Rudarski fakultet, Prijedor Drugi ciklus akademskih studija

Seminarski rad METODE TERENSKIH ISTRAŽIVANJA

Predmet: Monitoring sistemi u Mehanici stijena

Predmetni nastavnik: Prof dr Mirko Ivković

Student: Mikanović Radenko

Index: 10/2012 Prijedor, februar 2013

SADRŽAJ

1. UVOD....................................................................................... 1

1.1. MEHANIKA TLA I STIJENA.......................................................................... 1

1.2. MEHANIKA STIJENA - MEHANIKA TLA, SLIČNOSTI I RAZLIKE ........ 3

1.3. ISTRAŽNI RADOVI......................................................................................... 4

1.4. PLANIRANJE TERENSKIH ISTRAŽNIH RADOVA.................................... 5

2. METODE TERENSKIH ISTRAŽIVANJA ............................ 7 2.1. SONDAŽNE JAME .......................................................................................... 7

2.2. SONDAŽNI BUNARI I GALERIJE................................................................. 8

2.3. ISTRAŽNO BUŠENJE ..................................................................................... 9

2.4. UZIMANJE UZORAKA................................................................................. 17

2.5. ISPITIVANJA „IN-SITU“ .............................................................................. 20

2.6. GEOFIZIČKE METODE ................................................................................ 27

2.7. OSTALE METODE ISPITIVANJE „IN-SITU“............................................. 28

2.8. PRIKAZ REZULTATA TERENSKIH ISTRAŽIVANJA.............................. 28

3. ZAKLJUČAK ........................................................................ 31

4. LITERATURA....................................................................... 31

- 1 -

1. UVOD

1.1. MEHANIKA TLA I STIJENA Sve što čovjek napravi, a da to ne leti ili 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 utiče na uspjeh, sigurnost i ekono-miju objekta. Prema tome, tlo kao građevinski materijal, je isto toliko važno kao beton ili če-lik, a „Mehanika tla i stijena“ se bavi svojstvima tla i stijena koja su važna za građevinarstvo 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 tipičnih problema geotehnike:

• ocjena sposobnosti tla ili stijena da primi opterećenje temelja konstrukcija građevin-skih objekata,

• analiza stabilnosti zemljanih konstrukcija, nasipa i nasutih brana, • određivanje pritisaka tla i stijena na konstrukcije, • prognoziranje kretanja vode kroz tlo i stijenu, • stabilnost padina, potencijalnih ili aktivnih klizišta i drugih kosina, • poboljšanje mehaničkih osobina tla i stijena.

Mehanika tla se može definisati na više načina. Na primjer, može se reći 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 liči uopšte na mehaniku, već više na poznavanje materijala. Razlike, u odnosu na pomenute discipline mehanike, postoje bar iz najmanje tri razloga: granice do-mena u kome se stvarni problem razmatra i granični uslovi, koji obično nisu sasvim jasno de-finisani, 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, mehaničkim ponašanjem manje ili veće mase tla i stijena, dok se problemi hemijske ili fizičke 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 po-drazumijevaju pretpostavke mehanike kontinualne sredine i mehanike krutog ili deformabil-nog tijela pri opisu fizičkih modela koji odražavaju najvažnije oblike ponašanja tla i stijena, specifičnog ali i veoma raznovrsnog materijala, za koji fizička teorija treba da bude opšte primjenljiva i racionalno prihvatljiva. Geolog, obično prilazi problemu intuitivno, deskriptiv-no, na globalan i kvalitativan način, često više insistirajući na problemu nego na rešenju. Kompleksnost problema se prenaglašava, verbalna deskripcija je često obimnija od one koja bi bila relevantna za građevinskog inženjera, numerički podaci se daju u veoma širokim inter-valima, a pojednostavljenja se prihvataju samo uz izvjesno oklijevanje. Ukoliko se pojednos-tavljenja i prihvate njima se ne sme dati formalan širi ili opštiji značaj od onog koji odgovara realnom i racionalnom okviru područja na koji se odnosi.[1]

- 2 -

Uputno je razmotriti kakve bi kriterijume primjenio inženjer u praksi pri ocjeni i izboru meto-de u rješavanju konkretnih problema. Mogu se sugerisati tri kriterijuma koji se mogu sumirati kao:

• jednostavnost, • pouzdanost u praksi i • mala greška u poređenju sa raspoloživim tačnijim postupcima

Jednostavnost je veoma važna ako metod treba da bude široko prihvaćen od strane inženjera. Metod bi morao biti takav da ga može koristiti i prosječan inženjer, a da pri tome ima jasan uvid u relativan značaj svih faktora koje metodologija obuhvata. Pojednostavljenje fizičkih osobina materijala se mora primjeniti sa maksimalnom pažnjom i to samo u onoj mjeri koja je neophodna za praktičnu realizaciju analize. Jednostavnost, u obliku zahtjeva od prije četrdese-tak godina, kada je logaritmar bio osnovno računsko sredstvo inženjera, sada svakako nema isto praktično značenje, ako se ima u vidu revolucionarni tehnološki razvoj u području auto-matske obrade podataka i primjenu računara.

Pouzdanost se u praksi može ocjenjivati na više različitih načina. Prvi način, koji podrazumi-jeva da su konstrukcije, projektovane određenom metodom, stabilne, predstavlja samo ne-negativan dokaz. Pri tome se podrazumijeva da su zadovoljena polu-empirijska pravila, obič-no data različitim standardima i pravilnicima, čije se implikacije često ne mogu kvantifikovati, te nema indikacija o deficitu racionalnosti i ekonomičnosti, koji su prateća pojava prevelikih faktora sigurnosti. Drugi način za provjeru pouzdanosti bi podrazumijevao dokaz da izmjereni naponi odgovaraju izračunatim veličinama. Ova provjera nije moguća 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 teško-ćama. Koncept napona je apstraktnog karaktera, dok je fizička realnost vidljiva samo u obliku deformacije ili pomjeranja.

