Mehanika stijena i tla – skirpta S. Kostić

1

Mehanika terena predstavlja naučnu disciplinu koja izučava fizička, mehanička i tehnološka svojstva stena i tla, kao i promene njihovog naponsko-deformacijskog ponašanja izazvanih građevinskom ili rudarskom delatnošću, kao i usled dejstva savremenih egzogeodinamičkih procesa. Dva osnovne grane ove naučne discipline jesu Mehanika tla i Mehanika čvrstih stenskih masa, zbog čega se često za Mehaniku terena koristi i naziv Mehanika stena i tla. Sa stanovišta rudarskog inženjerstva, izučavanje svojstava stena i tla od suštinskog je značaja pri izvođenju ma kakve vrste rudarskih radova. Mehanika tla ima posebno mesto pre svega u površinskoj eksploataciji mineralnih sirovina, primarno pri definisanju stabilnosti kosina površinskih kopova, kao i za definisanje vrednosti parametara fizičko-mehaničkih svojstava tla. S druge strane, Mehanika čvrstih stenskih masa primarno je vezana za podzemnu eksploataciju mineralnih sirovina, pri izvođenju iskopa, uskopa, niskopa, tunela, podzemnih skladišta i skloništa, i sl., mada svoje mesto nalazi i u površinskoj eksploataciji čvrstih stenskih masa, u cilju definisanja njihovih mehaničkih i tehnoloških svojstava (čvtrstoća, tvrdoća, žilavost, drobljivost, habanje, otpor prema rezanju i kopanju, i dr.). Definisanje fizičko-mehaničkih svojstava stena i tla predstavlja prvi i osnovni zadatak pri izvođenju bilo koje vrste rudarske aktivnosti, u cilju odabiranja pravilnog načina i tehnologije iskopa, kao i odgovarajućeg alata i mašina. Štaviše, pouzdano određene vrednosti fizičko-mehaničkih svojstava tla omogućavaju pravilan izbor adekvatnih preventivnih i akutnih mera sanacije.

1.1. Mehanika tla

Mehanika tla je nauka koja se bavi proučavanjem tla kao mase koja treba da sama sebe održi u ravnoteži, da primi i nosi opterećenje objekata, i najzad, kao materijala koji služi za izradu zemljanih objekata [Obradović, Najdanović, 1999]. Mehanika tla se može definisati i kao fundamentalna disciplina geotehnike u koju spadaju problemi fundiranja, mehanike stena, tehnologije građenja u tlu i steni i primena prirdonih materijala tla i stena u građenju objekata [Maksimović, 2008]. Mehanika tla ima široku primenu kod ispitivanja stabilnosti zemljanih padina i kosina, kao i preduzimanju mera za njihovo saniranje, kod projektovanja i građenja temelja građevinskih objekata, potpornih zidova, hidrotehničkih objekata, zemljanih brana i nasipa, puteva, železnica i drugih radova u domenu građevinarstva, arhitekture, geologije u rudarstva.

Izučvanja osnovnih principa Mehanike tla ima za cilj njihovu primenu u rešavanju tipičnih problema u površinskoj eksploataciji mineralnih sirovina:

- stabilnost kosina površinskih kopova; - određivanje uslova fundiranja građevinskih objekata na površinskim kopovima; - poboljšanje mehaničkih svojstava tla primenom različitih postupaka geotehničkih

melioracija.

U V O D

Mehanika stijena i tla – skirpta S. Kostić

2

Metode geomehaničkog proučavanja tla zasnovane su na poznavanju fizičko-mehaničkih svojstava tla, koje se određuju laboratorijskim opitima i izražavaju brojčanim vrednostima. Laboratorijska geomehanička ispitivanja uveo je Karl Tercagi, koji je 1925.g., kao tadašnji profesor Tehničke visoke škole u Beču objavio knjigu ,,Mehanika tla na bazi fizičkih svojstava tla''. U ovoj knjizi Tercagi je izneo nove, do tada nepoznate geomehaničke metode proučavanja tla, zasnovane na laboratorijskim opitima određivanja fizičko-mehaničkih svojstava tla, pomoću aparata koje je sam konstruisao, kao i na geomehaničkim proučavanjima po principima mehanike i statike. Danas su ove metode znatno usavršene i proširerene terenskim ispitivanjima, tako da se korisno primenjuju u cilju racionalnog i sigurnog izvođenja radova u tlu ili sa materijalom tla.

Tlo, ili ,,teren'' predstavlja onaj deo litosfere (odnosno Zemljine kore) u kojem se osećaj uticaj izvođenja građevinskih ili rudarskih radova, i koji je pod dejstvom savremenih egzogeodinamičkih procesa.

Zadatak mehanike tla je da utvrdi mehanička svojstva tla, odnosno, ponašanje tla pod uticajem sila (u sadejstvu sa veštačkim objektom) i da ih kvantitativno izrazi. Zbog toga, upoznavanje sastava tla i njegovih prirodnih fizičko-mehaničkih svojstava, kao i istorije njegovog formiranja, koji danas uslovljavaju njegovo neposredno ponašanje, predstavlja zadatak koji se u okviru Mehanike tla rešava, uz saglasnost sa srodnim naučnim disciplinama.

1.1.1. Vrste tla U Mehanici tla razlikuju se tri glavne vrste tla: nevezana tla (nevezane ili sipke stene), vezana tla (slabo vezane stene) i tla organskog porekla.

