Rudarski fakultet, Prijedor Drugi ciklus akademskih studija
Seminarski rad METODE TERENSKIH ISTRAŽIVANJA Predmet: Monitoring sistemi u Mehanici stijena
Predmetni nastavnik: Prof dr Mirko Ivkovi ć Prijedor, februar 2013
Student: Mikanović Radenko Index: 10/2012
SADRŽAJ 1. UVOD....................................................................................... 1 1.1. MEHANIKA TLA I STIJENA...................................... STIJENA............................................................. .................................... ............. 1 1.2. MEHANIKA STIJENA - MEHANIKA TLA, SLIČ NOSTI I RAZLIKE........ RAZLIKE ........ 3 1.3. ISTRAŽNI RADOVI............................................. RADOVI.................................................................... ............................................ ..................... 4 1.4. PLANIRANJE TERENSKIH TERENSKIH ISTRAŽNIH RADOVA................................ RADOVA.................................... .... 5
2. METODE TERENSKIH TERENSKIH ISTRAŽIVAN ISTRAŽIVANJA JA ............ .................. ............ .......... .... 7 2.1. SONDAŽNE JAME ............................................. ..................................................................... ............................................. ..................... 7 2.2. SONDAŽNI BUNARI I GALERIJE.................................... GALERIJE........................................................... ............................. ...... 8 2.3. ISTRAŽNO BUŠENJE ............................................. .................................................................... ........................................ ................. 9 2.4. UZIMANJE UZORAKA.................................................. UZORAKA......................................................................... ............................... ........ 17 2.5. ISPITIVANJA „IN-SITU“ ............................................ ................................................................... .................................. ........... 20 2.6. GEOFIZIČKE METODE .............................................. ..................................................................... .................................. ........... 27 2.7. OSTALE METODE METODE ISPITIVANJE „IN-SITU“ „IN-SITU“ ............................................. ............................................. 28 2.8. PRIKAZ REZULTATA REZULTATA TERENSKIH ISTRAŽIVANJA.............................. ISTRAŽIVANJA..............................28 28
3. ZAKLJUČAK ............ .................. ............ ............ ............ ............ ............ ............. ............. ............ ........... ..... 31 4. LITERATURA....................................................................... LITERATURA ....................................................................... 31
1. UVOD 1.1. MEHANIKA TLA I STIJENA Sve što čovjek napravi, a da to ne leti ili il i ne plovi, oslanja se na tlo ili stijenu. To posebno važi za građevinske objekte. Građevinski objekti, zgrade, brane, putevi, tuneli, kanali, pristaništa, aerodromi i mostovi, grade se na tlu ili stijeni, a često se tlo ili stijena koriste i kao materijali za građenje. Zbog toga ponašanje tla ili stijene na lokaciji objekta, sadejstvo objekta i podloge za vrijeme građenja, kao i posle završetka objekta, znatno uti če na uspjeh, sigurnost i ekonomiju objekta. Prema tome, tlo kao gra đevinski materijal, je isto toliko važno kao beton ili čelik, a „Mehanika tla i stijena“ se bavi svojstvima tla i stijena koja su važna za gra đevinarstvo i druge vidove ljudske aktivnosti na površini i ispod površine zemljine kore. Razumijevanje fundamentalnih principa, koji se opisuju u mehanici tla i stijena, ima za cilj njihovu primjenu u rješavanju tipi čnih problema geotehnike: • ocjena sposobnosti sposobnosti tla ili stijena da primi optere ćenje temelja konstrukcija gra đevinskih objekata, • analiza stabilnosti zemljanih konstrukcija, nasipa i nasutih brana, • određivanje pritisaka tla i stijena na konstrukcije, • prognoziranje kretanja kretanja vode kroz tlo i stijenu, stijenu, • stabilnost padina, potencijalnih ili aktivnih klizišta i drugih kosina, • poboljšanje mehani mehaničkih osobina tla i stijena. stij ena. Mehanika tla se može definisati na više na čina. Na primjer, može se re ći da je mehanika tla tehnička disciplina koja primjenjuje zakone mehanike čvrstog deformabilnog tela i zakone mehanike fluida, odnosno hidraulike na tlo, u građevinskom smislu. Mehanika tla možda i ne li či uopšte na mehaniku, ve ć više na poznavanje materijala. Razlike, u odnosu na pomenute discipline mehanike, postoje bar iz najmanje tri razloga: granice domena u kome se stvarni problem razmatra i grani čni uslovi, koji obično nisu sasvim jasno definisani, realna svojstva materijala su promjenljiva u prostoru koji zauzima masa tla i zavise od napona i istorije napona. Mehanika tla i stijena se bavi, prije svega, mehani čkim ponašanjem manje ili ve će mase tla i stijena, dok se problemi hemijske ili fizi čke prirode u vezi sa mikroskopskim osobinama po jedinačnih zrna ne razmatraju. Može se pomisliti, s obzirom na zrnastu prirodu tla, da bi mehanika granularnih sredina bila primjenljiva i u mehanici tla, ali se pod većim dijelom sadašnje mehanike tla i geotehnike podrazumijevaju pretpostavke mehanike kontinualne sredine i mehanike krutog ili deformabilnog tijela pri opisu fizi čkih modela koji odražavaju najvažnije oblike ponašanja tla i stijena, specifičnog ali i veoma raznovrsnog materijala, za koji fizi čka teorija treba da bude opšte primjenljiva i racionalno prihvatljiva. Geolog, obično prilazi problemu intuitivno, deskriptivno, na globalan i kvalitativan na čin, često više insistiraju ći na problemu nego na rešenju. Kompleksnost problema se prenaglašava, verbalna deskripcija je često obimnija od one koja bi bila relevantna za građevinskog inženjera, numeri čki podaci se daju u veoma širokim intervalima, a pojednostavljenja se prihvataju samo uz izvjesno oklijevanje. Ukoliko se pojednostavljenja i prihvate njima se ne sme dati formalan širi ili opštiji zna čaj od onog koji odgovara realnom i racionalnom okviru podru č ja na koji se odnosi.[1] odnosi.[1]
-1-
Uputno je razmotriti kakve bi kriterijume primjenio inženjer u praksi pri ocjeni i izboru metode u rješavanju konkretnih problema. Mogu se sugerisati tri kriterijuma koji se mogu sumirati kao: • jednostavnost, • pouzdanost u praksi i • mala greška u pore đenju sa raspoloživim tačnijim postupcima Jednostavnost je veoma važna ako metod treba da bude široko prihva ćen od strane inženjera. Metod bi morao biti takav da ga može koristiti i prosje čan inženjer, a da pri tome ima jasan uvid u relativan značaj svih faktora koje metodologija obuhvata. Pojednostavljenje fizi čkih osobina materijala se mora primjeniti sa maksimalnom pažnjom i to samo u onoj mjeri koja je neophodna za prakti čnu realizaciju analize. Jednostavnost, u obliku zahtjeva od prije četrdesetak godina, kada je logaritmar bio osnovno ra čunsko sredstvo inženjera, sada svakako nema isto praktično značenje, ako se ima u vidu revolucionarni tehnološki razvoj u podru č ju automatske obrade podataka i primjenu ra čunara. Pouzdanost se u praksi može ocjenjivati na više razli čitih načina. Prvi način, koji podrazumi jeva da su konstrukcije, projektovane određenom metodom, stabilne, predstavlja samo nenegativan dokaz. Pri tome se podrazumijeva da su zadovoljena polu-empirijska pravila, obi čno data različitim standardima i pravilnicima, čije se implikacije često ne mogu kvantifikovati, te nema indikacija o deficitu racionalnosti i ekonomi čnosti, koji su prateća pojava prevelikih faktora sigurnosti. Drugi način za provjeru pouzdanosti bi podrazumijevao dokaz da izmjereni naponi odgovaraju izračunatim veličinama. Ova provjera nije mogu ća u graničnoj analizi ako faktor sigurnosti nije jednak jedinici, tj., ako nije došlo do loma, a pri radnom nivou napona mjerenje napona u masi tla je vezano sa mnogim eksperimentalnim i interpretacionim teškoćama. Koncept napona je apstraktnog karaktera, dok je fizi čka realnost vidljiva samo u obliku deformacije ili pomjeranja. Merenja pornih pritisaka su mogu ća sa znatno ve ćom pouzdanošću. Zato je takva vrsta prov jere i jedna od najvažnijih u povratnim analizama nekih realnih problema u praksi. Treći način podrazumijeva provjeru i komparativnu analizu slučajeva za koje se pouzdano zna daje faktor sigurnosti jednak jedinici. Ovo je, svakako, i veoma pouzdan i impresivan test, koji opravdava interesovanje specijalista za slu čajeve incidentnih rušenja razli čitih objekata u građevinskoj praksi. Kriterijum o maloj i dopustivoj grešci u odnosu na raspoložive ta čnije postupke, ima sada znatno manju težinu u odnosu na važnost koja se pridavala ovom kriterijunm prije tridesetak godina. Rasprostranjenost i pristupa čnost brzih digitalnih računara, sa zna čajnim kapacitetima radne memorije i odgovaraju ćim periferijskim jedinicama, krajem šezdesetih i po četkom sedamdesetih godina u našoj zemlji omogu ćava da se metode numjeri čke analize praktično afirmišu. Metode granične ravnoteže i metode kona čnih razlika i konačnih elemenata postaju prihvatljive tehnike, lake za upotrebu i zbog toga izuzetno korisne za inženjera, kako u pro jektantskoj, tako i u istraživačkoj praksi. Javlja se mogu ćnost da se prakti čno provedu izuzetno obimni proračuni stanja napona i deformacija o kojima se prije pedesetak godina moglo samo maštati Kao i druge tehničke discipline, mehanika tla i stijena upotrebljava razne rije či od kojih se neke ne čuju u svakodnevnom govoru, neke reci su pozajmljene iz drugih jezika jer ih u našem jeziku nema, a neke reci iz našeg jezika se moraju ponovo definisati radi primjene u mehanici tla. Reci našeg narodnog jezika, kao što su glina, pijesak, šljunak, vremešan, kao i mnoge druge koje se upotrebljavaju u svakodnevnom govoru, ali i u mehanici tla, mogu imati različito značenje zavisno od konteksta.
-2-
Terminologija mehanike tla i stijena je zaokružena na engleskom jeziku koji se u najve ćoj mjeri koristi u objavljivanju stručnih i naučnih rezultata u časopisima i na me đunarodnim stručnim skupovima Širom svijeta. U spisku simbola na kraju ove knjige navode se i neki izvorni izrazi iz kojih skraćenice potiču, kako bi se izbjegla upotreba stranih re či u samom tekstu. Većina, oznaka i skra ćenica koje je usvojilo „Me đunarodno društvo za mehaniku tla i fundiranje“1, potiču iz engleskog jezika. U me đuvremenu, ova međunarodna organizacija osnovana 1936 god., menja naziv te je sada to „Me đunarodno društvo za mehaniku tla i geotehničko inženjerstvo“2, koja tokom poslednjih šezdesetak godina u pravilnim vremenskim razmacima organizuje svijetske i regionalne nau čne i stručne skupove na kojima se objavljuju rezultati i dostignuća iz ove oblasti. Naša zemlja je punopravna članica ove međunarodne organizacije već preko pedeset godina.
