Univerzitet u Banjoj Luci
Rudarski fakultet Prijedor
FIZIČKA SVOJSTVA STENA I TLA
* Plastičnost i konsistencija tla
* Vodopropustljivost tla
* Kapilarnost tla
* Bubrenje tla
* Zbijenost tla
Doc. dr Srđan Kostić, dipl.inž.geol.
Prijedor, 20-21/10/2014
PLASTIČNOST I KONSISTENCIJA TLA
• svojstvo stena da se pod delovanjem spoljašnjih sila deformišu i zadrže
novoformirani oblik; predstavlja tipično svojstvo gline i glinovitog tla
• plastičnost glina i glinovitog tla zavisi od:
• mineralnog sastava čestica manjih od 0,002mm (kaolinit, ilit, montmorilonit)
• sastava katjona (gline koje sadrže jednovalentne jone su plastičnije od glina
koje sadrže dvovalentne jone)
• količine i sastava porne vode – sa povećanjem koncentracije vode smanjuje se
debljina opni oko čestica, a sa tim i plastičnost glina
• stepen pokretljivosti čestica glina pod dejstvom spoljašnjh sila, pri određenoj
vlažnosti, naziva se konsistencija; plastičnost je srednje konsistentno stanje;
Aterberg je izdvojio sedam stanja konsistencije
Stanje konsistencije
Okvirno
Pojedinačno
Čvrsto
Čvrsto stanje
Polučvrsto
Plastično stanje
Žilavo-plastično
Lepljivo-plastično
Tečno stanje
Žilavo-tečno
Gusto-tečno
Retko-tečno
Granica konsistentnog
stanja
Granica skupljanja (Ws)
Granica plastičnosti (Wp)
15-30%
Granica tečenja (Wl)
40-60%
PLASTIČNOST I KONSISTENCIJA TLA
• od konsistencije tla zavisi njegova otpornost na
dejstvo spoljneg opterećenja; zbog toga je kod
proučavanja stabilnosti i nosivosti tla potrebno
poznavanje njegovih plastičnih svojstava i stanja
konsistencije
PLASTIČNOST I KONSISTENCIJA TLA
Vrsta
tla
Indeks
plastičnosti (%)
Indeks plastičnosti
Pesak
0
Prašina
• razlika između vlažnosti na granici tečenja i vlažnosti
Glinovito tlo
na granici plastičnosti
Ip = ωL – ωP
Glina
2-10
10-25
25-75
• indeks plastičnosti pokazuje koja je količina vode potrebna da neko koherentno tlo
pređe iz plastičnog u tečno stanje
• razlika u količini vode između granice tečenja i granice plastičnosti zavisi od
krupnoće čvrstih čestica, od njihovog oblika i mineralnog sastava
• na osnovu odnosa ωp/ωL može se oceniti ugao unutrašnjeg trenja φ i modul stišljivosti
Mv
PLASTIČNOST I KONSISTENCIJA TLA
Indeks konsistencije
• odnos razlike vlažnosti na granici tečenja i prirodne vlažnosti prema razlici vlažnosti na
granici tečenja i granici plastičnosti
Ic =
ωL −ω
ω −ω
= L
ωL −ωP
IP
indeks konsistencije Ic
<0
0 – 0,25
stanje konsistencije tla
tečno stanje konsistencije
stanje tečne plastičnosti
0,25 – 0,50
stanje vrlo mekane plastičnosti
0,50 – 0,75
stanje mekane plastičnosti
0,75 – 1,00
stanje tvrde plastičnosti
> 1,0 (do granice skupljanja)
polučvrsto stanje
> 1,0 (iznad granice skupljanja)
čvrsto stanje
• prema našim propisima razlikuju se dva stepena plastičnog stanja konsistencije:
• teško gnječiva konsistencija, 1 > Ic > 2/3
• lako gnječiva konsistencija, 2/3 > Ic >0
PLASTIČNOST I KONSISTENCIJA TLA
Indeks tečenja
• odnos viška vode u tlu preko granice
plastičnosti prema indeksu plastičnosti:
Ic =
Indeks tečenja IL
Stanje konsistencije tla
<0
Tvrda tla
0 – 1,0
Plastična tla
> 1,0
Tečna tla
ω − ωP
ω −ωP
=
ωL −ωP
IP
Kasagrandeov klasifikacioni dijagram plastičnosti
CI
CL
-
neorganska glina male plastičnosti
