Univerzitet u Banjoj Luci
Rudarski fakultet Prijedor
FIZIČKA SVOJSTVA STENA I TLA
* Granulometrijski sastav stena i tla
* Otpor stena i tla na dejstvo mraza
* Zapreminska težina stena i tla
* Specifična težina stena i tla
* Poroznost stena i tla
* Vlažnost stena i tla
Doc. dr Srđan Kostić, dipl.inž.geol.
Prijedor, 07-08/10/2014
Granulometrijski sastav stena i tla
• procentualno učešće zrna određenog prečnika u ukupnoj težini tla
• granulometrijski sastav tla daje važne i sigurne podatke o njegovim pojedinim fizičkim
svojstvima
• ako u tlu preovlađuju glinene čestice veličine ispod 0,002mm, onda se već na osnovu toga
može da zaključi da je tlo plastično, koherentno, higroskopno, visoke kapilarnosti, male
propustljivosti i da ima mali ugao unutrašnjeg trenja
• granulometrijski sastav tla se predstavlja krivama granulometrijskog sastava
1 – šljunčani pesak
2 – prašinasti pesak
3 – peskovita prašina
4 – glinovito tlo
5 – glina
Granulometrijski sastav stena i tla
Stepen neravnomernosti tla (Allen Hazen)
Cu = d60 / d10
d60 prečnik zrna koji odgovara ordinati 60%, d10 prečnik zrna koji odgovara ordinati 10%
Podela tla po stepenu neravnomernosti:
o Cu<5 tlo je ravnomernog sastava (neravnomerno granulisano), odnosno u tlu
preovlađuje jedna frakcija
o 5<Cu<15 tlo je umereno neravnomernog sastava (umereno granulisano)
o Cu>15 tlo je neravnomernog sastava (ravnomerno granulisano), odnosno u tlu ne
preovlađuje jedna frakcija, već je više frakcija približno podjednako (ravnomerno)
zastupljeno
Granulometrijski sastav stena i tla
Klasifikacija tla
• za tla u kojima preovlađuju čvrste
čestice veličine < 2mm, koristi se
trougli dijagram
Američkog biroa za tlo
Laboratorijsko određivanje granulometrijskog sastava tla
• metoda sejanja – za krupnozrna nevezana tla sa preovlađujućom veličinom čestica do
0,06mm
• metoda hidrometrisanja – za sitnozna slabovezana tla sa preovlađujućom veličinom čestica
ispod 0,2mm
Metoda sejanja
Metoda sejanja
ostatak na jednom situ ima veličinu
čestica koja odgovara otvoru
prethodnog sita kroz koje je prošao
Metoda hidrometrisanja
• ova metoda zasniva se na fizičkom zakonu da mineralna zrna različite veličine, a iste zapreminske
težine, imaju različitu brzinu tonjenja u vodi; ukoliko su zrna veća, utoliko je njihovo tonjenje brže
pri istoj zapreminskoj težini
• na ovoj pojavi zasnovan je Štoksov zakon, koji daje brzinu tonjenja loptastih čestica u tečnoj
masi u funkciji njihovog prečnika
2(γ s − γ ω )  D 2 
(cm / s )
v=
 2 
9η


gde je γs – zapreminska težina čvrstih čestica (kN/m3), γω – zapreminska težina tečne mase u kojoj
čestica tone, η – otpor tečnosti, koeficijent viskoznosti (Nxs/cm2), D – prečnik lopaste čestice (cm)
• Stoksov zakon važi samo za mineralna zrna prečnika 0,2-0,0002mm
• odstupanja od Štoksovog zakona:
o Štoksov zakon se odnosi na tela loptastog oblika, dok su čestice tla manje od 0,2mm
pljosnatog oblika
o Štoksov zakon pretpostavlja da je sredina kroz koju tone loptasto telo homogena i
neograničenog prostranstva
o u obrascu Štoksovog zakona pretpostavljena je zapreminska težina čvrste čestice