1.2. MEHANIKA STIJENA - MEHANIKA TLA, SLI ČNOSTI I RAZLIKE Što se smatra stijenom, a šta tlom? Termin stijena, geolozi primjenjuju na sve konstituente zemljine kore. Oni govore o konsolidiranoj stijeni (stijena) i nekonsolidiranoj stijeni (tlo). Geotehni čki inženjeri pod terminom stijena podrazumijevaju tvrde ( hard ) i krute ( solid ) formacije zemljine kore dok pod tlima smatraju produkte trošenja stijena. Često puta se, u svakodnevnoj inženjerskoj praksi, stijenom smatraju krute i koherentne supstance koje se ne mogu kopati manualnim metodama. Emery pod stijenom smatra granulirani materijal sastavljen od zrna i ljepila. Pod ljepilom smatra različite vrste cementnih supstanci. Terzaghi definiše tlo kao sedimente i druge nekonsolidovane akumulacije krutih čestica proizvedenih mehani čkom ili hemijskom dezintegracijom stijena. Na ovaj na čin stijena i tlo se razlikuju u stepenu konsolidacije i u ograničenju veličine čestica.[2] I tlo i stijena se sastoje od mineralnih zrna s tim da stijenu karakterizuje neuporedivo veći ste pen povezivanja (cementacije). Glavna razlika izme đu tla i stijena je prisustvo diskontinuiteta u stijenskoj masi koji imaju odlu čujući efekt na njeno ponašanje. U pore đenju s tlom, stijenska masa posjeduje niži stepen slobode kretanja. Kretanje blokova generalno se doga đa paralelno s linijama presjecanja razli čitih sistema diskontinuiteta, a rotacija blokova doga đa se u nekim posebnim slučajevima. Diskontinuiteti, kao glavna odlika stijenske mase, kontrolišu vodopropusnost i po kapacitetu i po orijentaciji. Šta više, stati čko kao i dinami čko djelovanje vode na krutu fazu u tlu i stijenama je razli čito. Kod tla, to je uglavnom izotropni porni pritisak, dok u stijenama on ima anizotropan karakter (orijentisan pritisak vode u pukotinama)[2]. Gdje je granica između tla i stijena? Ove granice nema. Postoje ipak neke klasifikacije koje kao granicu usvajaju neko od mehani čkih svojstava. Tako Bieniawski (1973) i ISRM3 (1979) stijenama smatraju materijale s jednoosnom tla čnom čvrstoćom većom od 1 MPa. Broch i Franklin (1972) i Jennings (1973) ovu granicu pomjeraju na 0.7 MPa a Geološko udruženje na 1.2 MPa ( Bieniawski, 1989). Evo nekoliko definicija tla i stijena: • Tlo ( soil-earth) - sedimentne ili druge nekonsolidirane akumulacije krutih čestica nastale fizikalnom i kemijskom dezintegracijom stijena i koje mogu a ne moraju sadržavati organske tvari (ASTM D:653-88) 4
1
ISSMFE -International Society for Soil Mechanics and Foundation Engi-neering
2
ISSMGE -Intemational Society for Soil Mechanics and Geo-technical Engineering
3
ISRM - International Society for Rock Mechanics
4
ASTM - American Society for Testing and Materials
-3-
•
•
•
•
Stijena (rock ) - bilo koji prirodno formirani agregat minerlanih tvari koji se pojavljuju u velikim masama ili fragmentima (ISRM, 1975; ASTM D:653-88) Kamen ( stone) - lomljen (crushed ) ili prirodno angularne čestice stijena (ASTM D:653-88) Intaktna stijena (intact rock ) je materijal stijenske mase, tipi čno predstavljen cijelom jezgrom iz bušotine koja ne sadrži guste strukturne diskontinuitete (ISRM, 1975) Stijenska masa (rock mass) je stijena kakva se javlja in-situ, uklju čujući njene strukturne diskontinuitete (ISRM, 1975)
Termin „stijena“ pokriva ogroman broj razli čitih varijeteta. Samo po parametru jednoosne čvrstoće, stijene pokrivaju podru č je od 1 do više stotina MPa. Granit se ponaša kao krt ( brittle) i elastičan u troosnom ispitivanju kod bo čnog pritiska od nekoliko stotina Mpa, dok kar bonatne stijene postaju plasti čne kod srednjih pritisaka i teku kao gline. Kompaktni komadi znatno slabe kod potapanja u vodu, gips i so se otapaju u vodi, ugalj gori u podzemlju, mnoge stijene značajno bubre u kontaktu s vodom. Kao što je važnost mehanike tla neosporna u inženjerstvu tla isto to vrijedi za mehaniku stijena u inženjerstvu stijena. Mehanika tla se kao posebna naučna i inženjerska disciplina pojavila prije mehanike stijena. U po četku su se principi mehanike tla pokušali primijeniti i na stijensku masu. Ve ć tada se pokazalo da je to moguće samo u nekim specijalnim slu čajevima. U razvoju mehanike stijena postojala je tendencija da se mehanika stijena tretira kao grana mehanike tla i kako kaže Müller (1974) da se mehanika stijena podredi mehanici tla. Me đutim, uprkos prihvatljivosti nekih bazi čnih princi pa, postoje ključna sporna pitanja koja razlikuju ove dvije znanstvene i inženjerske discipline.
1.3. ISTRAŽNI RADOVI Svrha geotehničkih istražnih radova je da se obezbijede pouzdane informacije o tlu (ili stijeni) u područ ju gra đenja. Cilj je da se odredi prostorni položaj (dubine, debljine i prostiranje) po jedinih slojeva tla i stijena, kao i dubine nivoa podzemne vode i obezbijediti podatke o inženjerskim osobinama, kao što su čvrstoća i deformabilnost tla i stijena i drugi pokazatelji ponašanja tla i stijena u prirodnim uslovima i u uslovima nastalim izgradnjom objekta. Samo sa pouzdanim i korektnim podacima se, na primjer, mogu odrediti uslovi izgradnje ob jekta, projektovati racionalno rešenje temeljenja i prognozirati njegovo ponašanje u interakciji sa tlom, prognozirati uticaj građenja na susedne objekte i na opštu stabilnost terena ili ustanoviti druge podatke koji omogućuju adekvatnu analizu pojedinog prakti čnog geotehni čkog zadatka. Korektno izvedeni geotehni čki istražni radovi omogućuju da se, na primjer, izabere adekvatan način temeljenja građevinskog objekta, da se uo če problemi koji bi mogli nastati tokom izvođenja iskopa za temeljenje ili da se projektuju i izvedu sanacione mere za stabilizaciju klizišta ili da se utvrde koli čine i kvalitet materijala na potencijalnim pozajmištima. Kod nas je ova oblast geotehnike u poslednjih tridesetak godina u specifi čnoj situaciji, koja nije karakteristična za većinu zemalja u svijetu, gdje se jasno razlikuje geotehnika od geologi je i inženjerske geologije. Kod nas se geotehni čkim projektovanjem, bave i inženjeri geologije u znatno većoj mjeri nego u zemljama zapada, što gra đevinskim inženjerima geotehnike veoma otežava posao u podjeli zadataka i odgovornosti koje iz bavljenja ovim poslom proizlaze. Samo u našoj zemlji, i ni u jednoj drugoj u razvijenom svijetu, neki geolozi se predstavljaju kao inženjeri geotehnike. U svim razvijenim zemljama Evrope, Sjeverne Amjerike i u zemljama Južne Amjerike, Afrike i južnog dela Azije, inženjerima geotehnike se nazivaju isključivo građevinski inženjeri koji su se obrazovanjem i prakti čnim radom osposobili za rad u ovoj grani građevinarstva.[2]
-4-
1.4. PLANIRANJE TERENSKIH ISTRAŽNIH RADOVA Planiranju terenskih istražnih radova treba pri ći sistematski, da bi se sa minimalnim utroškom sredstava obezbijedili potrebni podaci. Zbog toga je, prije svega, potrebno sakupiti i prou čiti sve raspoložive podatke, po čev od geoloških karata, do rezultata eventualnih istraživanja izvedenih u okolini. U neizgra đenim područ jima mogu biti od koristi postojeće geološke karte u krupnoj razmjeri, fotografije za identifikovanje geomorfoloških oblika, bez obzira da li su one prethodno bile koriš ćene za izradu različitih geoloških ili topografskih karata i planova ili samo prikazuju pejsaž terena ili neke detalje istražnog prostora. Srž svakog terenskog istraživanja je pažljivo planiran program terenskih radova, uzimanja uzoraka i ispitivanja. Realizacija takvog programa treba da obezbijedi sve potrebne podatke za racionalno rješavanje konkretnog geotehni čkog problema, koji je često sastavni dio ukupnog građevinskog projekta. U slučaju većih objekata ili prostranog istražnog podru č ja obi čno se podrazumijeva da istraživanja treba izvesti u fazama, tako da se govori o preliminarnim istraživanjima, glavnim ili detaljnim istraživanjima za izradu projekta i dopunskim ili kontrolnim istraživanjima. Iako u nekim krugovima postoji tendencija da se pomenute faze strogo i formalno propišu, teško da se mogu propisati jednostavna pravila koja bi bila generalno prim jenljiva i važila za sve vrste objekata i sve zamislive prirodne i poslovne okolnosti u kojima treba provesti fazno geotehničko istraživanje. Prije početka terenskih radova potrebno je prošetati po budu ćem gradilištu i njegovoj okolini i vježbati vještinu posmatranja u uo čavanju pojava koje mogu biti od koristi za uspješnu realizaciju istraživanja. Korisno je, osim plana ili karte iztražnog podru č ja, imati i kompas, svesku za bilješke, foto aparat, i džepni noži ć. U izgrađenim područ jima treba sakupiti i podatke o načinu temeljenja i o ponašanju izgra đenih objekata, kao i o pojavama koje su se mogle uo čiti tokom njihovog izvođenja, i druge činjenice koje se zasnivaju na lokalnim iskustvima. Zbog toga je korisno porazgovarati sa stanovnicima, naro čito ako na podru č ju žive duže vrijeme i mogu se setiti veoma korisnih zapažanja, ali sve informacije takvog porekla treba prihvatati kritički i oprezno, jer prise ćanje može biti veoma subjektivno, maglovito i često sasvim laičko i zato zahtjeva stru čnu interpretaciju. Nakon sređivanja tako sakupljenih prethodnih informacija, a imajući u vidu objekat za koji se istraživanja planiraju, postaju jasnije indikacije o preliminarno pretpostavljenoj vrsti tl a, o podacima koji nedostaju ili koji se na lokaciji o čekuju i o eventualnom prisustvu podzemnih voda. Tada se može izraditi program geotehni čkog istraživanja kojim se predvi đa vrsta i obim istražnih radova, vrsta opreme za njegovu realizaciju u skladu sa raspoloživim tehni čkim resursima i oiijentaciono koštanje takvih radova. Osim toga, treba predvidjeti vrstu i kvalifikaci ju radne snage, vrstu, kvalifikacije i ovlašćenja nadzora nad istraživanjima i sve druge elemente koji mogu uticati na kvalitet i cijenu konačnih rezultata geotehničkih istraživanja. U preliminarnoj fazi istraživanja, osim sagledavanja problematike odre đene vrste konkretnog planiranog građevinskog objekta, sakupljaju se postoje ći topografski, hidrološki, klimatološki, geološki i seizmološki podaci, podaci o postoje ćim nadzemnim i podzemnim gra đevinama i objektima infrastrukture (vodovod, kanalizacija, elektri čna i telefonska mreža, itd.), razni arhivski dokumenti i arheološki podaci. Nakon toga se na istražnom podru č ju izvede manji obim rede raspoređenih terenskih istražnih radova, ali uz pokrivanje celog istražnog podru č ja radovima na većim odstojanjima. Uputno je i u ovoj, preliminarnoj, fazi svaki rad izvesti detaljno, uzimanjem odgovarajućeg broja uzoraka za ispitivanje po istražnom radu, (jami ili bušotini) kao da se radi o detaljnim istraživanjima čak iako se pouzdano zna da će se raditi i detaljna istraživanja.
