanja: procjeđivanje,

propusnost, konsolidacijska svojstva i slično)

slijeganje i nosivost temelja, interakcija konstrukcija-tlo, konstrukcija-tlo, stabilnost kosina i sličn o)

Slika 1-1. Burlandov trokut mehanike tla: elementi metodologije rješavanja inženjerskih problema u mehanici tla (Burland 1987)

Metodologija rješavanja geotehničkih problema povezuje navedene Burlandove elemente na sljedeći način. Istražnim se radovima utvrđuje profil tla na lokaciji buduće građevine. Prema vrstama tla i karakteristikama geotehničkog problema izabiru se pr imjerene imjerene teorije i njima odgovarajući postupci analize problema (primijenjena mehanika tla), u laboratoriju i na terenu izvode se pokusi kojima se određuju svojstva tla koja traže izabrane teorije i koja se pridružuju na odgovarajući način profilu tla, te se zatim provode analize predviđenog zahvata kojima se provjerava zadovoljavanje kriterija sigurnosti, uporabivosti i ekonomičnosti buduće građevinske konstrukcije. Čitav taj postupak se podvrgava posredno ili neposredno kriterijima empirijskog znanja (ili

iskustva), posredno tako da se u analizama koriste samo one teorije i postupci čija je uspješnost potvrđena u praksi ili kroz pokuse, a neposredno tako da se analize ispravljaju koristeći usporedivo iskustvo s ponašanjem uspješno izvedenih građevina ili modela. Unatoč istražnim radovima i laboratorijskim ispitivanjima, treba uzeti u obzir da profil tla nastaje na osnovi vrlo oskudnih podataka o slojevima tla, iz njihovih pojedinih točaka u kojima su izvađeni uzorci tla. Zato se često i sve više u projektiranju

geotehničkih konstrukcija primjenjuje takozvana metoda opažanja. U toj metodi se planirano geotehničko rješenje problema, utvrđeno na temelju dostupnih podataka o profilu tla, prilagođava na osnovi novih saznanja stečenih interpretacijom opažanja i m jerenja ponašanja građevinske konstrukcije i temeljnog tla tijekom izvođenja građevinskog zahvata. Time se procijenjeni rizik stalno drži na razumno niskoj vrijednosti, a projektirano se rješenje prilagođava tako da se osigura stabilnost konstrukcije, odnosno da se mjereno ponašanje konstrukcije zadrži u okvirima unaprijed zadanih kriterija.


str. 3 1. predavanje

Voda u tlu ima vrlo značajnu ulogu. Voda umanjuje vrijednost ukupnih naprezanja u tlu od njegove vlastite težine, u skladu s Arhimedovim zakonom. Ova, umanjena naprezanja, odgovorna su za pomake i relativne deformacije u tlu, primjerice,

pri vanjskom opterećenju tla. Ako voda struji kroz tlo, ova se naprezanja time također mijenjaju. Za istu vrstu tla, količina vode u njemu diktira njegovo ponašanje. Tlo se pojavljuje na površini Zemlje pod utjecajem vremenskih i klimatskih uvjeta na stijene. Početak procesa nastajanja tla iz stijena zovemo rastrožbom ili trošenjem stijena trošenjem stijena.. Inženjerska svojstva tla u velikoj mjeri ovise o geološkom porijeklu tla tako da je poznavanje geologije neophodno za geotehničko inženjerstvo. Zemljina kora sadrži od 25 km do 50 km tla i stijene. Tlo se rijetko gdje pojavljuje ispod dubine od oko 300 m. Geološki staro tlo je obično kruto i čvrsto, dok je mlađe tlo meko i slabo te se rijetko pojavljuje ispod dubine od oko 30 m. Trošenje stijena, u procesu nastanka tla, rezultat je fizikaln je fizikalnih, ih, kemijskih i bioloških procesa, pri čemu nastaje otpadni materijal različite veličine, sastava i oblika . Fizikalni procesi uključuju rasterećenje stijene stijene od izdizanja zemljine kore ili erozije, termičko širenje i skupljanje stijene uslijed stijene uslijed promjena temperature zraka, smrzavanje zraka, smrzavanje vode i kristala u stijeni, što izaziva lomljenje stijene, djelovanje gravitacije na stijenu pri čemu se lome dijelovi stijene i organsku aktivnost , pri čemu korijenje biljaka svojim širenjem u pukotinama lomi stijenu.