Nevezana ili nekoherentna tla su ona čiji sastojci nisu vezani nikakvim prirodnim vezivom. U suvom stanju, kada nisu pod uticajem vlage, čvrsti sastojci nevezanog tla su potpuno slobodni u zemljanoj masi i između njih postoji samo trenje, koje se naziva unutrašnje trenje. Nevezane sipke stene su izgrađene od mineralnih zrna ili odlomaka stena koji se samo dodiruju. Njihova svojstva zavise od oblika, veličine i složenosti zrna. Odlikuju se malom stišljivošću, velikom vodopropustljivošću i poroznošću. Uticaj vode na njihova fizičko-mehanička svojstva je mali. Iskopi izvedeni u njima su stabilni sa nagibom kosina manjim od ugla unutrašnjeg trenja (prirodnog nagiba). Pružaju mali otpor pri iskopu. Imaju primenu kao građevinski materijali (agregat za izradu betona, maltera i dr.). Njihova podela prema granulometrijskom sastavu data je u Tabeli 1.1.

Tabela 1.1. Podela nevezanih tla prema granulometrijskom sastavu

Blo

kovi

(m

m)

Dro

bina

(m

m)

Šljunak (mm) Pesak (mm) Prašina (mm)

kru

pan

sred

nji

sita

n

kru

pan

sred

nji

sita

n

kru

pna

sred

nja

sitn

a

200

0

20

0

60

20

6 2

0,6

0,

2

0,0

6

0,0

2

0,00

6

0,0

02

Šljunčane stene se sastoje od nevezanih oblutaka-zrna prečnika većeg od 2 mm. Peščane stene se sastoje od sastojaka nevezanih zrna prečnika 0,06-2 mm. Prašinaste stene se sastoje od

Mehanika stijena i tla – skirpta S. Kostić

3

čestica prečnika 0,002-0,06 mm. U vlažnom stanju njihova masa je slabo vezana, a u zasićenom vodom postaje kašasta i tečljiva. Dosta su porozne. Pore su po veličini kapilarne i subkapilarne. Kretanje vode u njima je sporo. Visina kapilarnog penjanja i higroskopnost su im veliki. Stene sa zrnima većim od 2 mm su krupnozrne i u njima nema kapilarnog penjanja. Kod stena čije su čestice veličine ispod 0,002 mm veliki uticaj na fizička svojstva imaju mineralni sastav, veličina čestica i vlažnost.

Naglasimo da se frakcija prašine ponekad naziva i mulj, naročito u međunarodnoj literaturi (engl. silt). Međutim, u našoj literaturi, pojam mulj označava određenu vrstu tla organskog porekla.

Vezana tla (slabo vezane stene) ili koherentna tla su ona čiji su čvrsti sastojci vezani međusobno kohezijom. Koherentna tla mogu da imaju vrlo nestalna fizička svojstva, koja se lako menjaju pod uticajem vode. U vezana tla spadaju ona koja sadrže čvrste sastojke veličine ispod 0,002mm. Tlo koje sadrži pretežno sastojke veličine 0,002-0,0002mm naziva se glina, a ako su ovi sastojci veličine 0,0002-0,00002mm onda je u pitanju koloidna glina (naziv vodi poreklo od termina koloidi, kojim se označavaju guste tečnosti). U prirodi se čista glina vrlo retko javlja. Najčešće je ,,izmešana'' sa drugim sastojcima i naziva se ilovača (sa peskom i prašinom), laporovita glina (sa primesama karbonata), uma (sa većim sadržajem magnezijuma). Obično se usvaja da se tlo koje sadrži više od 50% glinovitih sastojaka naziva masna glina (ili samo glina), dok se tlo koje sadrži manje od 50% glinovitih sastojaka naziva glinovito tlo. Tlo koje sadrži manje od 5% glinovitih sastojaka smatra se da ima svojstva nekoherentnog tla.

Slabo vezane stene su izgrađene od čestica sitnijih od 0,002 mm. Njihove čestice su povezane vodno-koloidnim vezama odnosno elektro-molekularnim silama preko opnica fizički vezane vode koja obavija njihove čestice. Elektromolekularne sile su nekoliko puta veće od sile zemljine teže, prelaze nekoliko stotina MPa, a dostižu vrednost čak i do 1000 MPa. Njihovo dejstvo se sa udaljavanjem od površina čestica naglo smanjuje, tako da se na rastojanju od pola mikrona praktično svodi na nulu. Svojstva ovih stena su uslovljena odnosom čvrste, tečne i gasovite faze u jedinici zapremine. Kod njih se u dodiru sa vodom javljaju hidrofizička svojstva kao što su lepljenje, kaljanje, bubrenje. Poroznost im je vrlo velika. Pore su po veličini kapilarne i subkapilarne. Pokreti vode u takvim porama su spori, ali vrlo veliki, i do 50 m. Praktično su vodonepropustljive i slabo ocedljive. Parametri čvrstoće, tj. ugao unutrašnjeg trenja (ϕ) i kohezija (c), zavise od sadržaja vode. U suvom stanju su osrednje stišljive, a u vodom zasićenom stanju su vrlo stišljive. Pri većem opterećenju od graničnog ispoljavaju se plastične deformacije. Hemijski su postojane (gline) ili slabo rastvorljive (lapori). Prema stepenu konsolidacije dele se na dobro konsolidovane i slabo konsolidovane.

Dobro konsolidovane su one slabo vezane stene čiji uzorci nakon potapanja i stajanja u vodi od 48 sati zadržavaju prvobitnu strukturu (lapori). Nasuprot njima uzorci slabo konsolidovanih stena potapanjem i stajanjem u vodi od 48 sati se rasipaju tj. gube prvobitnu strukturu (deluvijalne gline, ilovače i sl.).