-5-
Loša je praksa da se na rijetko raspore đenim terenskim radovima provode rijetka ili nikakva ispitivanja osim „geološkog kartiranja“ bušotina ili jama. Za glavnu fazu istraživanja postoji niz metoda geotehni čkih ispitivanja, koje zavise od nivoa tehničkog razvoja sredine u kojoj se realizuju. Osim toga, izbor metoda, planiranje odgovara jućih terenskih i laboratorijskih opita, praćenje rezultata tokom izvođenja radova, intervencije tokom izvođenja radi postizanja cilja i kona čno, korektno utvr đivanje relevantnih geotehničkih parametara, predstavlja jedan od najsloženijih inženjerskih zadataka s obzirom da je priroda često veoma komplikovana, teren varijabilan, izbor metoda relativno ograni čen, a rizik, manji ili veći, često neizbježan u svakoj ljudskoj aktivnosti. Nivo uspjeha zavisi od ljudske vještine, znanja, iskustva i imaginacije, ali i od faktora izvan ljudske kontrole. Nažalost, isuviše često se istražni radovi loše planiraju, nemamo izvode, nekompletno prikazuju i pogrešno interpretiraju, tako da rezultati, nekad mnogobrojni i obimni, mogu biti neadekvatni do neupotrebljivosti, a često navode i na pogrešne zaklju čke. Istražni radovi, pomoću kojih bi se dobila pouzdana i korektna predstava o podzemlju, su inženjerski problem koji zahtjeva snalažljivo i inteligentno osoblje obu čeno za rad u geotehni čkom inženjerstvu (Sowers 1979). Teren svakog budu ćeg gradilišta ima svoje osobenosti, a rijetko kad je jedan plan istražnih radova isti kao neki ranije izveden. Zbog toga je važno da se ekipa za izvo đenje terenskih istraživanja snabdije sa pisanim uputstvima o relevantnim aspektima tehni čkih uslova i specifi čnih detalja, kao stoje broj i vrsta uzoraka, intervali izvo đenja penetracionih opita i dr., i da se u toku izvođenja radova obezbijedi kvalifikovani nadzor nad istraživanjima radi kontrole kvaliteta i praćenja realizacije geotehni čkih istraživanja u skladu sa programom. Osim toga, služba nadzora treba da bude u stalnom kontaktu sa budu ćim korisnikom podataka istraživanja, kako bi se, ukoliko bude potrebno, mogla izvršiti odgovarajuća prilagođavanja u toku izvođenja istražnih radova u vezi sa obimom i vrstom ispitivanja.
-6-
2. METODE TERENSKIH ISTRAŽIVANJA 2.1. SONDAŽNE JAME Iskop sondažnih jama (prikazan na Slici 1) je jednostavan i pouzdan metod geotehni čkih istraživanja, ali je dubina na prakti čno horizontalnom terenu, ograni čena na maksimalnu dubinu od 4-5, izuzetno i do 6 m. Ukoliko je teren nagnut tada sondažna jama dobija oblik zasjeka.
Slika 1, Sondažne jame
Uputno je, uvijek kada je to mogu će, i ako se sondažna jama izvodi radi odre đivanja uslova temeljenja zgrade ili nasipa puta, jamu izvesti izvan osnove budu ćeg objekta u neposrednoj blizini njegove konture u osnovi, jer poremećaj mase tla izazvan iskopom jame i pored kontrolisanog zbijanja tla pri zatrpavanju, predstavlja oslabljeno mjesto ili zonu sa karakteristikama koje se razlikuju od svojstava prirodnog temeljnog tla, što može izazvati negativne posledice na budućoj konstrukciji. Izvođenje istražnih jama može biti mašinsko (kašika bagera montirana na traktor prema Slici 1 je najjednostavnija konfiguracija) ili ru čno, ako je radna snaga jeftina ili ako je teren nepristupačan za građevinsku mašinu u toku izvo đenja istražnih radova. Iskopani materijal treba de ponovati najmanje 1 m od ivice iskopa. Prije nego što se ude u jamu radi „kartiranja“, tj. terenske klasifikacije i opisa promjena vrsta tla konstatovanih na stranama iskopa ili uzimanja uzoraka, strane iskopa se moraju osigurati podgradom ukoliko strane iskopa nisu izvedne ste penasto ili se ocjeni da može doći do zarušavanja tla, a dubina jame je ve ća od 2 m. Jame se izvode na način koji omogućava bezbijedan prilaz svim nivoima radi kartiranja i uzimanja uzoraka. Ukoliko se iskop jame vrši i ispod nivoa podzemne vode, a tlo nema malu vodopro pusnost, mora se predvidjeti uklanjanje vode, što može biti veliki trošak ako su dotoci vode veliki, a često je iskop jame do željene dubine u takvim uslovima prakti čno neizvodljiv.
-7-
Izvođenje sondažne jame omogu ćava da se tlo vizualno pregleda tako da se granice slojeva i priroda tla mogu tačno ustanoviti. U važnijim ili složenijim slu čajevima mogu se sa fotografi jama u boji snimiti strane iskopa i prikazati u dokumentaciji istraživanja. U sitnozrnom tlu mogu se ha površinama iskopa vršiti opiti džepnim penetrometrorn prikazanim na Slici 2. koji predstavlja opit nosivosti minijaturnog kružnog temelja na čisto koherentnom tlu, te je skala za mjerenje nenijete sile pri utiskivanju penetrometra baždarena na veli činu jednoaksijalne čvrstoće tla. Nedrenirana čvrstoća se na izloženim stranama iskopa može ispitivati i minijaturnom krilnom sondom koja je baždarena na veli činu nedrenirane smičuće čvrstoće. Pomenuti opiti se ne mogu vršiti u krupnozrnom tlu, ali je opit probnog optere ćenja kružnom pločom praktično izvodljiv u svakoj vrsti tla ili stijene na dnu sondažne jame.
Slika 2, Džepni penetrometar
Osim dovoljnog broja karakterističnih poremećenih uzoraka za klasifikaciona ispitivanja i materijala za ispitivanje uslova zbijanja, ako se radi o budu ćem pozajmištu materijala, mogu se relativno lako vaditi neporemećeni uzorci u sitnozrnom tlu. U slučaju mašinskog izvođenja sondažne jame obi čno se izvede grub iskop, a kada se pri đe mjestu uzimanja neporemećenog uzorka ručni rad je nezamjenljiv kako pri uklanjanju poremećenog tla ili stijene na konturi mašinskog iskopa, tako i u postupku uzimanja uzorka. Mogu se ručno seći kocke željenih dimenzija na stranama iskopa. Kocke su obi čno sa dužinama ivica 15-30 cm. To su neporemećeni uzorci maksimalnog kvaliteta sa minimalnim poreme ćenjem. Sondažne jame su pogodne za istraživanje skoro svih vrsta tla, uklju čujući i ona koja sadrže oblutke i krupno kamenje, sa izuzetkom glina žitke ili vrlo meke konzistijencije. Istražni rad ove vrste, osim koordinata i kote terena, treba sa datumom izvo đenja rada i opisom vremenskih uslova prikazati grafi čki, skicom sa rasporedom slojeva i opisom i vrstom materijala, mestima uzetih uzoraka i klasifikacionim prvo terenskim, a u završnom izveštaju i laboratorijskim nalazima. U opisu sondažne jame treba komentarisati stabilnost iskopa i opisati vrstu primjenjene podgrade. U slučaju da se istražne jame izvode za potrebe projektovanja i izvo đenja saobraćajnica, njihovo rastojanje duž trase može se kretati izme đu 50 i 500 metara, a ukoliko se izvode radi određivanja kvaliteta i količine materijala u pozajmištima, od 30 do 720 metara, zavisno od jednoličnosti terena.
2.2. SONDAŽNI BUNARI I GALERIJE Za vertikalno okno izvedeno za potrebe geotehni čkih istraživanja do dubina koje mogu biti znatno veće od onih koje su navedene za sondažne jame, često se, zbog o čigledne analogije, koristi izraz „bunar“ ili „šaht“, (Slika 3-a), dok se za približno horizontalno okno obi čno koristi izraz „galerija“ ( Slika 3-b). Galerija se izvodi sa padine u brdo ili sa nekog odabranog nivoa prethodno izvedenog sondažnog bunara.
-8-
Slika 3, Sondažni bunar i galerija
Obe ove vrste radova se naj češće izvode ručno, uz obavezno i sistematsko podgra đivanje. Ukoliko se ova vrsta radova izvodi ispod nivoa podzemne vode, rad je veoma otežan, naro čito u vodopropusnom tlu kada može biti prakti čno neizvodljiv. U slu čaju dotoka vode, a dotok će zavisiti od pijezometarske slike u okolini bunara i vodopropusnosti tla ili stijene, moraju se predvidjeti zaštitne mere dreniranja. Pri izvođenju ovih radova mora se voditi ra čuna i o mogućnosti pojave zapaljivih ili zagušljivih gasova. Ova vrsta radova je relativno skupa, zahtjeva dosta vremena i obi čno se može opravdati ukoliko nije mogu će doći do potrebnih informacija o terenu drugim metodama i ako se radi o veoma velikim objektima i zahvatima kao što su velika klizišta i brane. Iz takvog istražnog rada je mogu će uzimanje svih vrsta uzoraka visokog kvaliteta, kao i kod sondažnih jama, kao i detaljno i ta čno kartiranje granica slojeva, vrste i stanja tla ili meke stijene.