Metoda hidrometrisanja
• opit hidrometrisanja vrši se pomoću areometra, koji se još naziva i hidrometar ili denzimetar
Metoda hidrometrisanja – Vršenje opita
• odmah po stavljanju menzure na sto,
spušta se areometar u tečnu masu, a zatim
počinje čitanje podela na areometru posle
30'', 1' i 2' računajući od trenutka stavljanja
menzure u vertikalan položaj
• dalja čitanja se vrše u 5', 15', 45', 2h, 5h i
24h računajući od trenutka stavljanja
menzure u vertikalan položaj, pre
spuštanja na sto
• nakon 24h ne vrše se dalja čitanja, jer se
čestice koje još lebde u vodi nalaze pod
dejstvom Braunovog kretanja i manje su
od 0,0002mm
• kod svakog čitanja posle 15' od početka
taloženja, meri se temperatura tečne mase
i beleži
• na osnovu ovih čitanja određuje se
vrednost za prečnik d i količinu čvrstih
čestica P u % bilo računom ili grafički
Metoda hidrometrisanja
• prečnik D čvrstih zemljanih sastojaka koji su se taložili za vreme t od površine tečne mase
do dubine H dobija se iz navedenog Štoksovog zakona:
D=
1800ηH
(γ s −γ ω )t
[mm]
• po isteku vremena taloženja t, na dubini H nema čvrstih sastojaka prečnika većeg od D, jer
takvi sastojci imaju brzinu tonjenja veću od v=H/t i istaložili su se na dubini većoj od H; u
istom trenutku čvrsti sastojci prečnika manjeg od D lebde u vodi iznad dubine H u istoj
količini kao i u početku taloženja, jer je njihova brzina taloženja manja od v=H/t
• procenat čestica koje u datom trenutku t lebde u vodi na dubini H ispod površine, u
odnosu na celu količinu zemljane mase potopljene u vodu, dobija se iz sledećeg obrasca:
100 γ s
(R1 + cT )
P% =
Wd γ s − 1
gde je Wd – težina tla u suvom stanju, R1 – čitanje na areometru, CT – korekcija zbog razlike u
temperaturi tečnosti, ukoliko temperatura tečne mase pri čitanju nije kalibraciona
temperatura areometra, γs – zapreminska težina čvrstih čestica tla
Otpor stena i tla na dejstvo mraza
• termičko širenje stena je promena zapremine stena usled promene temperature;
kvantitativno se izražava termičkim koeficijentom linearne ili zapreminske dilatacije, koji je
srazmeran prvobitnoj dužini (L0) i temperaturnom gradijentu (∆T), a zavisi od vrste stena
∆L = α ⋅ Lo ⋅ (T2 − T1 )
Termički koeficijenti linearne dilatacije nekih vrsta stena (Kujundžić, 1974)
Granit
Termički koeficijent linearne dilatacije α⋅10-5
(1/K)
0,6-0,9
Dijabaz
0,54
Peščar
0,5-1,2
Krečnjak
0,5-0,79
Mermer
0,3-1,5
Kvarcit
1,1
Vrsta stene
Otpor stena i tla na dejstvo mraza
• otpornost stena na delovanje mraza zavisi od poroznosti (veličine, oblika, povezanosti i
rasporeda pora i njihove ispunjenosti vodom), čvrstoće stena, a potom od intenziteta i
dužine trajanja mraza i cikličnog smenjivanja mraza i otopljavanja
• suve stene dobro podnose niske temperature, dok vlažne i stene potpuno zasićene vodom
su manje postojane na dejstvo mraza
• najotpornije na delovanje mraza su stene velike čvrstoće i male poroznosti (većina
magmatskih stena, dobro vezane sedimentne i masivne metamorfne stene)
• neotporne na delovanje mraza su stene velike poroznosti i male čvrstoće (gline, glinci,
lapori i laporci i dr.)