Kemijski procesi trošenja djeluju na minerale u stijeni. Većina se kemijskih procesa odvija uz prisutnost vode. Upijanje vode preko površine stijene naziva se +

-

hidratacijom. hidratacijom. Hidroliza je Hidroliza je kemijska reakcija minerala u stijeni s ionima H i OH iz vode, koji prodiru u minerale stijene. Tamo često zamijene katione minerala, što je važna kemijska reakcija pri stvaranju gline, poznata kao zamjena kao zamjena kationa. kationa. Oksidacija (gubitak Oksidacija (gubitak elektrona kod kationa) i redukcija (dobitak elektrona) česti su procesi trošenja koji ovise o količini kisika otopljenog u vodi. Karbonacija je spajanje ugljičnih iona ugljičnog dioksida iz atmosfere s mineralima u stijeni. Od bioloških procesa trošenja najvažniji je proces raspadanja uginulih biljaka i životinja. Trošenjem ostataka biljaka uz prisutnost vode nastaje vrsta tla vlaknaste strukture koja se naziva tresetom. tresetom. Bakterije u tlu i atmosferi sudjeluju u važnim biološk im im procesima u nastanku tla. Osim sastava stijena te njihove mehaničke i kemijske stabilnosti, vanjski utjecaji,

kao što su oborine, temperatura, ledenjaci, vodotoci, vjetar, morske struje i valovi, razina mora, živi organizmi kao i sastav plinovitog omotača Zemlje, bitno određuju način i intenzitet trošenja stijena. Proizvodi trošenja stijene podložni su otkidanju od izvornih blokova (eroziji (eroziji), ), prijenosu (transportu (transportu) i taloženju ( sedimentaciji). sedimentaciji). Tla koja su nastala i ostala na mjestu svog nastanka nazivamo rezidualnim. rezidualnim. Tako nastaju rezidualni pijesci, rezidualne gline i organska tla nastala trošenjem ostataka biljaka (na primjer treset). Tla koja nastaju transportom i naknadnim odlaganjem proizvoda trošenja stijena nazivaju se transportiranim tlima. tlima. Na prijenos proizvoda trošenja stijena najviše ut j ječu površinski vodotoci, zatim ledenjaci, vjetar i gravitacija. Prateći neku rijeku, može se uočiti da ona u gornjem toku otpušta šljunak, u srednjem toku pijesak, a kad poplavi u nizini, talože se najsitnije čestice, prašina i glina (zbog promjene brzine vodotoka). Tijekom prijenosa, moguće je daljnje mehaničko trošenje zrna i čestica ili abrazija.



Primjerice, proizvodi trošenja stijena prenošeni vodom obično su zaobljeni, dok su oni prenošeni vjetrom uglasti. Tako je glavni učinak prijenosa, razvrstavanje zrna i čestica po veličini i njihova abrazija. Taloženjem nastaju naslage tla koje se nazivaju sedimentima nazivaju sedimentima.. Promjenom uvjeta taloženja nastaju slojevi tla, međusobno različitih karakteristika, koji su ponekad tako tanki da ih se jedva otkrije (proslojci tla). Taloženjem iz tekuće vode nastaju aluvijalni (prah i pijesak) i fluvijalni fluvijalni sedimenti (pijesak i šljunak). Kada voda dođe do jezera, nastaju jezerski nastaju jezerski sedimenti sediment i koji se obično sastoje od mekanih sitnozrnatih tala. Na uvjete taloženja imala je ulogu i p romjena visine mora, koja nastaje od otapanja leda nakon završetka ledenog doba. Sedimenti nastali u moru nazivaju se marinskima, marinskima, a obuhvaćaju obalne pijeske i šljunke nastale djelovanjem valova te marinske sitnozrnate sedimente nastale taloženjem, koji su često vrlo mekani. Ako su se, zbog rasterećenja nakon otapanja ledenjaka u interglacijalno doba, sitnozrnati marinski sedimenti izdigli iznad