2.3. ISTRAŽNO BUŠENJE Postoji niz metoda za izvo đenje bušotina u tlu ili stijeni, po čev od bušenja sasvim lakim ru čnim alatima do dubine od nekoliko metara u tlu, do složenih i teških mašina za bušenje u sti jeni do dubine od nekoliko kilometara za potrebe istraživanja naftnih i drugih rudnih ležišta. U načelu, i sasvim orijentaciono, istražno bušenje se može opisati kao perkusiono, rotaciono i kombinovano, iako u takvoj gruboj podjeli, postoji niz varijacija u vrsti opreme. Tako se u geotehni čkom istraživanju, koje ima svoje specifi čne zahtjeve, koriste različiti alati, pribori i mašine. Izvođenje bušotina za potrebe gra đenja podrazumijeva uzimanje poreme ćenih i neporemećenih uzoraka za geomehani čka laboratorijska ispitivanja i izvo đenje opita „in situ“. Dubina bušenja treba da dosegne zone tla ili stijene u kojima se ne o čekuju znatnije promjene napona i pojave deformacija izgradnjom objekta, ako se, na primjer, radi o temeljenju objekata kao što su zgrade i druge gra đevinske konstrukcije ili do stabilnih delova mase tla ukoliko je u pitanju geotehničko istraživanje klizišta. U načelu, preporučljivo je izvesti bar jednu bušotinu znatno dublje od granice koja se procjenjuje da je pod uticajem objekta. Zavisno od okolnosti, može se planirati i propisivati maksimalna i minimalna dubina bušenja, a kona čna odluka se donosi u toku izvo đenja radova u zavisnosti od dobijenih rezultata. U slu čaju istraživanja klizišta ili planiranja izvođenja dubokih iskopa, dubina istraživanja može zavisiti i od složenosti slike strujanja podzemnih voda, kada se u bušotine ugra đuju pijezometri. U načelu, nivo podzemne vode u bušotini se registruje prilikom prve pojave, nakon svakog prekida bušenja dužeg od jednog časa i na po četku svake smjene, a u izabrane bušotine, nakon kartiranja, ispitivanja „in situ“ i uzimanja uzoraka, mogu da se ugrade pijezometri za kasnije registrovanje režima podzemnih voda koje mogu uticati na uslove izvo đenja radova, na ponašanje mase tla ili na završen objekat.
-9-
Veoma je važno da se bušotine izvedu do adekvatne dubine, koja zavisi od vrste i veli čine ob jekta ili niza objekata. Za lake objekte, prizemne i jednospratne zgrade, koji nisu osjetljivi na veličine slijeganja, obično se smatra da dovoljna dubina ispitivanja nije manja od četverostruke očekivane širine temelja. Kod mostovskih konstrukcija i fundiranja na šipovima, kao i pri istraživanju dubokih klizišta, potrebna dubina bušenja može iznositi 30-50 i više metara. Ukoliko se tokom bušenja nai đe na stijenu, onda je uputno bušiti i u stijeni do oko 3 m. Iako se u literaturi i praksi mogu na ći različite tablice i formule za izračunavanje potrebne dubine bušenja, njih treba prihvatiti samo orijentaciono i uslovno, a kona čnu odluku treba donositi u skladu sa preliminarnom ocjenom veličine zone mase tla koje će biti u interakciji sa objektom, a dubina se tokom istraživanja može modifikovati ukoliko se pokaže da je to potrebno. Broj potrebnih bušotina zavisi od vrste konstrukcije, veli čine istražnog područ ja i jednoli čnosti terena. Obi čno se rastojanje ili broj preliminarno procjeni na osnovu raspoloživih geoloških podataka, a zatim se nakon dobijanja rezultata izvedenih rjeđe raspoređenih bušotina, rastojanja mogu smanjiti ukoliko se uo či znatna heterogenost. Sasvim orijentaciono, za višespratne zgrade rastojanja se kre ću između 15 i 50 metara, za jednospratne hale za laku industriju 30 do 90, a za nasute brane i hidrotehni čke nasipe 75 do 60 metara. Za homogen teren rastojanja se mogu udvostru čiti, a za nehomogen i komplikovan teren prepoloviti.
2.3.1. Ručni pribor za bušenje Istražne bušotine se mogu izvoditi pomo ću ru čnih ili mašinskih garnitura razli čitih konstrukcija, dimenzija i težine. Prema principu rada buša ćeg pribora istražno bušenje se izvodi udarnom, (perkusionom), rotacionom ili kombinovanom metodom. Prema pogonskoj snazi prim jenjenoj na pokretanje bušaćeg pribora, istražno bušenje se izvodi ru čno ili mašinski.
Slika 4, Bušenje lakom ruč nom garniturom
Ručni pribor za bušenje, bez tripoda i bez zacjevljenja bušotine, može da se koristi za preliminarna ispitivanja, za ispitivanja za potrebe lakših objekata i u uslovima ograni čene radne visine, na primjer, kada se radi ispitivanja mogu ćnosti dogradnje još jednog sprata istražuje tlo ranije izgrađenog objekta sa nivoa podruma ili prizemlja, ako podruma nema. Oprema je laka i jednostavna i sastoji se od svrdla i šipki dužine oko 1 m koje se jednostavno nastavljaju tokom napredovanja bušenja po dubini, a dva radnika preko T ručice vrše bušenje rotiranjem i pritiskom sa vađenjem tla u kratkim intervalima. Da bi se takva oprema mogla uspješno upot-
- 10 -
rijebiti bušotina treba da je stabilna bez zacjevljenja, tako da je dubina bušenja ograni čena na oko 6 m u sitnozrnom tlu. U nevezanom tlu, kao što je pijesak ispod nivoa podzemne vode, napredovanje je veoma ograni čeno, a u šljunku nemogu će. Ručno bušenje se može izvoditi i sa dna prethodno izvedene istražne jame, tako da je u takvoj kombinaciji pri povoljnim okolnostima moguće dostići dubinu od oko 10 m. Pri tome se koriste razli čita svrdla od kojih su neka prikazana na Slici 5.
Slika 5, Svrdla za ru č no bušenje u tlu
Pri izvođenju bušotine na dubini ve ćoj od 3-6 m u sitnoznrom tlu, a u pijesku od samog po četka bušenja, potrebno je vršiti osiguranje vertikalnih strana zidova bušotine od zarušavanja, naročito u nevezanim krupnozrnim materijalima ispod nivoa podzemne vode, što se naj češće čini zacijevljivanjem bušotine obložnom „kolonom“ od segmenata čeličnih cijevi koje se sukcesivno nastavljaju navrtanjem tokom napredovanja bušenja u dubinu. Za izvo đenje ove vrste radova potreban je tripod ili toranj za manevrisanje znatno težim buša ćim priborom (Slika 6a). Tada prečnik bušenja obi čno nije manji od oko 140 mm, a samo izuzetno može iznositi oko 100 mm i obično nije veći od 300 mm. U slučaju dubljeg bušenja obi čno se počinje sa većim prečnikom da bi se na nekoj dubini nastavilo sa manjim, tako da se u gornjem dijelu bušotine praktično eliminišu otpori trenja koji usporavaju rad i zahtjevaju ve ći utrošak energije. 2.3.2. Udarno bušenje Dostizanje veće dubine ručnom snagom je moguće ukoliko se koristi užetno-udarno bušenje za koje je potreban tripod prema Slici 6-b i 7, sa čekrkom koji se u praksi naziva „vitlo“, „bu banj“, „kalem“ ili „granik“. Čelično uže prebačeno preko koturače na vrhu služi prevashodno za manevrisanje bušaćim priborom preko bušaćih šipki, za spuštanje obložnih kolona i njihovo izvlačenje nakon završetka bušenja, za izvo đenje standardnog penetracionog opita i za podizanja malja pri pobijanju cilindra za uzimanje neporeme ćenih uzoraka. Takva ru čna garnitura za bušenje obi čno koristi kombinovane metode bušenja, odnosno svrdla, kojima se bušenje vrši rotiranjem ljudskom snagom preko T ručice na vrhu bušaćih šipki i alternativno, perkusioni postupak preko užeta koje se podiže ru čno i pušta da odgovaraju će svrdlo sa ili bez šipki pada sa izvjesne visine. Ovim postupkom se mogu posti ći dubine i do 15-25 m, ali je napredovanje u područ ju većih dubina otežano i usporeno. Garnitura za perkusiono bušenje (kao na slici 7-a), sastoji se od tripoda, i pogonske jedinice, sa čekrkom kojim se lak čelični kabl preko koturače na vrhu tronošca povezuje sa buša ćim ši pkama. Na kraju niza bušaćih šipki, koje se mogu nastavljati, mogu se pri čvrstiti različiti alati za bušenje, čiji oblik zavisi od vrste tla. Ukoliko se tokom bušenja nai đe na čvršću prepreku, kamen samac i sl., on se razbija dlijetom ( Slika 7-d ). Bušenje se izvodi slobodnim padom ala-
- 11 -
ta koji se sukcesivno podiže i pušta da slobodno pada sa visine ne ve će od 1-2 m, pri čemu se podizanje može vršiti ru čno, ljudskom snagom za dubine do oko 15 m, a češće energijom pogonske jedinice preko čekrka sa odgovaraju ćim mehanizmom za otpuštanje.
Slika 6, Ruč na garnitura sa tripodom - kombinovana metoda bušenja
Pri bušenju u sitnozrnom tlu obično se koristi alat u obliku čeličnog cilindra ( slika 7-b ), koji ima prstijen za pridržavanje tla na nutrašnjoj konturi donjeg kraja, sa bo čnim prorezima, koji olakšavaju uklanjanje materijala sakupljenog u njemu pri prodiranju, i spiralna svrdla ( Slika 5). Izvađeni materijal na ovaj na činje poremećen i iz njega uzeti uzorci se mogu koristiti samo za klasifikaciona ispitivanja.
Slika 7, Perkusiono bušenje mašinskom garniturom
Za krupnozrno tlo, prevashodno pijesak, koristi se ventil-kašika, („bu ćkalica“), cilindar sa pločastim ventilom na donjem kraju prema Slici 7-c, koji se uzetom preba čenim preko kotu- 12 -
rače ciklično diže, a zatim pušta da pada sa visine 75-20 cm. Ispod nivoa podzemne vode pri pomjeranju cilindra naviše ventil se zatvara, pijesak se rastresa i privremeno dolazi u te čno stanje, tako da se pri spuštanju cilindra ventil otvori i zahvati izvjesna koli čina tla koja ostaje zarobljena u cilindru. Tako da se „bu ćka“ sve dok se ne sakupi dovoljna koli čina tla za va đenje iz bušotine. Ukoliko se u pijesku buši iznad nivoa podzemne vode, voda se mora dodati u bušotinu tako da ona, prolaskom kroz cilindar do dna bušotine, omogu ćava da se takav mehanizam bušenja realizuje. U nevezanom tlu se bušotina tokom napredovanja mora sukcesivno zacjevljivati. Cijevi nastavljane navrtanjem obično kliznu na niže pod sopsvenom težinom, ali je ponekad potrebno udarati po gornjem kraju, indirektno, preko komada drveta, da se cijev lokalno ne ošteti. Kada se bušotina završi, obložne cijevi se izvla če čekrkom, a ponekad je potrebno upotrijebiti i hidrauličke prese. Pre čnik bušenja je između 10 i 30 cm i u veoma povoljnim okolnostima ovom metodom može se dosti ći maksimalna dubina bušenja od 50-60 m,
2.3.3. Rotaciono bušenje Za razliku od perkusionog bušenja, gdje se napredovanje ka dubini ostvaruje maljem za pobi janje, udarima sopstvene težine pribora ili „bu ćkanjem“, rotaciono bušenje se u tlu izvodi nanošenjem momenta torzije na buša ći pribor ručno ili mašinski. Postoji veoma veliki broj tipova garnitura, a mogu se, sasvim orijentaciono, podjeliti na dvije osnovne grupe. U prvu grupu spadaju garniture koje se po mehanizmu bušenja oslanjaju na spiralna svrdla razli čitih oblika i veličina, od kojih su neka prikazana na Slikama 5 i 8, a drugu grupu čine metode bušenja sa jezgrovanjem. Spiralnim priborom se mogu vaditi samo poremećeni uzorci i bušenje je obi čno ograničeno na sitnozrna tla iznad nivoa podzemne vode. Takva metoda se u povoljnim okolnostima koristi za djelimično izvođenje gornjeg dijela bušotine, koja se dalje nastavlja izvođenjem bušotine smanjenog pre čnika nekom drugom metodom.