• superkapilarno porozne stene su postojane na mrazu jer se voda iz takvih pora najvećim
delom iscedi, a deo vode koji zaostane ima dovoljno prostora za širenje leda pri leđenju, pa
ne dolazi do stvaranja pritisaka na zidove pora i razaranja stena (bigar)
• postojanost čvrsto vezanih stena na delovanje mraza definiše se odnosom čvrstoća na
pritisak uzoraka stene posle smrzavanja i suvog uzorka pre smrzavanja
Otpor stena i tla na dejstvo mraza
• delovanje mraza kod prašinastih i glinenih stena je specifično
• usled leđenja i otapanja vode u ovim stenama nastaju specifične pojave kao što su
nadimanje i izdizanje, soliflukcija i dr. (tzv. mrazno-dinamičke pojave)
• pri leđenju nastaju kristalizacione sile koje izazivaju kretanje vodenih kapi u područje već
formiranih ledenih sočiva (klinova), čime se stalno povećava zapremina ledenih sočiva;
debljina tako nastalih ledenih sočiva kreće se od 0,1 do 10 mm, a ukupne deformacije
koje tom prilikom nastaju mogu da iznose od 30 do 50 cm
• na veličinu deformacija stena utiču intenzitet i dužina trajanja mraza, granulometrijski
sastav i blizina nivoa podzemne vode
• granulometrijski sastav uslovljava veličinu pora, a ona utiče na vodopropustljivost i
kapilarnost stena - rastresite stene sa zrnima > 0,02 mm imaju malu visinu kapilarnog
penjanja, a čestice veličine < 0,002 mm imaju sporo kapilarno penjanje; stene sa
veličinom zrna između ovih granica podložne štetnom delovanju mraza
• osim uslova u pogledu granulometrijskog sastava mora da postoji mogućnost
dospevanja vode u zonu dejstva mraza; ukoliko je nivo podzemnih voda plići, mogućnost
deformacija tla usled dejstva mraza je veća, a suprotno ukoliko je nivo podzemne vode
dublji
Otpor stena i tla na dejstvo mraza
• zbog stvaranja ledenih sočiva, u glinenim stenama, dolazi do velikih oštećenja kod plitko
fundiranih objekata, puteva, aerodromskih pista i dr.
• dubina dejstva mraza u našoj zemlji je do 0,8-1,0 m, otuda konstrukcije fundirane na dubini
jednakoj ili većoj od 1,0 m nisu izloženi delovanju mraza
• dejstvo otkravljivanja - zaleđene glinene stene pri otkravljivanju u površinskom delu terena
pretvaraju se u kašastu masu ispod koje se nalazi zaleđeni vodonepropustljivi sloj; kašasta
glinena masa je presićena vodom i skoro bez ikakve čvrstoće te se stoga pod pritiskom lako
istiskuje ispod saobraćajnica (puteva i pruga), poletno-sletnih staza aerodroma i sl., pri čemu
nastaju deformacije u terenu i na objektima
Ocena sklonosti tla dejstvu mraza
• ispitivanje prašinasto-glinenih stena u pogledu postojanosti na mrazu vrši se na osnovu
sadržaja čestica < 0,02 mm
• postoji nekoliko kriterijuma za ocenu osetljivosti prašinasto-glinovitih stena na dejstvo
mraza, a u praksi se najčešće koriste kriterijumi Kasagrandea, Ruklija i Šajbla
Ocena sklonosti tla dejstvu mraza
Kasagrandeov kriterijum
Šajblov kriterijum
D < 0,02mm
Rukljiev kriterijum
Zaštita protiv dejstva mraza u tlu
• najefikasnija mera je izrada tamponskog sloja, čija debljina se određuje tako da ukupna
debljina kolovoza i tamponskog sloja bude 0,8m za težak saobraćaj i do 0,6m za laki saobraćaj;
najčešće je debljina tamponskog sloja 0,3m ispod kolovoza dovoljna zaštita protiv dejstva
mraza