površine mora i s vremenom je došlo do zamjene slane vode slatkom u tlu, nastaje tlo vrlo nestabilne strukture. To su poznate skandinavske „brze“ gline. Promjena kemijskog sastava vode pretvara inače stabilnu strukturu čestica takvog tla u nestabilnu, čija je karakteristika veliki gubitak čvrstoće i pri malim poremećajima, tako da se relativno kruto tlo pretvara u viskoznu tekućinu. Dok površinski vodotoci, morske struje i valovi razvrstavaju zrna i čestice tla po veličini, ledenjak pri svom gibanju odlaže komade vrlo različitih dimenzija, od sitne prašine do velikih gromada. Sedimenti nastali djelovanjem ledenjaka nazivaju se glacijalnim. Tipični glacijalni sediment je morena. morena. Sedimenti nastali djelovanjem vjetra nazivaju se eolskim. Tipični takav sediment je les les i najrašireniji je pojedinačni sediment kvartara. Čine ga pretežno prašine s malo glinenih čestica i zrna pijeska. Među eolske sedimente spadaju i pješčane dine koje se sastoje iz zrna pijeska sličnih dimenzija. Gravitacijski ili koluvijalni sedimenti nastaju djelovanjem gravitacije (klizanje kosina, odroni i slično), a uključuju talus, koji se sastoji od nerazvrstanih nakupina komadića stijena u podnožju kamenih litica, te proizvode ispiranja s planina, koji se obično sastoje od pjeskovitih glina i uglavnom su nestabilni. Posebni vrstu čine organska tla. Ova tla sadrže veliku količinu raspadnutih biljnih i ži votinjskih ostataka. Obično su n astala kao riječni ili jezerski sedimenti, tamne su boje i neugodna mirisa. Treseti su tamno smeđi spužvasti materijali nastali raspadom vegetacijskog pokrivača, koji najčešće imaju vlaknastu ili bezličnu strukturu, ovisno o stupnju raspadanja biljaka. U slučaju velikog stupnja raspadanja, treset prelazi u organsku glinu. Osim u slučaju treseta, tlo se sastoji od zrna i čestica, koje tvore povezanu, ali labavu strukturu, te vode i plina, obično zraka, koji ispunjavaju šupljine ili pore među česticama (slika 1-2). Labava struktura zrna i čestica tla razlikuje tla od stijena. Naime, gruba podjela na tla i stijene može se učiniti tako da među tla uključimo one materijale koji se mogu drobiti ručnim alatima, dok za stijene to nije slučaj. Struktura tla sastavljena od zrna i čestica naziva se skeletom tla. tla. Zrna i čestice tla drže se zajedno zahvaljujući silama koje djeluju među njima, prvenstveno na mjestima njihovih kontakata. Ove sile skeletu tla daju određenu krutost i čvrstoću, a mogu biti raznorodne, od reaktivnih sila izazvanih težinom čestica u polju sile teže, teže, preko kapilarnih sila od sila od vode u porama tla te električnih sila na rubovima čestica i u vodi. Relativni odnos ovih sila prvenstveno ovisi



o veličini čestica i zrna: u šljuncima i krupnim pijescima dominirat će gravitacijske sile, u sitnim pijescima i prašinama kapilarne sile, a u glinama kapilarne i električne sile. Svi ovi složeni odnosi sila među česticama, zajedno s interakcijom čestica s vodom i plinom u porama te svo jstvima samih čestica, utječu na mehanička svojstva tla, koja o pažamo u pokusima ili pri izgradnji i korištenju građevinskih konstrukcija. šupljina

zrno

zrno

zrno

zrno

Slika 1-2. Zrna tla i

šupljine (pore) između njih

Osnovna podjela tala po vrstama i veličini zrna odnosno čestica je na šljunak šljunak , pijesak , prah, prah, glinu i treset . Šljunci i pijesci se sastoje od zrna koja su vidljiva prostim okom. Najmanja zrna pijeska, na granici s prahom, imaju promjer od 0,06 mm. Za prah