Najbrži i najprostiji način za ocenu kojoj grupi pripada neko tlo je da se uzorak osuši i pokuša da se pod prstima zdrobi. Nekoherentna tla se odmah raspadaju. Glinovita tla se pod prstima drobe u manje komade, kada glina može postati tvrda skoro kao kamen.

Tla organskog porekla sastoje se iz velikog dela organskih ili biljnih materija, sa glinovitim i drugim sastojcima. Zbog sadržine ovih sastojaka, ova tla su vrlo nepostojana i jako upijaju vodu, te su zbog toga nestabilna i ne mogu služiti kao temeljno tlo niti kao materijal za izradu zemljanih objekata. U ova tla spadaju humus, mulj i treset. Humus je plodno tlo, koje se nalazi u površinskom sloju Zemljine kore, debljine obično nekoliko decimetara. Ovo tlo se sastoji iz

Mehanika stijena i tla – skirpta S. Kostić

4

mešavine organskih i mineralnih materija sa mnogo bakterija. Pri izradi zemljanih nasipa, kolovoza i sličnih radova u tlu, kao i kod kopanja u pozajmištu materijala za izradu zemljanih objekata, treba iskopati i ukloniti ceo sloj humusa, koji može da se upotrebi samo za zaštitu zemljanih kosina protiv ispiranja vodom. Mulj se sastoji iz mešavine organskih materija u obliku vrlo sitnih čestica sa mineralnim materijama poput gline, prašine i peska. Najčešće se nalazi na dnu nekadašnjih reka i jezera. Treset se sastoji of velike količine biljnih i organskih materija u obliku vlakana sa manjim sadržajem minerala.

1.1.2. Terenska identifikacija i klasifikacija tla Identifikacija predstavlja određivanje karakterističnih svojstava tla. Ona se vrši na terenu prilikom vađenja uzoraka. Klasifikacija je određivanje vrste tla na bazi njegovih karakterističnih svojstava, određenih terenskom identifikacijom ili laboratorijskim ispitivanjem. Postoji više sistema klasifikacije tla na bazi terenske identifikacije: - Kasagrandeova klasifikacija (AC klasifikacija, američka), - Klasifikacija Američkog biroa za reklamacije (United States Bureau of Reclamation, USBR) - Unificirana klasifikacija tla (Unified Soil Classification, USC klasifikacija) - Klasifikacioni sistem AASHO (Američko udruženje službenika državnih autoputeva). a. Unificirana klasifikacija tla Unificirana klasifikacija tla usvojena je 1952.g. i danas je prihvaćena od većine geomehaničkih ustanova u svetu. Po ovoj klasifikaciji, tla se dele u 6 osnovnih grupa, koje se po svojim fizičkim svojstvim bitno razlikuju: - šljunak, sa mineralnim sastojcima veličine zrna 60-2mm, - pesak, sa mineralnim sastojcima veličine zrna 2-0,06mm, - prašina, sa mineralnim sastojcima veličine zrna 0,06-0,002mm, - glina, sa mineralnim sastojcima veličine zrna ispod 0,002mm, - organsko tlo, sitni organski sastojci, nastali raspadanjem organskih i biljnih materija, - treset, vlaknasti sastojci biljnog porekla. Sistem Unificirane klasifikacije tla prikazan je u Tabeli 1.2, dok je u Tabeli 1.3 dat AASHO klasifikacioni sistem. b. Simboli Za označavanje pojedinih vrsta tla upotrebljavaju se simboli, koji se obeležavaju latinskim slovima: - simboli za označavanje glavne vrste materijala koji preovlađuju u tlu, koja daje glavna svojstva, na primer šljunak, pesak, glina i dr; - simboli koji označavaju neko karakteristično svojstvo tla (granulacija, plastičnost, i dr.). Simboli za glavne vrste tla Šljunak G (engl. Gravel) Pesak S (engl. Sand) Prašina M (engl. Mo, Silt)

Mehanika stijena i tla – skirpta S. Kostić

5

Glina C (engl. Clay) Organska prašina i Organska glina O (engl. Organic) Treset Pt (engl. Peat) Simboli za karakteristična svojstva tla W – dobro granulisano, široke granice krupnoće zrna i znatne količine svih krupnoća u tim

granicama, P – slabo granulisano, uske granice krupnoće zrna; preovlađuje jedna krupnoća ili raspon

krupnoće, dok pojedine međukrupnoće nedostaju, F – velika sadržina sitnih čestica, L – mala plastičnosti, granica tečenja WL < 50%, H – velika plastičnost, granica tečenja WL > 50%. Tabela 1.2. Sistem Unificirane klasifikacije tla (ASTM oznaka D – 2487).

Mehanika stijena i tla – skirpta S. Kostić

6

Tabela 1.3. Sistem klasifikacije tla AASHO (Američkog udruženja službenika državnih autoputeva) (AASHO oznaka M – 145).

Naglasimo da se u prirodi tla retko nalaze u samo jednoj od navedenih grupa, već su obično međusobno izmešana u različitim razmerama. AASHO klasifikacioni sistem primenjuje se u oblasti gradnje autoputeva. Odnos između USC i AASHO klasifikacije prikazan je u tabeli 1.4. Tabela 1.4. Približno ekvivalentne grupe USC i AASHO klasifikacije tla.