Slika 8, Svrdla za rotaciona mašinsko bušenje
Jedna od metoda izvo đenja bušotine rotacionim postupkom, kojom se eliminišu neki, ali ne i svi navedem nedostaci, podrazumijeva primjenu cijevi na koju je helikoidno navarena čelična traka po spoljnoj konturi tako da se dobija dugo svrdlo sa šupljom cijevi u osovini. Princip rada ovom metodom ilustrovan je na Slici 9. Ova metoda koristi kontinualnost rotiraju će helikoide pričvršćene na spoljne zidove dugog cilindra za napredovanje u mekom tlu. Spoljni pre čnik cilindra helikoide se kre će između 150 i 250 mm, a unutrašnji prečnik cijevi 75-125 mm. Mora se koristiti teška garnitura jer je potrebno nanijeti veću vertikalnu silu i veliki torzioni momenat za rotacione pokretanje cijevi i savlađivanje otpora tla. Svrdlo se uvr će u tlo kompletno sa buša ćom glavom koja je preko buša će šipke u osovini povezana sa pogonskom jedinicom. Prera đeno tlo spirala iznosi na površinu, tako da se dobija potpuno poreme ćeno tlo za koje nije lako re ći sa koje je dubine izva đeno. Bušenje je veoma teško ili nemogu će u tvrdom tlu, ili ako se nai đe na veći komad kamena,
- 13 -
kao i kada se pojavi sloj zbijenog krupnozrnog tla, naro čito ispod nivoa podzemne vode, jer se ne koristi obložna kolona. Me đutim, u pogodnom tlu učinak može biti relativno veliki, a dostižu se dubine i 30-50 m. Kada se dostigne odre đena dubina, povla či se centralni pribor za bušenje i uzima uzorak pobijanjem ili utiskivanjem cilindra ( Slika 9-c), a može se izvesti i standardni penetracioni opit pod uslovom da na dnu bušotine nije došlo do klju čanja tla tokom bušenja, odnosno pri povlačenju bušaće glave.
Slika 9, Rotaciona bušenje - cijev sa helikoidom
Ukoliko su uslovi u tlu takvi da dalje bušenje nije mogu će, a bušotina do izvjesne dubine je stabilna, bar privremeno, do ugrađivanja obložne kolone, bušenje se može nastaviti opremom koja koristi bušaće krune i jezgrovanje, metod koji je znatno fleksibilniji i upotrebljiv kako pri bušenju u tlu, tako i u bušenju stijene.
2.3.4. Bušenje jezgrovanjem Iz tehnologije bušenja, koja se naj češće primjenjuje u stijeni, za bušenje u tlu se koristi rotaciono bušenje sa jezgrovanjem pomo ću kruna za bušenje i jezgrenih cijevi sa kojima se vadi jezgro iz bušotine. Ne ulaze ći u konstruktivne detalje garnitura raznih proizvo đača, kakvih je ogroman broj, ovdje će se dati sasvim uopšten i pojednostavljen prikaz ove isklju čivo mašinske metode bušenja ilustrovane na Slici 10. Garnitura se sastoji od pogonskog dijela sa pum pom i bušaćeg dela sa tornjem i sa priborom za bušenje ( Slika 10-a). Može se reći da se bušenje ostvaruje rotiranjem cilindrične cijevi koja je na donjoj konturi posebno oja čana krunom za bušenje i koja zupcima uklanja tlo ili stijenu ( Slika 10-b). Postoji veliki broj tipova kruna, a konstrukcija i materijal od kojeg su izra đene zavisi od vrste materijala koji treba bušiti, tako da se koriste čelične krune, krune od tvrdih legura i dijamantske krune. Za bušenje u tlu se najviše koriste čelične krune nazubljenih testerastih ivica, ponekad i krune od tvrdih legura, dok su dijamantske krune nemjenjene bušenju u najtvr đim stijenama. Po donjoj konturi jezgrene cijevi postavljaju se „hvata či jezgra“, niz elasti čnih čeličnih pera koja omogućavaju da jezgro uđe u cilindar, a da iz njega ne može lako da ispadne pri izvla čenju pribora na površinu. Bušenje se vrši jezgrovanjem i koriste se jezgrene cijevi za koje se može re ći da mogu biti jednostruke i primjenjuju se za bušenje u stijeni, dok se dvostruke i trostruke mogu koristiti za bušenje u tlu. Umjesto izraza „jezgrena“ često se u praksi koristi i izraz „sržna“, na primjer
- 14 -
„dupla sržna“ umjesto dvostruka jezgrena, pri čemu se sržnom cijevi naziva i nutrašnji cilindar za uzimanje uzoraka. Šematski prikaz dvostruke jezgrene cijevi sa principom rada prikazan je na Slici 10-b. Jezgrene cijevi su preko šuplje buša će šipke, kroz koju struji bušaći fluid, povezane sa buša ćim delom za manevrisanje.
Slika 10, Rotaciono bušenje sajezgrovanjem
Bušaći fluid, „isplaka“, pod pritiskom koji ostvaruje pumpa, kroz ispimu glavu struji kroz bušaću šipku, između spoljne i nutrašnje jezgrene cijevi, zatim kroz podru č je abrazionog djelovanja krune, da bi nakon toga kretanjem naviše iznosio na površinu terena erodirani materijal kroz međuprostor spoljne jezgrene cijevi, odnosno buša će šipke i zida bušotine. Buša ći fluid je najčešće ili voda ili glinovita (bentonitska) suspenzija, koja ima jediničnu težinu od 10,5 do 11,5 kN/m3 , ali se umjesto tečnosti može koristiti komprimovani vazduh. Osim iznošenja iz bušenog materijala i podmazivanja krune, isplaka može u nekim okolnostima da stabilizuje zid bušotine na dijelu do kojeg u toku bušenja još nije spuštena obložna kolona, a ako se primjenjuje obložna kolona, ona omogućava lakše proklizavanje obložne kolone na niže pri napredovanju bušotine. U povoljnim uslovima obložna kolona se može izostaviti.
- 15 -
Spoljna jezgrena cijev sa krunom rotira napreduju ći po dubini, a unutrašnja jezgrena cijev oslonjena preko obrtnog spoja i opruge ne rotira, ve ć se samo utiskuje u tlo zahvataju ći jezgro, uzorak tla. Nakon zapunjavanja dijela nutrašnje jezgrene cijevi pribor se izvla či na površinu, a zahvaćeno jezgro se mehani čki ili pod pritiskom vazduha istiskuje iz cilindra. Šta će se dogoditi sa jezgrom nakon istiskivanja zavisi od vrste materijala. Iz mekih i neispucalih stijena, kao i iz sitnozrnog tla polutvrde do tvrde konzistijencije, mogu se dobiti skoro neporeme ćeni uzorci, istina ne najboljeg kvaliteta, dok se neka tla ne ponašaju tako „kooperativno“, ve ć se raspadnu u poremećen uzorak. Da bi se smanjili poreme ćaji jezgra primjenjuje se sistem sa trostrukom jezgrenom cijevi koji se sastoji u dodavanju još jednog nutrašnjeg tankozidnog cilindra od tvrde plastike, mesinga, aluminijuma ili čelika, koji prianja uz nutrašnju površinu nerotiraju će jezgrene cijevi, kao što je to kod vrhunskog sistema tipa Mazier. Cilindar, u slučaju daje presječen po izvodnici, omogućava lakše manipulisanje uzorkom nakon izvla čenja jezgrene cijevi, uz slabo osiguranje od poremećivanja. Iz bušotina se uzimaju „jezgra“ i sistematski slažu u sanduke od drveta, aluminijuma ili čeličnog lima, dužine 1,0 m, prikazane na Slici 11. Na granicama jezgra stavlja se daš čica, a na mestima gdje nije uspješno izva đeno tlo ostavlja se prostor odgovaraju će dužine sa podatkom da je jezgro izgubljeno. Na sli čan način se obilježe mijesta sa kojih je uzet poreme ćen ili ne poremećen uzorak, pakovan i transportovan u laboratoriju. Sanduk sa uzorcima se fotografiše. Komadi jezgra se mogu upakovati u parafin da bi se sa čuvala njihova prirodna vlažnost. Poremećeni uzorci, obično ne manji od 0,7 kg, odmah nakon uzimanja, mogu se stavljati u hermetičke kontejnere (boce ili plasti čne vrećice).
Slika 11, Sanduk za slaganje i č uvanje jezgra
U određenim okolnostima i veoma često, naročito iznad nivoa podzemne vode, potrebno je bušiti bez dodatka vode, kada je buša ći fluid komprimovani vazduh. Za to postoje najmanje dva razloga. Prvi je da se ne bi poremetila vlažnost tla u podru č ju bušotine i uzorka tla koja može biti odlučujućeg uticaja na njegovo mehani čko ponašanje, što naro čito važi za kolapsi bima i ekspanzivna tla. Drugi razlog je da, ukoliko se buši sa isplakom od samog po četka bušenja, ne može se dobiti jasna slika o nivou podzemnih voda ukoliko se u bušotinu ne ugradi bar jedan pijezometar.
- 16 -
2.4. UZIMANJE UZORAKA Uzorci tla i stijena se, prema kvalitetu mogu podjeliti u dvije glavne kategorije i to kao poremećeni i neporemećeni. Kvalitet uzoraka direktno zavisi od na čina uzimanja uzorka iz terena. Prema mogućnostima korišćenja uzoraka za pojedine vrste laboratorijskih ispitivanja mogu se razlikovati sledeće klase nivoa kvaliteta: • Klasa 1. Klasifikacija, vlažnost, zapreminska težina, jedini čna težina, smičuća čvrstoća, edometarski opit. • Klasa 2. Klasifikacija, vlažnost, zapreminska težina. • Klasa 3, Klasifikacija i vlažnost. • Klasa 4. Samo klasifikaconi opiti. Za klase 3 i 4 dovoljni su poremećeni uzorci, dok je za klase 1 i 2 potrebno obezbijediti neporemećene uzorke.