CH
-
neorganska glina visoke plastičnosti
CI
-
neorganska glina srednje plastičnosti
ML
-
neorganska prašina male plastičnosti
OL
-
organska prašina i glina male plastičnosti
MH
-
visoko elastična prašina velike plastičnosti
OH
-
organska glina visoke plastičnosti
A linija: Ip=0,73(ωL-20)%
PLASTIČNOST I KONSISTENCIJA TLA
Određivanje granica konsistencije tla
Određivanje granice tečenja
(pomoću tzv. Kasagrandeove treskalice)
PLASTIČNOST I KONSISTENCIJA TLA
Određivanje granica konsistencije tla
Određivanje granice skupljanja
Određivanje granice plastičnosti
• vrši se na isti način kao kod
terenskog
opita
plastičnosti
(valjanjem komada tla u valjak
debljine 3mm)
VODOPROPUSTLJIVOST TLA
• prema Darsijevom zakonu (Darcy, 1856), koji važi za strujanje u zasićenoj poroznoj
sredini, količina vode koja protekne kroz presek sa površinom A, ili jednostavno protok
Q, proporcionalan je hidrauličkom gradijentu:
h1 − h2
Q = k ×i× A = k
A
L
VODOPROPUSTLJIVOST TLA
• relativna vodopropustljivost [Terzaghi, Peck, 1967]
Vodopropustljivost
Koeficijent filtracije k (m/s)
Velika
> 10-4
Srednja
10-3 – 10-5
Mala
10-5 – 10-7
Vrlo mala
10-7 – 10-9
Zanemarljiva
< 10-9
• tipične vrednosti koeficijenata vodopropustljivosti za neke vrste tla (m/s)
Vrsta tla
Čist šljunak
Koeficijent filtracije k (m/s)
1 – 5x10-2
Čisti peskovi i mešavine sa šljunkom
5x10-2-5x10-5
Sitnozrni peskovi i prašine
5x10-5-5x10-7
Ispucale gline
5x10-2-5x10-7
Neispucale gline
< 5x10-7
VODOPROPUSTLJIVOST TLA
Vodopropustljivost zavisi do sledećih pet faktora:
1) veličina zrna k=f(d2)
• za peskove (cm/s): k=C(d10)2, C =100 - 150
2) koeficijent poroznosti
• koeficijent filtracije opada sa povećanjem zbijenosti tla, tj. sa smanjenjem
poroznosti; za peskove:
e3
k=a
1+ e
• odnos koeficijenata vodopropustljivosti za peskove pri minimalnoj i maksimalnoj
zbijenosti retko prelazi vrednost od oko 3
• za gline i glinovito tlo ova zavisnost je složenija:
log k = be
• za razliku od peskova, vodopropustljivost glina je znatno osetljivija na promenu
koeficijenta poroznosti; pri promeni koeficijenta poroznosti sa e=0,9 na e=0,6,
koeficijent filtracije može da se smanji čak i za dva reda veličine
VODOPROPUSTLJIVOST TLA
3) viskozitet vode (temperatura)
t(0C)
30
20
15
10
5
kt/k20
1,25
1,00
0,87
0,77
0,66
4) oblika zrna, njihova raspodela i povezanost, tj. struktura tla
5) količina vazduha u porama
• mehurići vazduha smanjuju slobodan presek za protok vode na sličan način kao i
čvrsto zrno skeleta tla
Metode za merenje vodopropustljivosti tla
• za vodopropusne materijale (šljunak, pesak) – opit sa konstantnim pritiskom
• za slabo vodopropusne materijale (prašina, glina) – opit sa opadajućim pritiskom
• terenski opit određivanja vodopropustljivosti
Metode za merenje vodopropustljivosti tla
Opit sa konstantnim pritiskom
• uzorak tla se stavlja u cilindar visine L sa poprečnim
presekom površine A
• voda teče pod pritiskom visine stuba vode h koja je
tokom opita konstantna
• zapremina vode V, koja protekne u vremenu t,
određuje se merenjem količine vode u menzuri
• protok vode: Q = V / t = k x A x h/L, tako da je: k = (V
x L) / (A x h x t)
Opit sa opadajućim pritiskom
• voda teče pod početnim pritiskom stuba vode visine h0