• materijal za izradu tamponskog sloja je obično pesak ili peskoviti šljunak koji treba da
zadovolji sledeće uslove: indeks plastičnosti Ip < 5, sadržinu frakcije d < 0,02mm manju od 3%, i
stepen neravnomernosti Cu > 7; gornji deo tamponskog sloja u debljini od 20cm ne sme da
bude jednoličan i sitnozrni pesak zbog nedovoljne zbijenosti i ograničene nosivosti; u ovom
delu tamponski sloj treba da bude peskovit šljunak sa 30-70% zrna veličine 2-30mm
Zapreminska težina stena i tla
W
γ = [kN / m3 ]
V
γ -zapreminska težina stene u prirodnom stanju (kN/m3)
W-težina uzorka stene koji se ispituje (kN)
V-zapremina uzorka zajedno sa porama (m3)
• u praksi se koriste: zapreminska težina tla u prirodnom stanju (γ), zapreminska težina potpuno
suvog tla (γd), zapreminska težina čvrstih čestica (γs), zapreminska težina potopljenog tla (γ′) i
zapreminska težina potpuno zasićenog tla (γz)
Zapreminska težina stena i tla
• zapreminska težina stena zavisi od mineralnog sastava tj. specifične težine minerala,
poroznosti i vlažnosti
• kako su kod većine čvrstih stena poroznost i vlažnost zanemarljivo mali (ispod 1%) to njihova
zapreminska težina zavisi, uglavnom, od specifične težine minerala
• kod poluvezanih stena poroznost i vlažnost mogu iznositi više od jednog procenta (čak i do
nekoliko desetina procenata), te njihova zapreminska težina zavisi, pored mineralnog sastava, i
od poroznosti i vlažnosti
Vrednosti zapreminskih težina nekih vrsta stena
Vrsta stene
Graniti
Dioriti
Gabri
Peridotiti
Daciti
Andeziti
Krečnjaci
Oniksi
Peščari
Mermeri
Serpentiniti
Zapreminska težina (kN/m3)
minimalna
srednja
maksimalna
25,10
26,10
27,10
27,70
28,50
29,30
26,20
28,60
30,50
30,70
31,20
32,00
22,50
25,40
28,40
21,60
25,40
27,10
21,90
26,60
28,70
26,70
26,90
27,30
22,10
25,80
26,90
26,50
27,00
28,20
25,50
26,80
28,10
Približne vrednosti zapreminskih težina tla
Određivanje zapreminske težine tla
Postupak sa cilindrom
• ovaj postupak se najviše primenjuje i vrši na terenu i u laboratoriji, za vezano i nevezano tlo
• metalni cilindar poznate zapremine, sa zaoštrenom ivicom, utiskuje se u tlo ili u neporemećeni
odnosno veštački zbijeni uzorak, tako da se potpuno ispuni zemljanom masom; potom se površina
uzorka izravna nožem sa gornjom i donjom ivicom cilindra i odmah zatim zatvori metalnim
poklopcima, a potom se izmeri na vagi.
• ako je W težina uzorka sa cilindrom i poklopcima, W0 težina samog clindra sa poklopcima, a V
zapremina cilindra, onda je zapreminska težina tla γ = (W-W0)/V [kN/m3]
Postupak sa potapanjem uzorka u živu
• ako je W težina uzorka, Wz težina istisnute
žive, γz –
zapreminska težina žive
(γz=136kN/m3), Vz – zapremina istisnute žive
koja je jednaka zapremini uzorka: Vz x γz = Wz,
onda je zapreminska težina tla
γ=
W Wγ z
=
V
Wz
[kN / m 3 ]
Specifična težina stena i tla
Gs =
Ws / V s
γw
=
γs
γw
Gs - specifična težina čvrstih čestica stene
Ws - težina suvog uzorka tla (kN/m3)
Vs - zapremina čvrstih čestica (m3)
• specifična težina zavisi samo od mineralnog sastava stena
o kod monomineralnih stena ona je vrlo slična ili ista kao specifična težina minerala koji
izgrađuju tu stenu
o kod polimineralnih stena ona je približno jednaka srednjoj vrednosti specifičnih težina
minerala koji izgrađuju stenu.