2.4.1. Uzimanje poremećenih uzoraka Poremećeni uzorci tla ili stijena imaju isti granulometrijski sastav kao i prirodno tlo iz kojeg su uzeti, ali im je struktura djelimi čno ili potpuno narušena. Osim toga, vlažnost poreme ćenog uzorka tla se može razlikovati od vlažnosti prirodnog tla. Poreme ćeni uzorci se uglavnom koriste za terensku identifikaciju, laboratorijska klasifikaciona ispitivanja i opite zbijanja tla. Uzorci se jednostavno dobijaju iskopom iz sondažnih jama, bunara, galerija ili alatom za bušenje nakon završenog manevra pri izvla čenju pribora na površinu terena ili od dijelova jezgra. Uzorak uzet ventil-kašikom iz pijeska može biti uskra ćen za sitnije frakcije prirodnog tla i zbog toga nije sasvim pouzdan materijal za odre đivanje granulometrijskog sastava krupnozrnog tla sa primesama sitnozmih frakcija. Me đutim, poremećen uzorak sitnozrnog tla može imati prirodnu vlažnost koja se može sa čuvati nakon uzimanja odgovaraju ćim hermetičkim pakovanjem i odrediti mjerenjem u laboratoriji. 2.4.2. Uzimanje neporemećenih uzoraka Najvažniji korak u geotehničkom istraživanju je uzimanje neporeme ćenih uzoraka sa najmanjim mogućim poremećajima tla. Nažalost, nije mogu će izvaditi potpuno neporeme ćen uzorak. Uzimanjem uzorka iz okolne mase tla dolazi do promjene napona koji na njega dijeluju dok se uzorak nalazio u tlu, što uvijek izaziva izvjesne deformacije uzorka, tako da je minimalni poremećaj onaj koji bi se mogao nazvati neizbježnim naponskim poreme ćajem. Najkvalitetniji „neporemećeni uzorci“ su oni kod kojih je sa čuvana vlažnost i sve čestice, pri čemu su koeficijent poroznosti i struktura izmjenjeni u najmanjoj mogu ćoj mjeri.
Slika 12, Vađ enje neporemećenog uzorka na površini iskopa
- 17 -
2.4.3. Ručno uzimanje neporemećenog uzorka Uzorak u obliku kocke (rjeđe u obliku cilindra) vadi se ru čno tako da se pažljivim radom mogu dobiti najbolji uzorci. Na Slici 12 prikazane su faze rada pri uzimanju takvog uzorka iz jame, šahta ili galerije. Tlo se pažljivo uklanja sa strana uzorka tako da se formira mali stub. Ukoliko je uzorak čvrst i krut može se jednostavno odvojiti od mase jednim usijecanjem ašova, upakovati u plasti čnu foliju ili vreću da se sa čuva njegova vlažnost, staviti u odgovarajuću krutu kutiju i transportovati automobilom u laboratoriju. Ako je uzorak male čvrstoće ili ako treba da bude transportovan željeznicom ili kamionom, potrebna je dopunska zaštita njegovog integriteta. Čvrsta drvena kutija sa uklonjenim dnom i poklopcem se stavi preko uzorka, odnosno oko uzorka, tako da slobodan prostor bude 5-25 mm sa svih strana, i lako se može za puniti topljenim parafinom. Uzorak i kutija se uklone iz iskopa, parafin se sipa na dno i vrh, a kutija ili sanduk se zatvara pri čvršćivanjem dna i poklopca. Za drugi način uzimanja neporemećenog uzorka koristi se čelični cilindar, pa čak i ispražnjena konzerva, uz dopunsku zaštitu otvorenog kraja drvenim ili metalnim poklopcima, opet uz odgovarajuću zaštitu parafinom radi čuvanja vlage. Tako formirani uzorci se zatim pakuju u sanduke sa strugotinom ili piljevinom, koja treba da minimizira njihovo pomijeranje unutar sanduka i amortizuje neizbježne potrese pri transportu. Uzimanje neporemećenih uzoraka takvim postupkom je posebno važno u slu čaju lesa ili lesoidnog tla koje može biti kolapsibilno, jer je sa čuvana prirodna zbijenost i struktura od koje u velikoj mjeri zavisi veličina dodatne deformacija pri eventualnom provlažavanju. Uzorci kolapsibilnog lesa ili drugog metastabilnog tla uzeti drugim postupcima, kakvi se obi čno prim jenjuju u bušotinama, mogu pretrpjeti poreme ćaj praćen povećanjem zbijenosti, tako da se la boratorijskim opitom dobijaju pogrešni rezultati na strani nesigurnosti. Neporemećeni uzorci se mogu dobiti i utiskivanjem tankozidnog cilindra u tlo uz pažljivo uklanjanje suvišnog materijala na stepenicama ili sa dna jame. Pre čnik cilindra se obično kreće 40-100 mm a njegova visina je 25-100 mm. Ne smije se dopustiti kontakt vode sa uzorkom. Uzorak se mora zaštititi od vjetra i direktnog sun čanog zračenja. Orijentacija neporemećenog uzorka i njegov položaj moraju se jasno ozna čiti tokom uzimanja i pakovanja. 2.4.4. Neporemećeni uzorci iz bušotina Uzimanje neporemećenih uzoraka iz bušotine, bez obzira na primjenjenu metodu bušenja, vrši se nakon čišćenja dna bušotine. Neporeme ćeni uzorci uzimaju se pomo ću cilindara različitih konstrukcija i dimenzija, od kojih su neke prikazane na Slici 13. Radi uzimanja uzorka, alat za bušenje se izvla či iz bušotine i na sukcesivno nastavljane buša će šipke se u čvrsti cilindar. Cilindar se u dno bušotine utiskuje udarima ili kontinualnim kvazistati čkim pritiskom. U načelu, cilindri za uzumanje uzoraka se mogu klasifikovati kao debelozidni i tankozidni, pri čemu je debljina čeličnog zida obično 1-3 mm. Jedan od pokazatelja defrmisanosti cilindra je odnos površina Ar , dat izrazom: Dw2 − Dc2 × 100% Ar = Dc2 gdje je: Dw - spoljni prečnik noža Dc - unutrašnji prečnik cilindra Veličina Ar je približno jednaka odnosu zapremine potisnutog tla i zapremine uzorka. Otpor prodiranju cilindra i rizik od poremećaja uzorka se pove ćava ukoliko je ovaj odnos ve ći. Kaže se da je cilindar tankozidni ako odnos površina nije ve ći od 10%, a rezultati prihvatljive poremećenosti, čak i za relativno osjetljivo tlo, se mogu dobiti i sa cilindrima kod kojih je ovaj pokazatelj 10% do 15%, pri čemu treba imati u vidu da su cilindri sa ve ćim odnosom površina - 18 -
robustniji i trajniji, ali da maksimalna veli čina odnosa površina za uzorke prihvatljive neporemećenosti ne treba da bude ve ća od 25%. Bez obzira na tip cilindra, konstrukcija mora da bude takva da omogući evakuaciju vazduha i vode iz prostora koji zauzima tlo pri uzimanju uzorka napredovanjem cilindra po dubini, ali i da omogu ći stvaranje vakuuma iznad uzorka pri povlačenju naviše. Debelozidni cilindar (Slika 13-a) je obično sa unutrašnjim prečnikom od 100 mm, sa dužinom najmanje 30 cm, dok je preporučljiva dužina 45 cm, kako bi se dobila što ve ća dužina manje poremećenog uzorka, jer su, naj češće, dijelovi na krajevima cilindra više poreme ćeni. Veličina odnosa površina Ar je oko 25%. Da bi se smanjili poremećaji uzorka ponekad se kao dodatak osnovnoj konstrukciju koristi tankozidni cilindar koji prijanja uz nutrašnju površinu debelozidnog cilindra, a nutrašnji pre čnik noža je nešto manji od nutrašnjeg prečnika slobodnog prostora za smještaj uzorka. Debelozidni cilindar se obično pobija u tlo udarcima malja po gornjem kraju bušaće šipke, ili bolje, po gornjem kraju cilindra primjenom klizajućeg malja, ali se može i utiskivati kontinualnim pritiskom po bušaćoj šipki ukoliko to omogućava konstrukcija bušaće garniture. U vrlo tvrdim glinama iznad nivoa podzemne vode, koje mogu biti ekspanzivne, može se dogoditi da su otpori pri utiskivanju debelozidnog cilindra toliko veliki da se on ne može utisnuti u dno bušotine, a u kolapsibimom lesu i mekim glinama takvim cilindrom se dobija uzorak sa neprihvatljivom poremećenošću. U glinama vrlo meke do žitke konzistijencije uzorak se obično i ne može izvaditi, jer on iscuri iz cilindra neposredno nakon izvlačenja debelozidnog cilindra iznad nivoa dna bušotine. Tankozidni cilindar prikazan na Slici 13-b naj češće ima prečnik između 75 i 125 mm. Odnos površina je Ar - oko 10%, a donja ivica je malo povijena tako da se odsijeca nešto manji pre čnik uzorka od prečnika ostatka cilindra, ali uzorak ima prostora da malo pove ća zapreminu tako da povijena ivica služi za pridržavanje uzorka, kako on ne bi ispao iz cilindra pri izvla čenju cilindra na površinu. Tipi čna dužina cilindra je oko 1,0 m, a debljina zida 1-1.5 mm, a za glavu je pričvršćen zavrtnjima. Uzorak se uzima kontinualnim utiskivanjem tako da se popuni oko 90% dužine cilindra da ne bi došlo do zbijanja uzorka. Nakon dostignutog popunjavanja uzorkom, cilindar se može zarotirati za jedan okret da bi se uzorak odvojio od tla na dostignutoj dubini utiskivanja. Tankozidni cilindar je pogodan za uzimanje uzoraka gline kada je 2
- 19 -
Slika 13, Cilindri za va đ enje neporeme ćenih uzoraka iz bušotine
Međusobno vertikalno odstojanje uzetih uzoraka u homogenom tlu ne treba da bude ve će od 3 m, a u slučaju izrazite nehomogenosti i složenog profila tla može se propisati prakti čno kontinualno uzimanje uzoraka sa po jednim kratkim manevrom bušenja radi čišćenja bušotine od zaostalog materijala. Preporučljivo je da se neporeme ćeni uzorci pri bušenju u sitnozrnim materijalima uzimaju tankozidnim cilindrima slobodne dužine ne manje od 30 cm. Otvorene baze cilindra, nakon uzimanja uzorka, zaptivaju se topljenim parafinom debljine 5-10 mm, sa oznakama gornjeg i donjeg kraja i drugim podacima. Osoblju zaduženom za izvođenje bušenja mora se propisati minimalni interval uzimanja uzoraka zbog tendencije da se buši mnogo metara, piše mnogo beskorisnih re či o tlu, a uzima malo neporeme ćenih uzoraka i izbjegava izvođenje penetracionih ispitivanja (SPT). Detaljan i elokventan verbalni „geološki“ opis tla konstatovanog u toku bušenja i prikazanog u zapisniku bušenja ili u tzv. geološkom elaboratu nikako ne može predstavljati zamjenu za kvalitetno uzet uzorak, koji će biti poslat u geomehani čku laboratoriju na ispitivanje inženjerskih svojstava ili zamjenu za neki od opita „in situ“.