• nivo vode u bireti opada tokom opita tako da se na kraju
vremenskog intervala t izmeri visina stuba vode h1
• količina istekle vode V meri se u bireti čija je površina
unutrašnjeg preseka A'
Metode za merenje vodopropustljivosti tla
Opit sa opadajućim pritiskom
• ako se za vremenski interval dt nivo vode u bireti spusti za dh, uslov kontinuiteta je:
dV
A' dh
h
=−
=k A
dt
dt
L
odnosno
dh
kA
−
=
dt
h
A' L
ili integrisanjem gornje jednačine u granicama od h0 do h1:
A' L h0
k=
ln
At
h1
Određivanje vodopropustljivosti in situ
• razmatra se protok kroz vodopropusni sloj, izdan, između dva nepropusna sloja
• crpljenje vode vrši se iz bunara ili bušotine koja se proteže kroz ceo poprečni presek
izdani i voda dotiče samo iz izdani
• crpljenje vode vrši se sa konstantnim protokom tako da dolazi do sniženja nivoa
podzemne vode oko bunara
Metode za merenje vodopropustljivosti tla
Određivanje vodopropustljivosti in situ
• ako je promena pijezometarske visine dh, tada je Darsijev zakon:
dh
Q=k
2rπH
dr
• prethodna jednačina se integriše u granicama od h1 do h2 i od r1 do r2:
Q ln(r1 / r2 )
k=
2π (h1 − h2 )H
Kapilarnost tla
• svojstvo tla da apsorbuje tečnost pod dejstvom sile površinskog napona
• javlja se u tlu sa kapilarnom poroznošću i karakteristična je za slabovezana laporovitoglinovita i nevezana sitnozrna tla, kod kojih visina kapilarnog penjanja može iznositi i do
nekoliko metara
• visina kapilarnog penjanja zavisi od
veličine i oblika pora, ispunjenosti pora
vazduhom, kao i od hemijskog sastava
vode
• kada zaronimo kapilarnu cev u sud sa
vodom nivo vode u kapilarnoj cevi će se
podići, jer na molekule vode na površini u
cevi, pored privlačnih sila drugih molekula
vode, deluju i privlačne sile molekula
staklenih zidova cevi (sila adhezije)
• površina vode u kapilarnoj cevi obrazuje
menisk, konkavnog oblika
Kapilarnost tla
• kao posledica razlike pritiska vazduha i vode na
površini membrane, javlja se sila pritiska na površini
vode, čija je veličina u rasponu 59-76 mN/m; ta sila u
membrani izaziva njenu zakrivljenu površinu (menisk)
• ako se sa ua označi pritisak vazduha, sa uw pritisak
vode, sa Ts kapilarna sila, a sa r širina kapilare, tada
sledi iz jednačine ravnoteže membrane da je
sila kapilarnog usisavanja
ua − uw =
• visinu kapilarnog penjanja vode
možemo odrediti pod pretpostavkom
da je ugao izdizanja meniska α=0:
2Ts
ua − uw
hc =
=
γw
r 2πγ w
2Ts
r 2π
Vrsta stene
Pesak, krupnozrni
Pesak, sitnozrni
Prašina
Ilovača
Posna glina
Masna glina
Visina kapilarnog penjanja (m)
0,02-0,05
0,35-0,70
0,50-5,00
5,00-15,00
15,00-50,00
preko 50,00
Kapilarnost tla
• sanacija terena u cilju otklanjanja štetnog delovanja kapilarnih pojava vrši se:
• izradom drenaža
• postavljanjem tamponskog sloja od šljunka i peska (ispod temelja objekata, donjih
strojeva puteva i pruga)
• sniženjem nivoa izdani crpljenjem
• hidroizolacijom objekata
Ispitivanje kapilarnosti
Opit određivanja kapilarne visine direktnim merenjem
Ispitivanje kapilarnosti
Opit određivanja kapilarne visine pomoću kapilarimetra Beskova
hk = 13,6 Hg + h
• kod Jirgensonovog kapilarimetra meri
se pritisak vazduha koji je potreban da
vazduh prodre kroz uzorak, odnosno da
savlada kapilarne sile