• variranje vrednosti specifičnih težina kod stena je malo (od 2,5 do 3,2); niže vrednosti specifičnih
težina se javljaju kod stena koje izgrađuju silicijsko-aluminijski minerali, a veće vrednosti kod stena
izgrađenih od fero-magnezijskih minerala; najniže vrednosti specifičnih težina se javljaju kod stena
koje izgrađuju minerali sa hemijski vezanom vodom; najviše vrednosti specifičnih težina se javljaju
kod stena koje sadrže rudne minerale (često i preko 3,2)
• kod iste vrste stena specifična težina može da se razlikuje u zavisnosti od preovlađujuće vrste
minerala; na primer, kod kvarcnih i kvarcnoliskunovitih peščara ona je u granicama 2,69-2,70, a
kod gvožđevitih peščara može dostići vrednost od 3,0 do 3,2
Određivanje specifične težine stena i tla
• poremećeni uzorak tla ili sprašeni uzorak stena se osuši u sušnici na 1050C, zatim se stavi u
eksikator da se ohladi na sobnoj temperaturi, a potom se dobro isitni u laboratorijskoj šolji
• opit se vrši pomoću piknometra, staklene bočice sa dugačkim grlićem zapremine 100cm3;
piknometar se zatvara čepom sa kapilarnom cevi u sredini za ispuštanje vodene pare; za svaki
piknometar poznata je težina sa čepom W0 i njegova težina ispunjenog vodom do gornje ivice
kapilarne cevi Wω na kalibracionoj temperaturi t=200C
• isušeni i ohlađeni uzorak sipa se u piknometar u količini oko 30gr i izmeri na vagi zajedno sa
piknometrom sa tačnošću 0,01gr; oduzimanjem težine piknometra W0 od bruto težine W dobija
se težina suvog uzorka Ws=W – W0; potom se u piknometar sipa destilovana voda tako da bude
2cm iznad uzorka
• nakon što uzorak bude ceo provlažen, piknometar se zagreva kako bi se kuvanjem tečne mase u
njemu istisli svi vazdušni mehurići iz uzorka i vode; kuvanje treba da traje 30min za nevezana tla,
a 45min za vezana tla
• po završenom kuvanju piknometar se ohladi na sobnu temperaturu, pa se zatim dopuni
destilovanom vodom do vrha grlića, ovaj se zatvori staklenim čepom, pri čemu se suvišna voda
istisne kroz kapilarnu cev
• potom se izmeri piknometar sa vodom i uzorkom i dobije težina Wωp sa piknometrom
ispunjenim tečnom masom do gornje ivice kapilarne cevi
Određivanje specifične težine stena i tla
Zapreminska težina čvrstih čestica je:
γs =
Težina suvog uzorka
Zapremina čvrstih čestica
[kN / m 3 ]
• kako je zapremina tela potopljenog u vodu jednaka zapremini istisnute vode, to je zapremina
čvrstih čestica Vs jednaka zapremini vode koju je uzorak istisnuo iz piknometra
(
)
Vs = (Wω + Ws ) − Wωp / 10kN / m3
• prema tome, zapreminska težina čvrstih čestica je:
Poroznost stena i tla
γs =
Ws
Vs
• koeficijent poroznosti: e = Vp/Vs
• definiše se odnosom ukupne zapremine pora i šupljina prema jedinici zapremine stena i tla
• prema vremenu nastanka poroznost može biti primarna i sekundarna n = Vp =
V
Vp
Vp + Vs
⋅100%
• primarna poroznost - nastaje u procesu nastanka stene i tla, pri očvršćavanju magmatskih
stena (pukotine kontrakcije), kod metamorfnih stena pri rekristalizaciji primarnih minerala
obrazuju se latentne mikropukotine, dok kod sedimentnih stena primarna poroznost se obrazuje
u toku sedimentacije i dijageneze
• primarna poroznost nastaje: između zrna - međuzrnska poroznost kod šljunka i peska, kao
rezultat taloženja organskih ostataka (organogeni krečnjaci, bigar), u toku razlaganja organskih
ostataka - cevasta poroznost lesa; primarna poroznost u toku dijageneze sedimenata može
nastati i kao rezultat dehidratacije sedimenata ili njihovog skupljanja (litogenetske pukotine)
Poroznost stena i tla
• strukturni tipovi poroznosti:
a) međuzrnska poroznost
b) pukotinska poroznost
c) kavernoznost
d) cevasta - crevasta poroznost
(a)
(b)
3
(c)
1
2
4
(d)
• najveću poroznost poseduju glinene
stene (50-80%)
• veliku poroznost poseduju i neke
efuzivne stene (50-60%), kao što su