2.5. ISPITIVANJA „IN-SITU“ Treba imati u vidu da uobi čajenim sredstvima, kakva su ovdje opisana, nije mogu će uzimanje neporemećenih uzoraka iz svih vrsta tla. Tako se iz čistih pijeskova i šljunkova obi čno uzima ju samo poremećeni uzorci radi identifikacije, a stanje zbijenosti krupnozrnog tla, od kojeg zavise parametri čvrstoće i deformabilnosti, ispituje se penetracionim opitima (SPT i CPT). Kada se bušenje izvodi kroz gline žitke konzistijencije, uzimanje neporeme ćenih uzoraka ras položivim sredstvima često nije mogu će. Tada se u bušotini obi čno izvodi terenski opit krilnom sondom.
- 20 -
2.5.1. Standardan penetracijski opit (SPT) Standardni penetracioni opit se izvodi u bušotini, pri čemu se na niz buša ćih šipki, (koje za dubine do oko 15 m imaju težinu od oko 6 kg/m, a za ve će dubine oko 8 kg/m), umjesto alata za bušenje u čvrsti standardizovana „penetraciona kašika“ prikazana skicom na Slici 14-b. Konstrukcija standardne penetracione kašike je sli čna debelozidnom cilindru, ali sa znatno nepovoljnijim odnosom površina, jer je Ar oko 100%, tako da uzet uzorak nije visokog kvaliteta i ne može se smatrati neporemećenim. Spoljni prečnik kašike je 57 mm, unutrašnji 35 mm, a ukupna dužina 68,6 cm. Obično se broj udara, za koji je me đunarodna oznaka N, registruje za napredovanje od tri (3) sukcesivna prodiranja u intervalima od po 15 cm. Za prvih 15 cm prodiranja izbrojani udarci mogu biti manji ili veći od prošeka zbog eventualnih poreme ćaja dna bušotine, tako da je konačan rezultat N zbir brojanja u drugom i trećem intervalu pri ukupnom prodiranju od 30 cm. U šljunkovitom tlu se nož na vrhu zamjenjuje masivnim konusom, sa kojim se dobijaju sli čne, a ponekad i nešto ve će vrijednosti za N. Nakon pobijanja, uz brojanje udara, kašika se izvla či na površinu, odvrnu se nož i glava, a u centralnom dijelu kašike, koji se može otvoriti, jer se sastoji od dvodijelnog cilindra, dobija se reprezentativan poremećen uzorak. Standardno se primjenjuje me đusobno odstojanje opita po dubini od 1,5 m a maksimalni interval ne treba da bude ve ći od 3,0 m. U kritičnim slučajevima opiti mogu biti i češći, a praktično izvodljiv minimalni interval ispitivanja oko 0,6 m. Pri izvođenju opita treba obezbijediti rezervoar vode za bušenje u pijeskovima u kojima postoji podzemna voda, kako bi nivo vode u bušotini bio znatno iznad nivoa podzemne vode u tlu da bi se sprije čilo unošenje pijeska u bušotinu pri izvla čenju alata za bušenje i izvo đenje opita u potpuno poreme ćenom tlu. Ukoliko je nivo vode nepoznat, bušotina se puni vodom do vrha kolone. Nakon izvo đenja opita uzorak tla iz penetracione kašike se koristi za identifikaciona ispitivanja, Konačni rezultat SPT opita sadrži broj udara za svaki od tri intervala pobijanja od po 15 cm, dubinu sa koje je opit zapo čet, informaciju o nivou podzemne vode u terenu i u bušotini i opis uzorka tla uzetog iz kašike prema jedinstvenoj klasifikaciji. SPT opit je nastao krajem dvadesetih godina XX veka u SAD i prvi put standardizovan 1930. godine. On je svakako naj češće primjenjivan geotehnički opit „in situ“ na svim kontinentima i veoma često je i kritički preispitivan. Iako se opit, prema mehanizmu dejstva penetracione kašike na tlo, može okarakterisati kao indirektan opit čvrstoće tla, svoju popularnost duguje prednostima koje se sastoje u relativnoj jednostavnosti robusne opreme primjenljive u kombinaciji sa različitim metodama bušenja, u jednostavnosti čestog izvođenja po dubini, i pri tome se dobija istovremeno i uzorak tla, može se upotrebiti u svim vrstama tla i mekim stijenama, kako ispod, tako i iznad nivoa podzemne vode. Nijedan drugi opit „in situ“, koji se primjenjuje u mehanici tla, ne ispunjava tako širok raspon fleksibilnosti. Opit je sada standardizovan u mnogim zemljama tačnim opisom šipki, malja, mehanizma za dizanje i otpuštanje malja, sa manjim razlikama koje se, prije svega, odnose na detalje opreme i na čin izvođenja opita, što treba da obezbijedi minimalni ili mjerljivi gubitak energije koji se udarcem malja prenosi na penetracionu kašiku.
- 21 -
Slika 14, Šema standardnog penetraciononog opita (SPT)
Važan faktor koji utiče na rezultat opita N je energetska efikasnost udarca malja koji se prenosi na buša ću šipku. Teorijska energija slobodnog pada je težina malja 0,623 kN x 0,76 m, što daje 0,475 kNm. Tipi čan odnos stvarne i teorijske energije, sa opremom u zemlji gdje je opit nastao, je bio oko 55% do 60%, iako ova energetska efikasnost može da varira 30% 95%, zavisno od broja namotaja užeta oko kotura če, prečnika bušotine, težine buša ćih šipki, vrste opreme, mehanizma za otpuštanje malja, raspoloženja buša ća i drugih faktora. Interpretaciju ovog terenskog opita u pijeskovima je veoma detaljno obradio Skempton (1986) predlažući da se rezultat, broj udara N, normalizuje na 60% energetske efikasnosti.
2.5.2. Statiči penetracijski opit (CPT) Opitom statičke penetracije mjeri se i otpor koji tlo pruža pri utiskivanju konusnog vrha penetrometra sa uglom od 60° i površinom projekcije osnove konusa od 10-15 cm2 , kao što je to prikazano na Slici 15. Penetrometar se, obično, sidri spiralnim ankerima u tlo a često se, u slučaju većih otpora, mora obezbijediti i balast radi osiguranja reakcije sile koja se nanosi na penetrometar preko čeličnih šipki, ili se montira na teško vozilo. Mjerena veli čina otpora vrha penetrometra ima dimenziju napona i označava se sa qc , pri čemu brzina utiskivanja iznosi oko 2 cm/s. Statički penetrometar se može smatrati minijaturnim šipom, tako da je nezamjenljiv pri ispitivanju u pijeskovima za odre đivanje nosivosti šipova i fundiranju ve ćih objekata. Opit je veoma koristan i ekonomi čan, jer omogućava da se smanji broj bušotina odgovarajućim rasporedom obe vrste radova po površini istražnog podru č ja.
- 22 -
Za izvođenje CPT opita, koji je nastao u Holandiji oko 1935. godine postoji više vrsta penetrometara sa ovdje navedenim ili sli čnim elementima, od kojih ve ćina, osim obaveznog mjerenja otpora vrha, može da mjeri i bočno trenje po omotaču cjevaste šipke na cijeloj dubini utiskivanja ili na ograni čenom dijelu cilindra, „rukavu“, iznad konusnog vrha. Konstruktivni detalji uređaja se mogu razlikovati, a ovdje su prikazana četiri tipična uređaja (Slika 15) koji imaju zajedničku osobinu da šipka kojom se penetrometar utiskuje ima istu površinu presjeka kakvu ima i osnova konusa na vrhu ure đaja tj. 10 cm2 , odnosno prečnik od 35,7 mm. Prema načinu registrovanja sila, stati čki penetrometri mogu biti mehani čki i električni, tako da se upotrebljavaju odgovarajuće oznake M odnosno E.
Slika 15, Statič ki penetrometri (CPT, CPTU)
Da bi se izbjeglo nagomilavanje tla u prostora iznad konusa oko centralne šipke do cjevaste šipke, Vermeiden je konstruisao mehani čki penetrometar sa mufom, prikazan na Slici 15-b, tip M1 i Slici 16, gdje su prikazane i faze rada pri mjerenju. Takva konstrukcija omogu ćava mjerenje posebno otpora vrha, kao glavnog podatka, ali i ukupne sile otpora smicanja tla po cijeloj dužini omotača cjevaste šipke. Iz nekog po četnog položaja prikazanog na Slici 16, potiskivanjem centalne šipke utiskuje se konus sa mufom za oko 7 cm i registruje sila, zatim se potiskuje cjevasta šipka uz posebno registrovanje sile, a nakon toga se potiskuje cijev koja potiskuje i konus do novog položaja, te se mjeri sila ukupnog otpora.
- 23 -
Slika 16, Mehanič ki statič ki penetrometar M1 pri mjerenju otpora vrha i ukupnog otpora bo č nog trenja po omotač u šuplje šipke
Na ovaj način se dobijaju otpori vrha konusa u intervalima od po 20 cm. Iz merenih veličina se može procjeniti veličina smičućih napona koji su delovali na pomjeranom potezu spoljne cijevi, pretpostavljajući da je otpor vrha bio nepromijenjen, izra čunavanjem razlika odgovara jućih sila. Rezultat sondiranja se prikazuje dijagramom čija je najjednostavnija varijanta ilustrovana primjerom na Slici 17.