Za potrebe izgradnje puteva, Kasagrande je dao približne vrednosti karakteristika (zapreminske težine tla u suvom stanju, γd, CBR, modul reakcije tla K, kao količnik kontaknog napona i sleganja u tački kontaktne površine; naglasimo da domaći standard SRPS ne predviđa određivanje modula reakcije tla, već samo modula stišljivosti i modula defomacije) i ocenio upotrebljivost pojednih vrsta tla za posteljice (temelj puta, podloga za noseći sloj puteva), kao i stepena stišljivosti (smanjenja zapremine pod dejstvom opterećenja), bubrenja (povećanja zapremine pod uticajem vode), osetljivosti na dejstvo mraza i drenažne karakteristike tla (odnosno karakteristike vodopropustljivosti, tj. ocedljivosti). Pored toga, Kasagrande je dao preporuku kojom vrstom oruđa je potrebno zbijati pojedine vrste tla (Tabela 1.5).

Mehanika stijena i tla – skirpta S. Kostić

7

Tabela 1.5. Ocena pojedinih karakteristika tla i njegova upotrebljivost pri izgradnji puteva (Kasagrande).

c. Identifikacioni opiti Za identifikaciju tla, u cilju određivanja njegovih svojstava, postoji 8 jednostavnih opita: 1. Vizuelno određivanje veličine zrna šljunka i peska a. Oblik i karakteristike zrna. Pregledati i klasifikovati zrna šljunka i peska prema obliku, konstatovati čvrstoću, prisustvo veziva, oštećenost površina usled atmosferskih uticaja, i dr. b. Raspodela zrna po krupnoći. Uzorak se rasprostire na ravnu površinu i osmatra raspodela veličine zrna. Ako su sve veličine dobro zastupljene, smatra se daje tlo dobro granulisano (W), a ako preovlađuju jedna do dve frakcije, onda je slabo granulisano (P). Ako prevolađuje jedna frakcija u vrlo uskom granulometrijskom području, onda je tlo jednolično granulisano (U). 2. Određivanje sadržaja sitnih frakcija Za klasifikaciju krupnozrnog tla značajan je sadržaj primesa sitnih frakcija ispod 0,074mm. Ova količina može pbiližno da se odredi na terenu ispiranjem uzorka vodom u situ otvora 0,074mm sve dok voda ne postane bistra i zatim procenom količine sitnog materijala uklonjenog na ovaj način. Drugi postupak je opit taloženja koji se vrši na sledeći način. Uzorak tla se stavi u menzuru koja se zatim napuni vodom i dobro izmeša, a potom se ostavi da se materijal istaloži. Čestice veće od 0,074mm istalože se iz suspenzije za oko 20-30 sekundi, dok će se sitnije čestice taložiti duže vreme. Procena količine krupne i sitne frakcije može se izvršiti na osnovu njihovih istaloženih zapremina u menzuri.

Mehanika stijena i tla – skirpta S. Kostić

8

3. Opit trešenja Ovaj opit se primenjuje za sitnozrna tla ili sitnozrne frakcije krupnozrnog tla. Opit se izvodi naizmeničnim trešenjem na dlanu i gnječenjem među prstima jedne male mokre grudve tla. Pri trešenju se posmatra da li voda izbija na površinu dajući tlu sjajan ili mutan izgled. Uzorak se tada ponovo stisne među prstima, usled čega se voda izgubi i tlo ponovo dobije mutan izgled. Pri tome se smanjuje vlažnost uzorka, on se stvrdnjava i najzad mrvi pod povećanim pritiskom prstiju. Pojavljivanje i nestajanje vode pri trešenju i gnječenju naziva se ,,rekacija'', koja se javlja u tri vida: 1) brza reakcija: voda se pojavljuje i nestaje brzo, što ukazuje na nedostatak plastičnosti; 2) spora reakcija: voda se pojavljuje i nestaje sporo, što ukazuje na malo do srednje plastičnu glinu; 3) nema reakcije: stanje vode ne pokazuje nikakvu promenu; trešenjem uzorak ne dobija sjajnu površinu, gnječenjem ne postaje krući, što ukazuje na znatno do visoko plastičnu glinu male propustljivosti. 4. Opit plastičnosti Odbace se krupna zrna preko 1,5mm, a od preostalog sitnozrnog materijala pokvasi se manja količina, koja se gnječi prstima dok se potpuno ne izmeša. Potom se tako pripremljena masa valja na nekoj ravnoj površini dok se ne izvalja u valjak prečnika oko 3mm. Ovaj postupak se ponavlja dok se valjak pri toj debljini ne počne da lomi, tj. do granice plastičnosti, koja se interpretira na sledeći način: 1) visoka plastičnost, koja se raspoznaje po tvrdom valjku od 3mm, koji može da se zbije u grudvu na granici plastičnosti ili još manje vlažnosti, i da se i dalje gnječi bez mrvljenja; 2) srednja plastičnost, koja se raspoznaje po srednje tvrdom valjku od 3mm, ali se grudva formirana od njega mrvi, pošto je dostignuta vlažnost na granici plastičnosti; 3) mala plastičnost, koja se raspoznaje po mekom valjku od 3mm, koji se lako lomi, mora se valjati oprezno i nakon dostizanja granice plastičnosti, ne može se više zgrudvati pri daljem gnječenju; 4) bez plastičnosti, kada se uzorak ne može da uvalja u valjak od 3mm. 5. Opit lomljenja (opit suve čvrstoće) Ovaj opit se vrši da bi se odredila čvrstoća tla u suvom stanju. Izvodi se na uzorku koherentnog tla isušenog na vazduhu, lomeći ga i mrveći pod prstima. Čvrstoća tla u suvom stanju interpretira se na sledeći način: 1) nema čvrstoće: uzorak se odmah raspada pod pritiskom prstiju (neplastična tla); 2) mala čvrstoća: uzorak se lako lomi pod pritiskom prstiju (tla male plastičnosti); 3) srednja čvrstoća: uzorak pokazuje umerenu čvrstoću kada se lomi prstima (tla srednje plastičnosti); 4) velika čvrstoća, kada je tlo praktično nemoguće slomiti pod prstima (tla velike plastičnosti).

