FIZIKALNE LASTNOSTI ZEMLJIN - Gradbenik | Gradbeništvo · PDF file6 AC Klasifikacija...
Transcript of FIZIKALNE LASTNOSTI ZEMLJIN - Gradbenik | Gradbeništvo · PDF file6 AC Klasifikacija...
1
FIZIKALNE LASTNOSTI ZEMLJIN IN HRIBIN I. ZEMLJINE
Wg Vg
Ww Vw
Vv
Ws Vs
Dvofazni ali trofazni sistem 1. Poroznost:
gws
gg
s
ww
s
v eeeVV
eVVe
VVe +==== ,,,
e ... količnik por (realno od 4 do 0.4)
gwg
gw
wv nnn
VV
nVVn
VVn +==== ,,,
n ... delež por (teoretično od 1 do 0, realno od 0.8 do 0.3)
een
nne
+=⇒
−=
11
2
2.0 Zasičenost
nn
ee
VVS ww
v
wr ===
Sr ... stopnja zasičenosti (v praksi 0 oziroma ≅1 ali 0 oziroma 100%) 3.0 Zrnavost – granulometrični sestav MIT Klasifikacija
od do vrsta zemljine
oznaka delitev
60 mm 20 debel 20 6 srednji 6 2
gramoz G droben
2 0.6 debel 0.6 0.2 srednji 0.2 0.06
pesek S droben
0.06 0.02 debel 0.02 0.006 srednji 0.006 0.002
melj M droben
0.002 0.0006 debela 0.0006 0.0002 srednja 0.0002 0.00006
glina C drobna
Količnik enakomernosti: 10
60
ddCu =
Količnik ukrivljenosti: 6010
230
dddCc =
3
4. Vlažnost, konsistenca, lezne meje:
100100100(%)s
wr
ss
ww
s
w eSVV
WWw
γγ
γγ
===
w... vlažnost zemljine (od 10 do 200 %)
≈wγ 10 kN/m3
≈sγ 27 kN/m3
Lw ... meja židkosti
Pw ... meja plastičnosti
Sw ... meja krčenja Indeks plastičnosti: PLP wwI −=(%)
4
Indeks konsistence: PL
L
P
LC ww
wwI
wwI−−
=−
=
0<CI ... židko (ž.k.) 0=CI ... na meji med židko in gnetno (plastično)
konsistenco
310 << CI ... lahko gnetna (plastična) konsistenca (l.g.k.)
32
31 << CI ... srednje gnetna (plastična) konsistenca (s.g.k.)
132 << CI ... težko gnetna (plastična) konsistenca (t.g.k.)
1=CI ... na meji med gnetno (plastično) in poltrdno konsistenco
1>CI ... poltrdna (p.k.) ali trdna (t.k.) konsistenca
5. Gostota:
rwsrws nSn
eeS
VW γγγ
γγγγ +−=
++
== )1(,1
,
γ ... prostorninska teža zemljine(od 15 do 23 kN/m3) Količnik relativne gostote:
minmax
max
minmax
max
eeee
VVVVDr −
−=
−−
= , 10 << rD
Suha prostorninska teža:
)1( wVW
VWs
D +==γ
5
wr
s
s
wr
s
ww
ss
ww
s
w
SweeSe
VV
WWw
γγ
γγ
γγ
γγ
=⇒====
wr
s
sD
wr
s
ss
Sw
Sww
γγ
γγ
γγγγγ
+=⇒
+
+=
11
6
AC Klasifikacija zemljin Debelozrnate zemlj. Koherentne zemljine gramozi peski melji organske gline
Šota
GW SW ML OL CL Pt
GP SP MI OI CI GU SU MH OH CH GC SC GFc SFc GFs SFs
Debelozrnate zemlj. Koherentne zemljine gramozi peski melji organske gline
Šota
GW SW ML OL CL Pt
GP SP MH OH CH GC SC GM SM
Osnova za klasifikacijo nekoherentnih (debelozrnatih ali sipkih) zemljin je granulometrični sestav: čisti peski ali gramozi (SW, SP, SU in GW, GP, GU) so, če je p0.06 < 5%, dobro granulirani gramozi (GW) so, če je 31 << cC in 4>uC , dobro granulirani peski (SW) so, če je 31 << cC in 7>uC , vrsti GC in SC, če je glinasto vezivo v zmerni količini (5 do 12%). Osnova za klasifikacijo koherentnih (drobnozrnatih) zemljin sta meja židkosti in indeks plastičnosti, pri organskih zemljinah pa še barva (črna) in vonj (smrad).