Slika 17, Prikaz rezultata ispitivanja sa penetrometrom tipa M1
- 24 -
Ovaj rezultat bočnog otpora je orijentacione tačnosti, jer se pri utiskivanju samo cijevi pojavljuje i izvjestan čeoni otpor na mjestu njenog prelaza u muf. Ukoliko se ra čuna sa razlikom komponenti sila, naročito ako po dubini dolazi do promjene otpora vrha usled promjene vrste ili stanja tla, tako izračunate vrijednosti smičućeg napona koji dijeluju na šipku ne moraju biti sasvim tačne, što ne umanjuje korist od rezultata ispitivanja otpora vrha penetometra. Da bi se izbegao ovaj nedostatak i omogu ćilo nezavisno mjerenje lokalnog bo čnog trenja između omotača cijevi i tla, Begemann je konstruisao mehanički penetrometar sa rukavcem koji je izvan područ ja naponskog uticaja konusa prikazan na Slici 15-c, tip M2 i Slici 18. Konus se utisne za 35 mm, a zatim se rukavac zajedno sa konusom utisne za slede ćih 35 mm, tako da je u prvoj fazi izmjeren samo otpor vrha, a u drugoj zbir otpora vrha i lokalnog smi čućeg otpora po rukavcu. Iz razlike ove dvije sile i poznate površine rukavca izra čunava se smi čući napon pri kojem nastaje smičući lom između tla i nivoa baze konusa na relativno kratkom potezu ko ji se naziva i bo čnim trenjem, a označava se sa f s. Ovakvim postupkom se mogu dobiti rezultati u intervalima od po 10 cm, što je veća tačnost nego sa penetrometrom M1, ali se u oba slučaja dobijaju diskontinualni rezultati po dubini u ta čkama sa intervalom 10-20 cm. Radi kontinualnog registrovanja penetracionog otpora konstruisani su i elektri čni penetrometri, koji se utiskuju zajedno sa šipkom, a sile koje na vrh i rukavac djeluju nezavisno se mjere električnim putem, memim trakama ili vibrirajućoni žicom. Merene veli čine se prenose na površinu i automatski i kontinualno beleže i grafički prikazuju. Standardni elektri čni penetrometar sa rukavcem neposredno iza konusa, tip E1 može da mjeri nezavisno i kontinualno otpor vrha i smi čući otpor bočnog trenja. Ovakav penetrometar, kao i ranije opisani mehani čki penetrometri, koriste se, prije svega, za ispitivanja u pijeskovitim materijalima relativno velike vodopropusnosti gdje se pretpostavlja da se primjenjenom brzinom prodiranja ne generišu znatne veličine pornih pritisaka, tako da se mehanizam loma može smatrati dreniranim. U sitnozrnim materijalima primjenjenom standardnom brzinom od 2 cm/s generišu se porni pritisci u veoma komplikovanom naponsko-deformacionom polju, te se radi mjerenja pornih pritisaka u novije vrijeme koriste statički penetrometri koji električnim pijezometrom mogu da mere porni pritisak u podru č ju poroznog keramičkog elementa lociranog kod konusa. Da bi se ovaj opit razlikovao od konvencionalnog CPT opita, za stati čki penetrometar koji omogućava i mjerenje pornih pritisaka koristi se oznaka CPTU. Na na Slici 15-e prikazan je tip E2 sa jednim od češće primjenjivanih položaja poroznog kerami čkog filtera neposredno iznad baze konusa, ali se primjenjuju i sonde sa filterskim elementom na vrhu konusa ili na samom konusnom dijelu. Naravno, veli čina pornih pritisaka, osim od vrste tla i njegove tendencije da se kontrahuje ili dilatira pri deformisanju, zavisi i od položaja filterskog elementa kojim se porni pritisak mjeri. CPTU opit je veoma pogodan za određivanje detalja kontinualnog profila tla jer omogućava uočavanje razlika u vodopropusnosti tla na osnovu veli čine i znaka merenog pornog pritiska, može se mjeriti i hidrostati čki pornih pritisak kada se konus nakon utiskivanja na određenoj dubini privremeno zaustavi i miruje do dostizanja ravnotežnog stanja pornih pritisaka, a na osnovu brzine opadanja opadanja poraih pritisaka se može procjeniti koeficijent konsolidacije. Treba uočiti da se geometrija elektri čnog penetrometra razlikuje od mehani čkih koji imaju suženje iza vrha, tako da ne moraju dati identi čne rezultate. Uputno je uporediti rezultate relativno najrasprostranjenijih tipova M2 i E1 koji se, svaki u svojoj kategoriji, mogu smatrati standardnim. Mnoga poređenja, koja su sistematski sumirali Kulhawy i Mayne (1990), pokazala su da qc dobijen sa E1 je ve ći od qc dobijenog sa M2 u pijeskovima, a obrnuto je kada se porede rezultati u glinama i prašinama. Bo čno trenje f s mehaničkog konusa daje ve ća čitanja nego električni u svim vrstama tla. Odnos u pijeskovima je oko 2, a u marinskim glinama 1,53,5.
- 25 -
Slika 18, Mehanič ki statič ki penetrometar M2 sa rukavcem za nezavisno mjerenje lokalnog boč nog trenja i nezavisno mjerenje otpora vrha penetrometra
Mehanički penetrometri su jeftiniji i ekonomičniji od električnih, robusniji i jednostavniji, ali manje precizni od električnih. Statičko penetraciono sondiranje je znatno brže od bušenja, dnevni učinak može iznositi 50 - 150 m, jeftinije je po jedinici dužine sondiranja u odnosu na jediničnu cijenu bušenja sa uzimanjem uzoraka, ali ne može potpuno zameniti sondažno bušenje, iako CPTU opit predstavlja zna čajno poboljšanje. Izvođenje CPT opita obi čno nije moguće u veoma tvrdim glinama, u šljunku i u krupnozrnom tlu, gdje bi rezultat standardnog penetracionog opita N bio ve ći od 50, iako je deklarisani ka pacitet pritisne sile obi čno najmanje 50 - 100 kN, a češće i do 200 kN, osim u slučaju kada se upotrebi specijalno teška oprema, kamion sa kabinom u tovarnom dijelu iz koje se provodi utiskivanje i mjerenje. Opit se izvodi do dubine na kojoj se iscrpljuje navedena veli čina raspoložive sile, odnosno do neke propisane dubine, ako se sila ne dostigne. U tipi čnim slučajevima se očekuje da izvođač mora da obezbijedi sav potreban pribor za izvo đenje opita do dubine ne manje od 25 metara. S obzirom da se opitom stati čke penetracije ne vadi uzorak tla, u planiranju istražnih radova ova vrsta terenskih ispitivanja se kombinuje sa odgovaraju ćim metodama bušenja radi postizanja optimalnih efekata istraživanja. Veoma je preporu čljivo da se izvjestan broj penetracionih sondi locira u blizini bušotina. Ukoliko je bušotina izvedena prije penetracionog sondiranja, zbog mogu ćih poremećaja okolnog tla, CPT treba izvesti na odstojanju jednakom 20 prečnika bušotine, da bi se utvrdila vrsta tla u kojem su mjerene veli čine qc i f s. Iz većeg broja komparativnih sondiranja mogu će je ustanoviti vrstu tla preko pomenutih veli čina, odnosno njihovih odnosa. Ukoliko je tlo čvršće ili zbijenije, otpor vrha je veći, ali je u glini odnos trenja i otpora vrha ve ći nego u pijesku i šljunku. Postoji više razli čitih empirijskih korelacija koje omogućuju da se na osnovu rezultata penetracionih sondiranja procjeni vrsta tla. Takve korelacije ne moraju imati univerzalni zna čaj, uostalom kao i većina korelacija u mehanici tla, jer zavise od tipa penetrometra i lokalnih uslova.
- 26 -
Slika 19, Vrste i stanja tla na osnovu opita stati č ke penetracije mehani č kim penetrometrom M2
2.5.3. Opit krilnom sondom Ova vrsta ispitivanja je uvedena jer se pokazalo da laboratorijska ispitivanja i sasvim malo poremećenih uzoraka gline daju znatno manje veli čine nedrenirane smi čuće čvrstoće od praktično neporemećenih. Jedna garnitura raspolaže sa sondama čija su krilca i dužine razli čite veličine kako bi se sa raspoloživim maksimalnim momentom torzije, koji uređaj može da prenese, mogle ispitivati gline razli čite čvrstoće. Opit se izvodi ili sa površine terena, kada se sonda nakon svakog opita potiskuje u dubinu do slede ćeg mjesta ispitivanja ili nakon utiskivanja sonde do dubine od tri prečnika bušotine ispod dna bušotine, kada se sukcesivno tokom ispitivanja po dubini mora izvesti manevar bušenja, ukoliko vrsta tla nije pogodna za ovu vrstu is pitivanja.
2.6. GEOFIZIČKE METODE U određenim okolnostima geofizičke metode (seizmička i geoelektri čna) mogu biti korisne u geotehni čkim istraživanjima, naročito u preliminarnim, ranim fazama. Međutim, ove metode nisu pogodne za sve uslove tla. Postoje ograni čenja u pogledu informacija koje se mogu takvim istraživanjima dobiti, tako da se smatraju i nekom vrstom dodatnih istraživanja, jer je uvi jek neophodno provjeriti rezultat i drugim metodama, na primjer bušenjem, tako da se mogu odrediti potrebne korelacije. Ukoliko se one ustanove, geofizi čke metode mogu dati rezultate relativno brzo i ekonomi čno, na primjer, za dopunu detalja duž ve ćih rastojanja između bušotina ili da ukažu na potrebu izvo đenja bušotine na nekom mjestu. Metode mogu biti korisne za određivanje dubine osnovne stijene ili nivoa podzemne vode. Metoda seizmičke refrakcije se zasniva na mjerenju brzina prostiranja dinami čki izazvanih deformacionih talasa. Talas se stvara ili eksplozijom ili udarcem čekića po metalnoj ploči, a registruje na odgovarajućim odstojanjima veoma osjetljivim prijemnim ure đajima, geofonima. Iz brzina prostiranja talasa i vremena pristizanja direktnog i eventualno odbijenog talasa, mo-
- 27 -
že se izmjeriti dubina konture stijene ali i izra čunati seizmički modul elastičnosti koji odgovara veoma niskim nivoima deformacija. Druga metoda, geoelektri čna, koja ima izvjesnu primjenu u gra đevinskoj geotehnici, zasniva se na mjerenju razlike električnog otpora pojedinih vrsta tla i smatra se manje pouzdanom u odnosu na seizmi čku metodu. Obe navedene geofizi čke metode zahtjevaju specijalnu opremu i specijaliste, geofizičare.
2.7. OSTALE METODE ISPITIVANJE „IN-SITU“ Ovde su navedene samo one metode koje se primjenjuju u našoj zemlji ili se njihova primjena može očekivati u bliskoj budućnosti. Nisu nabrojane sve, sada ve ć konvencionalne, metode ispitivanja „in situ“ koje koje se u razvijenom svijetu primjenjuju kao i neke dinami čke penetracione metode koje se lokalno upotrebljavaju u nekim zemljama. Ovde je izostavljen opis pljosnatog dilatometra ( Marchetti 1980), kao i cilindričnog dilatometra (Menard 1957) veoma popularnog u Francuskoj, koji je kasnije modifikovan na više na čina u nekim zemljama,
2.8. PRIKAZ REZULTATA TERENSKIH ISTRAŽIVANJA Rezultati ispitivanja prikazuju se tzv. geotehni čkim izvještajem ili, kako je kod nas uobi čajeno reći geotehničkim elaboratom. Sastoji se od dva dijela. Prvi dio sadrži sve rezultate istraživanja u koje su uključene i geološke i inženjerskogeološke zna čajke istraživane lokacije, a drugi sadrži izvedene vrijednosti parametara i njihovu ocjenu. Rezultati istraživanja sadrže: - 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 nivoa podzemne vode u bušotinama. Geotehni čki je izvještaj ujedno i dio tzv. geotehni čkog projektnog izvještaja. Geotehni čki izvještaj treba da sadrži opis svih terenskih i laboratorijskih radova i dokumentaciju o postupcima terenskih i laboratorijskih ispitivanja. Primjer jednog geotehni čkog izveštaja dat je u nastavku.
Slika 20, Geotehnič ki profil za klizište
- 28 -
Slika 21, Primer geotehni č kog presjeka bušotine
- 29 -
Uobičajeno je da se u bušotinske profile unose rezultati terenskih i laboratorijskih ispitivanja, a da se bušotinski profili nastoje povezati u tzv. geotehni čke profile, tako da se dobije slika podzemnih slojeva. Posao povezivanja slojeva i stvaranje slike podzemlja, kod imalo složeni je situacije, trebao bi raditi inženjer geolog.
Slika 22, Geotehnič ki profil za približno horizontalno uslojeno tlo
- 30 -