Mehanika stijena i tla – skirpta S. Kostić

9

6. Miris i boja Organska tla odmah po završetku bušenja, koja nisu prethodno bila izložena atmosferskim uticajima, imaju obično specifičan oštar miris raspadnutih organskih materija. Ovaj miris može da se učini još primetnijim grejanjem prirodno vlažnog uzorka. Pored toga, organske materije u tlu daju mu upadljivu tamnu boju. Boju svakog tla treba uvek navesti zbog mogućnosti nagoveštavanja porekla tla. 7. Opit kiselinom Opit služi za određivanje količine kalcijum-karbonata u tlu. Vrši se pomoću 2% hlorovodonične kiseline, koja se pusti da padne sa 2-3 kapi na uzorak. Približno određivanje kalcijum karbonata vrši se po sledećoj tablici: - ne šumi, ≤ 1% CaCO3 po težini, - slabo kratko šumljenje, 1-2% CaCO3 po težini, - jasno kratko šumljenje, 3-4% CaCO3 po težini, - jako i dugo šumljenje, ≥ 5% CaCO3 po težini. Tlo sa velikom čvrstoćom u suvom stanju, ako ne šumi pri opitu, predstavlja visoko koherentno tlo, a ako jako šumi, onda se njegova velika čvrstoća u suvom stanju pripisuje cementirajućem svojstvu CaCO3. 8. Opit pomoću sjaja Ovaj opit predstavlja brzi dopunski opit za određivanje prisustva gline u tlu. Sastoji se u tome da se oštricom noža zaseče grudva suvog ili slabo vlažnog uzorka tla. Ako se na zasečenom materijalu pojavi sjajna površina, ona ukazuje na visoko plastičnu glinu, dok mutna površina ukazuje na tlo male plastičnosti. d. Simboli grupa Prema ovoj klasifikaciji, sva tla se klasifikuju u 15 grupa i svaka od njih se označava sa dva simbola, od kojih jedna označava glavnu vrstu materijala koji preovlađuje u tlu, a drugi važno karakteristično svojstvo (Tabela 1.6).

1.2. Mehanika stena

Mehanika stena je naučna disciplina koja se bavi ispitivanjima i istraživanjima čvrstih (kamenitih) stenskih masa, kao prirodnih i radnih sredina, radi što boljeg upoznavanja njihovih fizičkih i posedno mehaničkih svojstava, i njihovog mehaničkog ponašanja pod dejstvom daljih opterećenja ili naponskih stanja.

Mehanika stena u rudarstvu ima posebno mesto, naročito za potrebe podzemne eksploatacije mineralnih sirovina:

- određivanje uslova iskopa; - pravilan izbor načina i tehnologije iskopa, i - odabir adekvatnog načina oblaganja i podgrađivanja.

Mehanika stijena i tla – skirpta S. Kostić

10

Tabela 1.6. Simboli grupa za klasifikaciju tla.

U okviru površinske eksploatacije mineralnih sirovina, znanja Mehanike stena se najčešće koriste pri ispitivanju mehaničkih i tehnoloških svojstava kamena.

Pod mehaničkim svojstvima stenskih masa podrazumevaju se ona svojstva koja se ispoljavaju kada na njih deluju spoljne sile. Kvantitativni izrazi tih svojstava, ili njihovih pojedinih parametara, nazivaju se mehaničke karakteristike. Najčešće se pod mehaničkim svojstvima stenskih masa podrazumevaju deformabilnost i čvrstoća. Pod mehaničkim ponašanjem stenskih masa podrazumeva se, najčešće, stanje napona, stanje deformacija ili lom, koji su izazvani bilo opterećenjem stenskih masa datim sistemima sila, bilo iskopom i odstranjivanjem dela stenske mase, na površini ili u podzemlju.

Pod pojmom stena se, geološki posmatrano, podrazumevaju svi materijali koji izgrađuju Zemljinu koru. Prema tome, i nevezani materijali, kao što su peskovi i šljunkovi, kao i poluvezani materijali, gline, predstavljaju stene. Međutim, u građevinarstvu i rudarstvu pod pojmom stena podrazumevaju se samo čvrste kamenite stenske mase, a peskovi, šljunkovi i gline, kao i njihove međusobne kombinacije svrstavaju se u pojam tla. Otuda i naziv Mehanika tla za naučnu i tehničku disciplinu koja se bavi izučavanjem mehaničkog ponašanja ovih materijala.

Pod pojmom stenskih masa podrazumevaju se stene određenog obima, kao prirodne i radne sredine, u njihovom prirodnom položaju i stanju, sa njihovim prirodnim opštim fizičkim i strukturnim svojstvima.