• merenje visine kapilarnog penjanja
vode u Iaboratoriji vrši se samo na
poremećenim uzorcima, tako da visina
kapilarnog penjanja određena na ovaj
način ima samo kvalitativnu vrednost
Bubrenje tla
• svojstvo pojedinih vrsta tla da pod dejstvom vode povećavaju svoju zapreminu
• osetljivost i intenzitet bubrenja zavise od više faktora: granulometrijski i mineralni
sastav tla, kao i hemijski sastav porne vode
• za tla koja pri zasićenju vodom bubre, ispunjavaju sledeći uslov:
en − e L
< −0,3
1 + en
en – koeficijent poroznosti u prirodnom stanju, en=(γs-γd)/γd, eL - koeficijent poroznosti na
granici tečenja, eL=ωLγs/γw
Vrste bubrenja
• linearno (jednoosovinsko, kompresiono) bubrenje - relativno izduženje uzorka kod
njegovog slobodnog bubrenja u jednom smeru, Bk=∆L/L, gde je ∆L porast dužine
uzorka kod bubrenja, a L početna dužina uzorka; naziva se standardno bubrenje
ako se ispituje pod pritiskom od 10kPa
• zapreminsko bubrenje - relativno povećanje zapremine uzorka tla kod slobodnog
svestranog bubrenja, BV=∆V/V, gde je ∆V povećanje zapremine uzorka, a V
početna zapremina uzorka
Bubrenje tla
osnovna svojstva bubrenja tla
• granica bubrenja – vlažnost pri kojoj prestaje dalje bubrenje tla: ωb=W/Wd, gde je W
težina vode u uzorku na kraju deformacije usled bubrenja, a Wd težina uzorka u suvom
stanju
• vlažnost zasićenja – vlažnost pri kojoj tlo počinje da bubri; ova vlažnost zavisi od
početne vlažnosti tla i opterećenja koje deluje na tlo; označava se sa ωz i određuje
opitom; Kasagrande je predložio sledeći empirijski obrazac, kojim se daje zavisnost
vlažnosti zasićenja glinovitih tla od njegove granice tečenja:
wz = 15,2(wL − 16,3) + 9%
• konsistencija bubrenja – konsistencija tla posle završenog opita slobodnog bubrenja u
specijalizovanom aparatu; označava se sa Bb
• pritisak bubrenja – pritisak kojim uzorak tla, u koji je dovedena voda, deluje na okolinu;
označava se sa Pb i određuje opitom u edometarskom aparatu
Bubrenje tla
• uticaj mineralnog sastava na bubrenje uslovljen je kako vrstom i oblikom glinovitih
čestica, tako i njihovom specifičnom površinom
Uticaj mineralnog sastava na bubrenja gline
• bubrenje zavisi i od orijentacije glinovitih čestica u tlu
izotropno bubrenje
anizotropno bubrenje
Bubrenje tla
• ocena sklonosti tla prema veličini jednoosovinskog bubrenja
Sklonost bubrenju
Niska sklonost bubrenju
Srednja sklonost bubrenju
Visoka sklonost bubrenju
Vrlo visoka skonost bubrenju
Vrednost jednoosovinskog bubrenja Bk (%)
≤ 10
10-20
20-30
> 30
• ocena sklonosti tla prema veličini standardnog bubrenja
Sklonost bubrenju
Niska sklonost bubrenju
Srednja sklonost bubrenju
Visoka sklonost bubrenju
Vrlo visoka skonost bubrenju
Vrednost standardnog bubrenja Bst (%)
≤ 1,5
1,5-5
5-25
> 25
• stepen bubrenja i moguća promena zapremine mogu se da se procene na osnovu
poznavanja klasifikacionih svojstava tla
Bubrenje tla
• korelacija između indeksa plastičnosti i bubrenja gline
Ispitivanje sklonosti tla ka bubrenju
• edometarski opit
• opit triaksijalne kompresije
Mere protiv štetnog bubrenja
• prethodno potapanje tla u osnovi temelja
• zamena tla koje bubri materijalom koji ne bubri
• izrada drenažnog sistema oko objekta radi smanjenja vlažnosti tla