7
8
9
PREPUSTNOST ZEMLJIN k (cm/s) ... koeficient vodoprepustnosti Meja med manj in bolj prepustnimi zemljinami je pri k = 10-7 cm/s Edometer ⇒ preizkus s spremenljivim hidravličnim padcem:
102
10 ln η
∆
=HH
tAhAk
Permeameter ⇒ preizkus s konstantnim hidravličnim padcem:
10ηHAt
hQk∆∆
∆=
CTTT o1,025.025.1 1
110 =−=η
Zrnavost ⇒ Hazen ali USBR:
3.220
210 36,0)(16.1)/( dkalimmdscmk ==
Približne vrednosti koeficienta prepustnosti:
vrsta zemljine k v cm/s čisti gramozi 100 – 1 debel pesek, peščeni gramozi 1 – 10-2 drobni peski, peščeni melji 10-2 – 10-3
melji, zaglinjeni melji 10-3 – 10-5
gline < 10-6
10
V koherentnih zemljinah se vodoprepustnost spreminja v odvisnosti od spremembe efektivnih napetostnih stan oziroma s spremembo poroznosi zemljin. Pogosto velja naslednja sovisnost:
)exp( 21 ekkk =
Koeficient vodoprepustnosti določamo tudi na terenu s črpalnimi preizkusi (v tleh pod nivojem talne vode), z nalivalnimi preizkusi (v plasteh nad talno vodo) in z disipacijskimi preizkusi pri CPT raziskavah. (a) črpalni preizkusi: Enačba Dupuita:
)()ln(ln
lnln 21
22
12
0
20
2
hhrrQ
krR
hHkQ
−−
=⇒−−
=π
π
Empirični obrazec Disserensa:
HDAytfA
yy
tAk
20 0625.0,),(ln ===
11
(b) nalivalni preizkusi:
25,4log423.02 >=
DH
DH
HQk
( ) ( )
+−+
−=
4ln
4ln
)(4 2112
DHDHtt
Dk
12
13
DEFORMABILNOST ZEMLJIN Edometer ⇒ Modul stisljivosti Mv ali Eoed: Valjasti vzorec višine cca 2 cm in premera cca 10 cm je v edometru oklenjen z jeklenim obročem, zgoraj in spodaj je omejen s prepustno porozno ploščo. Vertikalna obremenitev vzorca povzroča stiskanje vzorca (izcejanje vode). Konstrukcija takšnega aparata omogoča raziskavo odnosov med napetostmi in deformacijami v posebnih pogojih. Napetostno stanje je osnosimetrično, deformacijsko pa linearno (preprečene bočne deformacije):
==== 321 , σσσAPq ?
0, 321 =∆
==≡∆
=rr
hhh εερε
Pri vsaki bremenski stopnji, ki je praviloma za faktor dva večja od predhodne, opazujemo časovno spremembo višine vzorca (posedek ρ ali specifično vertikalno deformacijo 1ε ali poroznost e) valjastega vzorca do sekundarne faze konsolidacije (časovna sovisnica mora preiti v logaritmično premico).
14
15
Preiskati moramo obnašanje vzorca za vsa pričakovana napetostna stanja v temeljnih tleh (nično ⇒ prvotno ⇒ pričakovano; za naraščanje in po potrebi za zmanjševanje obtežbe temeljnih tal). Rezultat edometrske preiskave je krivulja stisljivosti )( ,σρρ = oziroma )( ,σee = , iz katere lahko izračunamo za pričakovano spremembo vertikalnih efektivnih napetosti v temeljnih tleh modul stisljivosti.
)1(,'
,,,αααβ
σσσσσ ee
hh
EM oedvzzzzz +∆∆
−=∆∆
=≡⇒−=∆
Modul stisljivosti v gramoznih in peščenih zemljinah ocenimo iz rezultatov terenskih raziskav (SPP, CPT, presiometer) ali tudi posredno iz količnika relativne gostote rD .
16
17
Triosna drenirana preiskava ⇒ Kompresijski in strižni modul (K in G)
Preiskava odnosov med napetostmi, deformacijami in časom na vsaj 3 prizmatičnih vzorcih (pravi triosni aparati) ali na vsaj 3 valjastih vzorcih (klasični triosni aparati). V klasičnih triosnih aparatih tlačno obremenjujemo valjaste vzorce (premera d = 3.6 cm in višine h ≅ 7 cm ali premera d = 10 cm in višine h ≅ 20 cm) s tlakom kapljevine in še dodatno v smeri osi vzorca. Napetostno in deformacijsko stanje v vzorcu je osnosimetrično. Pri izbranemu napetostnemu stanju opazujemo vertikalne premike (skrčke) vzorca in spremembo prostornine vzorca toliko časa, da je dosežena primarna faza konsolidacije.
3231 , σσσσ =+=AP
22
,,,
1331
3200
1
εεεεεε
εεεε
−=⇒+=
=∆
=∆
=
vv
v VV
hh
18
Preiskati moramo obnašanje vzorcev za vsa pričakovana napetostna stanja v temeljnih tleh (nično ⇒ prvotno ⇒ pričakovano; za naraščanje in po potrebi za zmanjševanje obtežbe temeljnih tal).