Osnovne razlike između stenskih masa i tla sastoje se u sledećem:

Mehanika stijena i tla – skirpta S. Kostić

11

- stenske mase su, po pravilu, stare formacije, a tla su, sa malim brojem izuzetaka, mnogo mlađa. Relativnom mladošću tla može se, u izvesnoj meri, objasniti i nizak stepen njihove konsolidacije i petrifikacije;

- mehaničke otpornosti tla su vrlo male u odnosu na mehaničke otpornosti stenskih masa; - deformabilnost tla takođe je vrlo mala u odnosu na deformabilnost stenskih masa; - uticaj vode na tla izrazito je veći nego na stenske mase. Za izvesne uslove sadržaja vode, tla

mogu da postanu tečna, a njihovo sušenje ili vlaženje vrši na njih brz i odlučujući uticaj, što nije slučaj kod stenskih masa;

- stenske mase se nalaze u prirodnom stanju napona koje se bitno razlikuje od prirodnog naponskog stanja u tlu, i to kako kvantitativno, tako i kvalitativno. Kako se tla po pravilu nalaze na površini terena, naponi koji u njima vladaju su relativno mali u odnosu na napone izazvane dodatnim opterećenjima. U tlu vlada relativno jednostavno stanje napona izazvano dejstvom gravitacije i Puasonovom efektom. U stenama, koje se prostiru vrlo duboko u Zemljinoj kori, prirodni naponi su daleko veći i daleko su od toga da budu zanemarljivi. Sem toga, oni su izazvani ne samo dejstvom gravitacije, veći i dejstvom tektonike i erozije Zemljine kore. Stoga je prirodno stanje napona u stenskim masama vrlo složeno;

- jedna od osnovnih karakteristika stenskih masa je njihova ispucalost. Dok se metode i teorije Mehanike tla zasnivaju na pretpostavkama kontinuuma, tj. neprekidnih sredina, Mehanika stena je, u stvari, primenjena Mehanika diskontinuuma, odnosno Mehanika ispucalih sredina, i mora biti zasnovana na pretpostavkama diskontinuiteta. U ovome, pored karaktera i veličine prirodnih napona, leži i suštinska razlika između Mehanike tla i Mehanike stena.

Zbog pretpodstavke kontinuuma u Mehanici tla je moguće gotovo isključivo laboratorijskim metodama na malim uzorcima tumačiti pojave vezane za velika izvođenja i proveravati ispravnost postavljenih hipoteza. Prema tome, moguća je ekstrapolacija rezultata dobijenih na malom uzorku na teren, odnosno na velika izvođenja u tlu, u prirodi. U Mehanici stena, ispitivanja na malim uzorcima, izuzev u ograničenom broju slučajeva, ni teorijski ni praktično nemaju smisla. Mehanika stena mora, zbog toga, da se oslanja na velike oglede ,,in situ'', u brdskim masivima, u prirodnim uslovima ispucalosti, napregnutosti, heterogenosti i anizotropije.

Iz navedenih razloga se i zakoni Mehanike tla ne mogu mehanički prenositi u Mehaniku stena. Mehanika stena otkriva zakonitosti mehaničkog ponašanja i postavlja hipoteze koje odgovaraju stenskim masama.

Kao što se stenske mase s jedne strane razlikuju od tla, one se, s druge strane, razlikuju i od kamena posmatranog izolovano od stenske mase. Mali uzorak stenske mase, kamen, ne sadrži u sebi svojstva stenskih masa koje sačinjavaju čitave brdske masive sa svom njihovom istorijom nastanka, stanjem i svojstvima. Za komad kamena, koj može da se posmatra kao građevinski materijal, mogu da se u većini sluačjeva primene i zakoni mehanike kontinuuma, posebno Teorije elastičnosti i Nauke o čvrstoći, što za stenske mase nije slučaj.

Polazeći od definicje Mehanike stena kao nauke koja se bavi proučavanjem mehaničkog ponašanja stenskih masa, kao prirodne i radne sredine, izloženih datom sistemu sila, ili dovedenih u određeno stanje napona ili deformacija, jasno je da Mehanika stena obuhvata i proučavanje njihovih fizičkih svojstava i karakteristika: specifične i zapreminske težine, poroznosti, vodopropustljivosti, toplotnih, električnih i drugih svojstava, čije je poznavanje često potrebno za ispravnu primenu raznih metoda istraživanja i tumačenja dobijenih rezultata.

Kako ispucalost stenskih masa predstavlja jedno od najbitnijih svojstava po kojima se stenske mase razlikuju od tla, Mehanika stena proučava ispucalost i posebno uticaj ispucalosti na njihovo mehaničko ponašanje. Mehanika stena takođe izučava i heterogenost i anizotropiju stenskih

Mehanika stijena i tla – skirpta S. Kostić

12

masa, koje pored prirodne napregnutosti i diskontinualnosti spadaju u opšta fizičko-strukturna svojstva stenskih masa.

Prirodna napregnutost odnosno naponska stanja u stenskim masa spadaju u red najvažnijih i najsloženijih problema koje izučava Mehanika stena. Ona nastoji da protumači primarna naponska stanja u stenskim masa pre dejstva čoveka, i sekundarna naponska stanja do kojih u stenskim masama dolazi pri građevinskim zahvatima u njima, pri iskopima bilo na površini terena, bilo ispod površine terena.

Mehanika stena izučava deformabilnost stenskih masa tumačeći njen karakter i izražavajući je kvantitativno. Mehanika stena razvija metode eksperimentalnog ispitivanja deformabilnosti, kao i metode tumačenja rezultata dobijenih eksperimentalnim, terenskim i laboratorijskim ispitivanjima i istraživanjima.

Mehanika stena izučava mehaničke otpornosti stenskih masa, odnosno otpornosti na dejstvo pritiska, zatezanja i smicanja; razvija metode njihovog ispitivanja i tumači dobijene rezultate.

U vezi sa podzemnim iskopima, pored sekundarnih stanja napona, Mehanika stena se bavi i proučavanjem podzemnih pritisaka, mehanizmima njihovog nastajanja, vidovima ispoljavanja, određivanjem njihovih pravaca i intenziteta, i s tim u vezi, načinima njihovog savladavanja.