također možemo reći da se pretežno sastoji od zrna, koja, međutim, nisu vidljiva prostim okom. Glina se sastoji od čestica, koje su pretežno plosnate, a mogu biti cjevastog ili štapićastog oblika. Jedna ili dvije dimenzije čestica gline bitno su manje od treće dimenzije. Tablica 1-1 prikazuje uobičajenu podjelu zrna i čestica tla po veličini. Za pamćenje te podjele korisno je primijetiti da se ona temelji na izmjeni brojeva 2 i 6. Granica od 0,06 mm, granica je između krupnozrnatog (šljunak i pijesak) i sitnozrnatog (prah i glina) tla. Zrna većeg promjera od 60 mm pripadaju valuticama. Tablica 1-1. Podjela zrna i čestica tla po veličini opis tla vrsta tla krupnozrno krupni šljunak srednji sitni pijesak krupni srednji sitni sitnozrno prah krupni srednji sitni glina

promjer zrna (mm) 60 - 20 20 - 6 6-2 2 - 0,6 0,6 - 0,2 0,2 - 0,06 0,06 - 0,02 0,02 - 0,006 0,006 - 0,002 < 0,002

Veličina zrna i čestica ima bitan utjecaj na ponašanje tla. Dok su električne sile ovisne o veličini površine veličini površine čestice, gravitacijske sile ovise o masi zrna. Stoga je za odnos utjecaja električnih i gravitacijskih sila bitan odnos površine i mase čestica i zrna tla. Kod



vrlo malih plosnatih čestica, kao što su minerali glina, dolazi do dominacije površinskih

električnih sila nad silom težom. Takve se čestice mogu držati zajedno i u suhom stanju. Ova sposobnost međusobnog pridržavanja čestica naziva se kohezijom, a tla koja pokazuju to svojstvo, poput gline, ponekad se nazivaju n azivaju koherentnima. Tla koja nemaju to

svojstvo ponekad se nazivaju nekoherentnima. Primjer su čisti šljunci, čisti pijesci i čisti prahovi. Međutim, i zrna, primjerice pijeska i praha, mogu se držati zajedno kada su vlažna (sjetite se izgradnje dvoraca od vlažnog pijeska). No, sile koje ih pridržavaju nisu električne već kapilarne, između površine zrna i kapilarnog meniska - tankog sloja na granici vode i zraka, koji nestaje kada se tlo potpuno osuši. O kapilarnosti u tlu bit će riječi u trećem poglavlju. To znači da i nekoherentna tla mogu pokazivati svojstvo kohezije zbog kapilarnog djelovanja vode. Iz tog je razloga poželjno izbjegavati pojmove koherentna i nekoherentna tla unatoč suprotnoj široko rasprostranjenoj praksi. Kapilarno djelovanje vode to je više izraženo što su pore u tlu manje. Veličina pora ovisi o veličini zrna i čestica tla. Tlo sastavljeno od malih čestica ima pore manje veličine u odnosu na zrnata tla. Kapilarne sile, koje se javljaju na sučelju vode i zraka u tlu, obratno su proporcionalne veličini pora. To znači da je potencijal kapilarnih sila to veći što su pore manje. Kapilarne sile počinju dominirati nad silama gravitacije kod zrna promjera manjih od oko 1 mm. Zbog toga je za razumijevanje mehaničkih svojstava tla bitan i podatak o specifičnoj površini zrna ili čestica, definiranoj kao odnos površine prema masi zrna ili čestice. Specifična površina bitno raste kako veličina zrna ili čestice pada.

Oštrina bridova zrnatih tala opisuje se stupnjem zaobljenosti zrna, kako prikazuje slika 1-3. Stupanj zaobljenosti zrna ima utjecaj na mehaničko ponašanje tla. Oblik zrna može se opisati pomoću različitih parametara. Pokazuje se korisnim parametar, koji se naziva zaobljenost zrna , koji se definira kao omjer prosječnog polumjera zakrivljenosti površine zrna i polumjera najveće kugle koja to zrno opisuje. Za oblike zrna sa slike 1-2, zaobljenost se kreće linearno od 0.1 za uglata do 0.9 za dobro zaobljena zrna.