19
Za spremembo napetostnega stanja:
αβσσσ ,
1,1
,1 −=∆ in αβ
σσσ ,3
,3
,3 −=∆
izračunamo modula K in G po enačbah:
constoo
oo
v
K=
∂∂
=∆∆
=∆
∆+∆=
τεσ
εσ
εσσ ,
0
,,3
,1 2
3
constoo
o
o
o
v
G=
∂∂
=∆∆
=∆−∆∆−∆
=,1
,3
,1
3 σγτ
γτ
εεσσ
S krogci so označene oktaedrske napetosti in deformacije.
)(32,
32
3131 σστ
σσσ −=
+= oo
( ) ( ) ( ) ( )222222 631
,3
zxyzxyxxzzzzyyyyxxo
zzyyxxo
σσσσσσσσστ
σσσσ
+++−+−+−=
++=
)3(32,
332
131
vovo εεγ
εεεε −==
+=
( ) ( ) ( ) ( )222222 632
,3
zxyzxyxxzzzzyyyyxxo
zzyyxxo
εεεεεεεεεγ
εεεε
+++−+−+−=
++=
20
21
22
Triosna nedrenirana preiskava ⇒ Strižni distorzijski modul (Gd) Preiskava poteka na podoben način, kot poteka drenirana preiskava. Bistvena razlika med nedrenirano in drenirano preiskavo je, da so v primeru nedrenirane preiskave preprečene volumenske deformacije vzorca (zaprte drenaže) in da je takšna preiskava bistveno hitrejša.
3231 , σσσσ =+=AP
202
,,0,
1331
3200
1
εεεεε
εεεε
−=⇒=+=
==∆
=∆
=
v
v VV
hh
Za spremembo napetostnega stanja:
αβσσσ 111 −=∆ in αβ
σσσ 333 −=∆
izračunamo modula Kd in Gd po enačbah:
∞⇒=∆
∆=
=∆∆+∆
=)0()0(
23 0
31
εσ
εσσ o
vdK
constoo
o
o
o
dG=
∂∂
=∆∆
=∆∆−∆
=,1
31
3 σγτ
γτ
εσσ
23
Relacije med posameznimi deformacijskimi parametri:
)3(223,
39
GKGK
GKKGE
+−
=+
= ν
5.0,3 == ddd GE ν
)1(2,
)21(3 νν +=
−=
EGEK
)1(23,ν+
==EEGG dd
)1)(21()1(
34
ννν+−
−=+=≡
EKGEM oedv
24
TRDNOST ZEMLJIN
Coulombov strižni zakon:
ϕστ tan+= c Vrhunska strižna odpornost:
fff c ϕστ tan+= Rezidualna strižna odpornost:
rrr c ϕστ tan+=
25
Drenirana strižna trdnost:
,,, tanϕστ += c Določamo jo z direktnimi strižnimi preiskavami (translatorni oziroma rotacijski aparati), s hitro konsolidirano triosno preiskavo in na terenu (SPP, CPT).
26
Nedrenirana strižna trdnost:
uuuuuu cc =⇒=+= τϕϕστ 0,tan Določamo jo z enoosnimi tlačnimi preiskavami, z nedrenirano konsolidirano triosno preiskavo, s krilno sondo in na terenu (SPP, krilna sonda, CPT).
Vpliv prekonsolidacije na strižno odpornost:
27
28
Kje, kdaj in kako uporabljamo podatke o fizikalnih lastnostih zemljine? Deformacijski parametri: izračun napetostnih stanj v temeljnih tleh in zemljinskih objektih, izračun posedkov temeljnih tal oz. objektov, (začetni ali distorzijski, konsolidacijski ali volumenski (sferni), končni, absolutni ter diferenčni) Prepustnost: časovni razvoj posedkov (konsolidacija), znižanje talne vode Trdnostni parametri: mejna napetostna stanja v temeljnih tleh in zemljinskih objektih, stabilnostne analize (vkopi, nasipi, deponije, ...), dopustna obtežba temeljnih tal, nosilnost temeljnih tal, (v začetnih – nedreniranih pogojih, po končani konsolidaciji – drenirani pogoji) zemeljski pritiski (aktivni, pasivni, mirni) – obtežba na podporne konstrukcije, nosilnost zemeljskih sider Vse fizikalne lastnosti (poroznost, konsistenca, gostota, ... deformacijski, prepustnostni in trdnostni parametri) se časovno spreminjajo v odvisnosti od sprememb napetostnih stanj v temeljnih tleh oziroma zemljinskih objektih. So spremenljivke, niso konstantne vrednosti. Praviloma so fizikalne lastnosti zemljin definirane na efektivna napetostna stanja (medzrnski tlaki), le izjemoma na totalna napetostna stanja.
29