Od posebnog značaja je izučavanje desjtva vode, statičko i dinamičko, na stenske mase, koje, u određenim sluačjevima, može da ima bitan uticaj na mehaničko ponašanje samih stenskih masa ili objekata koji se u njima grade.

Dejstvo alata i eksploziva na stenske mase, odnosno problem razaranja stenskih masa takođe je predmet izučavanja Mehanike stena, koja obuhvata izučavanje mehaničkih problema vezanih za bušenje, miniranje, rezanje, drobljenje, mlevenje i habanje stenske mase.

Uticaj seizmizama na stenske mase i radove u njima, kako na površini terena, tako i ispod površine terena, takođe spada u predmet izučavanja Mehanike stena.

Problemi stanja napona i deformacija izazvanih dejstvom opterećenja na stenske mase, koji su vezani za fundiranje velikih objekata, spada u red važnih problema kojima se bavi Mehanika stena.

Mehanika stena izučava i problem stabilnosti prirodnih padina, u njihovim prirodnim uslovima ili izmenjenim, npr. izloženih dejstvu vode pod pritiskom iz veštačkih akumulacija vode, kao i veštačkih kosina, čija je izrada vezana za useke železničkih pruga ili puteva, površinske kopove, i dr.

Mehanika stena obuhvata i izučavanje problema vezanih za podzemne radove i objekte, i u tom skklopu, pored prethodno pomenutih izučavanja sekundarnih stanja napona i deformacija i podzemnih pritisaka, bavi se i problemima međusobnih uticaja stenskih masa i obloga podzemnih objekata u pogledu njihovog zajedničkog mehaničkog ponašanja.

Mehanika stena se bavi i izučavanjem uslova i osnova za primenu geotehničkih melioracija, odnosno postupaka za poboljšanje kvaliteta stenskih masa, kao i njihovih uticaja na ponašanje stenskih masa koje su poboljšane primenom ovih postupaka, u koje, u prvom redu, spadaju: injektiranje, sidrenje, drenaže, i dr.

U Mehanici stena razvijen je niz eksperimentalnih statičkih i dinamičkih metoda ispitivanja i istraživanja, koje se redovno primenjuju u inženjerskoj praksi. Pod statičkim metodama ispitivanja podrazumevaju se one metode eksperimentalnog ispitivanja kod kojih se stenska masa izlaže dejstvu statičkog opterećenja, tj. opterećenja koje se ne menja u funkciji vremena ili se u funkciji vremena menja veoma polako, dok se pod dinamičkim metodama podrazumevaju one metode kojima se ispituje stenska masa pod dejstvom dinamičkog opterećenja, tj. opterećenja

Mehanika stijena i tla – skirpta S. Kostić

13

koje se brzo menja u funkciji vremena (udar), odnosno kada se uzima u obzir i dejstvo dinamičkih sila.

Eksperimentalna ispitivanja mogu biti terenska i laboratorijska. Pod terenskim ispitivanjima podrazumevaju se ona ispitivanja koja se vrše na terenu ,,in situ'', u prirodnim uslovima. Laboratorijska ispitavanja vrše se u laboratorijama, na probnim uzorcima koji su u tu svrhu uzeti iz stenske mase. U laboratorijska ispitivanja spadaju i ispitivanja na fizičkim, odnosno mehaničkim modelima. S obzirom na karakter stenske mase, odnosno na njena opšta fizičko-strukturna svojstva, očigledno je da terenska ispitivanja imaju daleko veći značaj i vrednost od laboratorijskih. Pri terenskim ispitivanjima treba težiti da se, u što je moguće većoj meri, podražavaju uslovi u kojima će se stenska masa naći po završetku radova, odnosno izgradnje objekta. Drugim rečima, metode terenskih ispitivanja treba da predstavljaju modele stanja napona i deformacija u odnosu na problem o kome se radi.

Pored metoda ispitivanja mehaničkih karakteristika stenskih masa, u terenska ispitivanja spadaju i osmatranja gotovih objekata izvedenih u stenskim masama. Rezultati primene ove eksperimentalne metode omogućavaju kontrolu pretpostavki učinjenih pri projektovanju objekata u stenskim masama.

Laboratorijska ispitivanja u načelu ne treba smatrati pogodnim načinom za upoznavanje mehaničkih karakteristika stenskih masa, pre svega zato što se u laboratoriji ispituje kamen, a ne stena. Probni uzorak, da bi uopšte mogao da se izvadi i obradi, mora da bude komad ,,zdravog'' kamena, tj. monolit, što vodi dobijanju suviše optimističnih rezultata pri laboratorijskim ispitivanjima. Ovo se u prvom redu odnosi na laboratorijska ispitivanja deformabilnosti, određivanja vrednosti modula elastičnosti i modula deformacije, otpornosti na pritisak, zatezanje i smicanje, i sl.

Međutim, izvesna laboratorijska ispitivanja imaju i svoje opravdanje. Laboratorijskim ispitivanjima može da se dobije prilično pouzdana slika o nekim mehaničkim karakteristikama stene kao kamena, na primer, tvrdoće, čije je poznavanje neophodno za rešavanje problema bušenja, miniranja, kao i nekih problema iskopa ili eksploatacije stenskih masa. Poseban značaj imaju laboratorijska ispitivanja pukotinskih ispuna u laboratorijama za Mehaniku tla.