uglast

poluuglast

poluzaobljen

zaobljen

dobro zaobljen

Slika 1-3. Kategorije uglatosti zrna



Obzirom na veliku raznolikost stijena i procesa trošenja, tlo može sadržavati gotovo svaki element koji se nalazi u zemljinoj kori. Međutim, daleko najzastupljeniji su kisik, silicij, vodik i aluminij. Ovi elementi, zajedno s kalcijem, natrijem, kalijem, magnezijem i ugljikom čine preko 99% tala na Zemlji. Atomi ovih elemenata sastavljaju

različite kristalne oblike koji tvore strukturu minerala tla. Šljunak i i pijesak, a pretežno i prah, sastavljeni su od zrna. U većini zrnatih tala kvarc je najzastupljeniji mineral, koji je sastavljen od silikatnih tetraedara, to jest

istostraničnih piramida s četiri vrha u kojima je po jedan atom kisika, dok se u težištu piramide nalazi jedan atom silicija. Ovakva tetraedarska struktura vrlo je stabilna, što objašnjava veliku prisutnost kvarca u zrnatim tlima. Tetraedri su međusobno povezani u spiralnu strukturu. Ilit , montmorilonit, kaolinit , halojsit i klorit tipični su minerali glina, kojima su

pretežni sastojci silicijevi, aluminijski, kalcijevi, magnezijevi, natrijevi i drugi metalni spojevi. Čestice glina pretežno su sastavljene od minerala u kojima su silikatni tetraedri povezani u listićavu strukturu. Listićave jedinice mogu nadalje biti usko sljubljene (kao u kaolinitu) ili se među njima može naći, primjerice, sloj molekula vode (kao u halojsitu). Ilit, montmorilonit i klorit sastoje se od trolistićnih struktura, u kojima listići nisu sljubljeni. Većina glina nastalih taloženjem, mješavina su kaolinita i ilita , s promjenl jivom jivom količinom montmorilonita. Gline nastale kemijskim trošenjem stijena mogu još sadržavati halojsite i klorite. Listićavost minerala glina ima za posljedicu da oni imaju vrlo veliku specifičnu površinu. Karakter veze među listićima bitno utječe na ponašanje minerala glina. Kad su te veze slabe, među listiće se uvlače molekule vode i minerali povećavaju svoj volumen, odnosno oni bujaju. Najveći potencijal bujanja ima montmorilonit, dok kaolinit ne buja. Vrlo bujajući glinoviti materijali mogu izazvati velike probleme u geotehnici, posebno kada se radi o obiteljskim kućama izgrađenim na temeljnom tlu koji sadrži montmorilonit. Takve kuće mogu doživjeti velika oštećenja, do neuporabivosti, tijekom bujanja montmorilonita.

Velikim povećanjem pod elektronskim mikroskopom moguće je dobiti uvid u strukture sastavljene i iz najsitnijih čestica tla – minerala glina. Kod sitnozrnatih tala različite se strukture stvaraju ovisno o nastanku i uvjetima taloženj a čestica. Jednu takvu pojednostavljenu podjelu prikazuje slika 1-4, koja strukture dijeli na dispergirane, flokulirane i složene. Prvu strukturu karakterizira relativno stabilan razmještaj gusto složenih čestica, a karakteristična je za sitnozrn ata tla taložena u slatkoj vodi koja je

siromašna kationima. Drugu strukturu karakterizira relativno nestabilan i rahli razmještaj čestica, koji se lako može narušiti pod narušiti pod opterećenjem. Ova je struktura karakteristična za taloženja u moru, u vodi bogatoj kationima. Treću skupinu čine složene strukture, koje se sastoje od nakupina čestica slična zrnima, što objašnjava slično ponašanje glina i pijesaka u određenim uvjetima. čestica gline nakupina

(a)

(b)

(c)

Slika 1-4. Dispergirana ( a), flokulirana (b) i složena (c) struktura tla


str. 8 1. predavanje REFERENCA

Burland, J. B. (1987). Nash lecture: The teaching of soil mechanics - A personal view. IX European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, ed.: Hanrahan, Orr, Widdis, Dublin, 1427-1447.

1. Predavanje MT

Recommend Documents