plovućac i vulkanski tufovi, kao i neke
sedimentne
stene:
organogeni
krečnjaci, kreda i dijatomiti (30-35%)
• najmanjom poroznošću odlikuju se
neraspadnute intruzivne magmatske
stene
(a)
(b)
(c)
(a) najređa složenost, n = 48%, e = 0,92
(b) srednja složenost, n = 40%, e = 0,67
(c) najgušća složenost, n = 26%, e = 0,35
Poroznost stena i tla
Određivanje poroznosti tla
• metalni cilindar poznate zapremine utisne
se u neporemećeno tlo ili uzorak većih
dimenzija, izravna se gornja površina uzorka
sa ivicama cilindra i stavi da se osuši na
1050C do stalnosti težine
• zatim se ostavi da se ohladi na sobnoj
temperaturi i ponovo izmeri na vagi zajedno
sa cilindrom
• ako je V unutrašnja zapremina cilindra, Vm
zapremina čvrstih sastojaka tla bez pora, Wd
težina uzorka u suvom stanju, γs zapreminska
težina čvrstih čestica, poroznost tla je:
n=
Vp
V
=
V − Vm
V
=1− m
V
V
• zapremina Vm određuje se na osnovu suve
težine uzorka Wd, Wd=Vm x γs, odakle je
Vm=Wd/γs
Ukupna poroznost nekih vrsta stena
Vrsta
stene
Granit
Diorit
Gabro
Dacit
Peščar
Krečnjak
Mermer
Šljunak
Glina
Mulj
Les
Ukupna poroznost (%)
minimalna
srednja
maksimaln
a
0,3
1,9
5,0
0,3
1,3
2,5
0,1
0,9
5,1
0,3
3,9
13,0
0,3
4,9
17,0
0,3
1,8
27,2
0,3
1,1
4,3
24,0
28,0
36,0
34,0
42,0
57,0
76,0
80,0
89,0
35,0
45,0
59,0
Vrednosti koeficijenta poroznosti za
neka nekoherentna tla
Vlažnost stena i tla
Vrste vode u tlu
• porna voda - sastoji se iz slobodne gravitacione vode, koja se kreće pod dejstvom gravitacije
odozgo naniže u svim pravcima, zatim kapilarne vode koja se kreće pod dejstvom kapilarnih sila i
vode površinskog napona koja se drži površinskim naponom u uglovima između čvrstih čestica tla
i naziva se još ugaona porna voda; sva ova voda se može potpuno da ukloni sušenjem tla na
temperaturi od 1000C
• adsorbovana voda - obavija čvrste čestice za koje je vezana molekularnim silama; to je tzv.
vodeni film, čija se debljina kreće od 6-80μm; ova voda može samo delimično da se ukloni
sušenjem na 1000C
• konstituciona voda - hemijski sjedinjena u kristale minerala čvrstih čestica tla; ove vode ima vrlo
malo i ne može da se ukloni sušenjem tla na temperaturi od 1000C, pa stoga može da se smatra
kao sastavni deo čvrste čestice
Količina vode u tlu
Tlo potpuno zasićeno vodom
• ako se poroznost tla označi sa n, zapreminska težina čvrstih čestica sa γs, a zapreminska težina
vode sa γω, onda se vlažnost zasićenog tla ωz može da izrazi jednačinom:
n − γω
ωz =
(1 − n )γ s
Količina vode u tlu
Tlo delimično zasićeno vodom
• ako se sa W označi težina vode u tlu, sa Wd težina čvrstih čestica (suva težina tla), onda je
vlažnost tla ω=W/Wd; u ovom slučaju vlažnost može da se izrazi stepenom zasićenja Sr, kao
odnosom stvarne težine vode u tlu prema onoj težini vode u istom tlu kada bi sve pore bile
ispunjene vodom :
ω
Sr =
ωz
• granične vrednosti za stepen zasićenja su Sr=0 za potpuno suvo tlo, i Sr=1,0 za potpuno zasićeno
tlo; za malo vlažna tla Sr=0-0,5, za vrlo vlažna tla Sr=0,5-0,8, a za vodom zasićena tla Sr=0,8-1,0
Određivanje vlažnosti tla laboratorijskom metodom pomoću električne sušnice
• komadić tla iz neporemećenog uzorka stavi se između dva konkavna stakla (tzv. sahatna
stakla), koja se pričvrste metalnom stezalicom i sve zajedno se izmeri na analitičkoj vagi, a
potom stavi u električnu sušnicu gde se suši na 1050C do stalnosti težine
• po završenom sušenju, uzorak, zatvoren u sahatna stakla stezalicom, stavi se u eksikator da se
ohladi na sobnu temperaturu, nakon čega se ponovo izmeri
• ako je W težina uzorka u prirodnom stanju vlažnosti sa sahatnim staklom i stezalicom, Ws –
težina uzorka u suvom stanju sa sahatnim staklom i stezalicom, Wt – težina sahatnog stakla i
stezalice, vlažnost tla je:
W − Ws
težina vode
ω=
=
težina tla u suvom stanju Ws − Wt
Download

Poroznost stena i tla