Za rešavanja niza složenih praktičnih problema, Mehanika stena se služi i metodama modelskih ispitivanja. Na dvodimenzionalnim modelima mogu da se rešavaju i problemi vezani za ravno stanje napona, ili deformacija, a na trodimenzionalnim modelima problemi vezani za prostorna naponska stanja. Modelskim ispitivanjem mogu da se, između ostalog, rešavaju i sledeći problemi: uticaj deformabilnosti stenske mase na naponsko stanje u betonskim visokim branama, stabilnost betonskih brana s obzirom na lom smicanja u temeljnoj steni, naponsko stanje u zoni oko veštačkog otvora u brdskom masivu, i dr.

Mehanički modeli, koji se ponekad nazivaju i geotehnički modeli, izrađuju se od materijala koji odgovaraju zakonima sličnosti pri čemu se, u načelu, teži što vernijem podržavanju diskontinualnosti, anizotropije i heterogenosti stenske mase (pukotinski sistemi, slojevitost, škriljavost, veći diskontinuiteti, rasedi, i dr.). Ovakvi modeli opterećuju se na odgovarajući način, u zavisnosti od tipa konstrukcije, čime se u njima izazivaju željena naponska stanja. Deformacije i pomeranja mere se specijalnim instrumentima, a na osnovu rezultata dobijenih ovakvim merenjima mogu da se sračunaju veličine napona i deformacija u stenskoj masi predstavljenoj na modelu.

Za modelska ispitivanja koristi se i metoda fotoelastičnosti. Ova metoda može da se koristi i u slučajevima kada se prethodnim ogledima pritiska ,,in situ'' utvrdi da se stenska masa, u konkretnom sluačju, može da smatra elastičnom sredinom. Fotoelastična metoda sastoji se u

Mehanika stijena i tla – skirpta S. Kostić

14

tome što se modeli, gometrijski slični datom objektu, izrađuju od specijalnih prozračnih materijala koji u opterećenom stanju pokazuju optičku aktivnost, sličnu onoj koju imaju kristalna tela. Takvi modeli posmatraju se u polarizovanoj svetlosti, i kao rezultat opažanja dobijaju se familije krivih linija (izokline i izohrome), koje omogućavaju potpunu rekonstrukciju naponskog stanja. Postoji ravna i prostorna fotoelastičnost. Pri korišćenju ravne fotoelastičnosti, modeli se isecaju iz tabli prozračnih materijala, a kod prostorne fotoelastičnosti modeli se liju od specijalnih materijala, tzv. araldita, izlažu se opterećenju u uslovima visokih temperatura, a zatim se hlade. U ohlađenom modelu naponi ostaju ,,zamrznuti''. Model se zatim iseca u željenim pravcima i tako dobijeni delovi se ispituju u polarizovanoj svetlosti, kao kod ravne fotoelastičnosti. Fotoelastična metoda naročito je pogodna za proučavanje problema oblikovanja podzemnih prostorija i fundiranja velikih inženjerskih objekata.

U metode modelskih ispitivanja spada i barodinamička metoda, koja se sastoji u tome što se u specijalno konstruisanoj centrifugi izazivaju sile, koje zamenjuju dejstvo sile teže.

Razvoj softverskih rešenja, i, s tim u vezi, numeričkih metoda proračuna, omogućio je širu primenu numeričkih metoda, kojim se obuhavata i varira veći broj parametara pri proračunima i rešavanja pojedinih problema. Za potrebe Mehanike stena naročito se pokazala korisnom Metoda konačnih elemenata. 1.2.1. Vrste stena

U našoj praksi se najčešće koristi opšta inženjerskogeološka klasifikacija stena koja sve stene prema čvrstoći veze zrna tj. agregata deli u tri grupe: čvrsto vezane, slabo vezane i nevezane-sipke stene. Čvrsto vezane stene su one stene kod kojih su veze između zrna kristalizacione. Kod kristalasto-

zrnastih stena one su ostvarene preko međukristalizacione materije u vidu veoma tanke opne debljine oko 10-8 cm. Strukturne veze su hemijske prirode. Preovlađuju kovalentne nad jonskim vezama. Kod posredno vezanih stena veza je ostvarena preko veziva-cementa koje delimično ili potpuno ispunjava prostor između zrna. Čvrstoća veza može da bude različita. Stoga se u ruskoj literaturi među čvrsto vezanim stenama izdvajaju kamenite i polukamenite stene. Osnovna svojstva čvrsto vezanih stena zavise od vrste mineralnih sastojaka i njihove svežine, vrste veziva, sklopa (struktura i tekstura) i različitih defekata stenske mase (uklopci, pukotine).

Kamenite stene poseduju veliku čvrstoću. Čvrstoća na pritisak njihovih uzoraka varira od 5-500 MPa. Mogu biti homogene ili heterogene i izotropne ili anizotropne. Malo su deformabilne. Imaju veliku elastičnost. U pogledu fizičkih izmena su otporne, a u pogledu hemijskih izmena otporne i srednje otporne (krečnjaci, dolomititi, mermeri). Ukoliko su kamenite stene ispucale i raspadnute njihova svojstva se pogoršavaju. Povećava se poroznost, a u vezi s tim i vodopropustljivost. Postaju deformabilnije pri čemu se deformacije u njima, uglavnom, obavljaju na račun pukotina i ispuna u njima.

Polukamenite stene kao i kamenite poseduju kristalizacionu vezu između zrna, ali je ona znatno slabija od veze kod kamenitih stena. Čvrstoća na pritisak uzoraka ovih stena je do 50 MPa. Pri velikom opterećenju mogu da ispolje izvesnu stišljivost. Slabo su postojane na delovanje atmosferilija. Slabo su porozne i praktično vodonepropustljive. Fizički su otporne, a hemijski stabilne i slabo rastvorljive. U ovu grupu stena spadaju laporci, glinci, gipsit, glineni škriljci.