• kod dubokih temelja fundiranje na šipovima
Zbijenost tla
Zbijenost nevezanog tla
• zavisi od veličine i oblika čvrstih čestica, kao i od strukture tla
• zbijenost nevezanog tla izražava se relativnom zbijenošću ID, koeficijentom koji
pokazuje stepen zbijenosti tla u odnosu na najveću zbijenost:
emax − e
ID =
emax − emin
• krajnje vrednosti relativne zbijenosti su ID=0 (e=emax) za najređu strukturu, odnosno ID=1
(e=emin) za najgušću strukturu
Zbijenost peska
retko zbijeni pesak
srednje zbijeni pesak
gusto zbijeni pesak
Relativna zbijenost ID
0 - 1/3
1/3 - 2/3
2/3-1
• kod nasipa na putevima i na nasutim branama zahteva se da je ID=2/3-1
• prema USBR-u, relativna zbijenost ID za veštačke nasipe treba da bude veća od 0,7
Zbijenost tla
Zbijenost vezanog tla
• zavisi ne samo od veličine i oblika čvrstih sastojaka, kao i od strukture tla, već i od
kohezije u tlu i količine vode
• kontrola zbijenosti tla vrši se pomoću suve zapreminske težine tla: γd=Wd/V
(kN/m3), gde je Wd težina potpuno isušenog uzorka tla (kN), a V zapremina istog
uzorka tla u stanju njegove zbijenosti pre sušenja (m3)
Proktorov opit
Proktorov opit
• za kontrolu zbijenosti tla često se usvaja indeks zbijanja Iz koji predstavlja odnos
suve zapreminske težine tla γd prema zapreminskoj težini dobijenoj po Proktoru γp
Iz =γd / γp
Proktorov opit
• ako se ne raspolaže sa podacima laboratorijskih ispitivanja, približni intervali
optimalnih sadržaja vode iz modifikovanih Proktorovih opita mogu da posluže kao
orijentacija za ocenu stanja vlažnosti tla
Verovatna vrednost optimalne vlažnosti u
Vrsta tla
% prema modifikovanom Proktorovom
opitu
Pesak
6-10
Mešavina peska i prašine
8-12
Prašina
11-15
Glina
13-21
• dosadašnja ispitivanja su pokazala da je odnos ωopt i pokazatelja konsistencije
sledeći:
Proktorov opit
ωL (%)
ωP (%)
Ip (%)
ωopt
-0,5 ωL
ωP + (2 do 3)%
Ip - (1 do 2)%
Laboratorijski opit penetracije (CBR) za ocenjivanje sposobnosti zbijanja tla
• sastoji se u penetraciji uzorka cilindričnim klipom
određenom brzinom, pri čemu se meri otpor pri prodiranju
klipa do dubine od 2,54mm (1 inč) i 5,04mm (2 inča)
• dobijene vrednosti otpora se izražavaju u odnosu na otpor
za istu veličinu prodiranja klipa u jedan standardni materijal
• sličan Proktorovom opitu: u cilindar određene visine i
prečnika ugradi se određena količina materijala, a potom
izvrši se zbijanje materijala u 3 slojeva sa 12, 25 i 55
udaraca po sloju i sa 4-5 različitih sadržaja vode
• potom se na zbijeni uzorak stavi se ploča određene težine
(reda veličine opterećenja od kolovoza)
• donji kraj cilindra se potom zameni perforiranom pločom i
pusti se da uzorak upija vodu 4 dana
• komparaterom se meri bubrenje (jednoosovinsko!)
• nakon isteka 4. dana, uzorak se izlaže prodiranju klipa
određene dimenzije; mere se dubine prodiranja klipa za
određenu vrednost sile utiskivanja
Laboratorijski opit penetracije (CBR) za ocenjivanje sposobnosti zbijanja tla
• proračun CBR-a
sledećem obrascu:
CBR% =
• zbijenost tla procenjuje se prema vrednosti CBR
P( 2,5 mm )
7 MPa
se
100%;
vrši
prema
P(5, 0 mm )
10,5MPa
100%
Zbijenost
CBR%
Vrlo slaba
2-5
Slaba
5-8
Srednja do dobra
8-20
Vrlo dobra
20-30
Download

FIZIČKA SVOJSTVA STENA I TLA