Merenja pornih pritisaka su moguća sa znatno većom 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 slučajeve incidentnih rušenja različitih objekata u građevinskoj praksi.

Kriterijum o maloj i dopustivoj grešci u odnosu na raspoložive tačnije postupke, ima sada znatno manju težinu u odnosu na važnost koja se pridavala ovom kriterijunm prije tridesetak godina. Rasprostranjenost i pristupačnost brzih digitalnih računara, sa značajnim kapacitetima radne memorije i odgovarajućim periferijskim jedinicama, krajem šezdesetih i početkom se-damdesetih godina u našoj zemlji omogućava da se metode numjeričke analize praktično afirmišu. Metode granične ravnoteže i metode konačnih 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 mogućnost da se praktično provedu izuzet-no 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 riječi od kojih se neke ne čuju u svakodnevnom govoru, neke reci su pozajmljene iz drugih jezika jer ih u na-šem jeziku nema, a neke reci iz našeg jezika se moraju ponovo definisati radi primjene u me-hanici 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.

- 3 -

Terminologija mehanike tla i stijena je zaokružena na engleskom jeziku koji se u najvećoj mjeri koristi u objavljivanju stručnih i naučnih rezultata u časopisima i na međunarodnim stručnim skupovima Širom svijeta. U spisku simbola na kraju ove knjige navode se i neki iz-vorni izrazi iz kojih skraćenice potiču, kako bi se izbjegla upotreba stranih reči u samom tek-stu. Većina, oznaka i skraćenica koje je usvojilo „Međunarodno društvo za mehaniku tla i fundiranje“1, potiču iz engleskog jezika. U međuvremenu, ova međunarodna organizacija os-novana 1936 god., menja naziv te je sada to „Međunarodno društvo za mehaniku tla i geoteh-ničko inženjerstvo“2, koja tokom poslednjih šezdesetak godina u pravilnim vremenskim raz-macima organizuje svijetske i regionalne naučne i stručne skupove na kojima se objavljuju re-zultati i dostignuća iz ove oblasti. Naša zemlja je punopravna članica ove međunarodne orga-nizacije već preko pedeset godina.

1.2. MEHANIKA STIJENA - MEHANIKA TLA, SLIČNOSTI 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). Geotehnički inženjeri pod terminom stijena podrazumijevaju tvrde (hard) i krute (solid) for-macije zemljine kore dok pod tlima smatraju produkte trošenja stijena. Često puta se, u sva-kodnevnoj inženjerskoj praksi, stijenom smatraju krute i koherentne supstance koje se ne mo-gu 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 mehaničkom ili hemijskom dezintegracijom stijena. Na ovaj način stijena i tlo se razlikuju u stepenu konso-lidacije 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 između tla i stijena je prisustvo diskontinuiteta u stijenskoj masi koji imaju odlučujući efekt na njeno ponašanje. U poređenju s tlom, stijen-ska masa posjeduje niži stepen slobode kretanja. Kretanje blokova generalno se događa para-lelno s linijama presjecanja različitih sistema diskontinuiteta, a rotacija blokova događa se u nekim posebnim slučajevima. Diskontinuiteti, kao glavna odlika stijenske mase, kontrolišu vodopropusnost i po kapacitetu i po orijentaciji. Šta više, statičko kao i dinamičko djelovanje vode na krutu fazu u tlu i stijenama je različito. Kod tla, to je uglavnom izotropni porni priti-sak, 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 mehaničkih svojstava. Tako Bieniawski (1973) i ISRM3 (1979) stijenama smatraju materijale s jednoosnom tlačnom 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

- 4 -

• 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, tipično predstavljen cijelom jezgrom iz bušotine koja ne sadrži guste strukturne diskontinuitete (ISRM, 1975)

• Stijenska masa (rock mass) je stijena kakva se javlja in-situ, uključujući njene strukturne diskontinuitete (ISRM, 1975)

Termin „stijena“ pokriva ogroman broj različitih varijeteta. Samo po parametru jednoosne čvrstoće, stijene pokrivaju područje od 1 do više stotina MPa. Granit se ponaša kao krt (brit-tle) i elastičan u troosnom ispitivanju kod bočnog pritiska od nekoliko stotina Mpa, dok kar-bonatne stijene postaju plastične 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 in-ženjerstvu tla isto to vrijedi za mehaniku stijena u inženjerstvu stijena. Mehanika tla se kao posebna naučna i inženjerska disciplina pojavila prije mehanike stijena. U početku su se prin-cipi mehanike tla pokušali primijeniti i na stijensku masu. Već tada se pokazalo da je to mo-guće samo u nekim specijalnim slučajevima. U razvoju mehanike stijena postojala je tenden-cija da se mehanika stijena tretira kao grana mehanike tla i kako kaže Müller (1974) da se mehanika stijena podredi mehanici tla. Međutim, uprkos prihvatljivosti nekih bazičnih 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 području građenja. 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 inže-njerskim osobinama, kao što su čvrstoća i deformabilnost tla i stijena i drugi pokazatelji pona-šanja 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 ustano-viti druge podatke koji omogućuju adekvatnu analizu pojedinog praktičnog geotehničkog za-datka. Korektno izvedeni geotehnički istražni radovi omogućuju da se, na primjer, izabere adekvatan način temeljenja građevinskog objekta, da se uoče problemi koji bi mogli nastati tokom izvođenja iskopa za temeljenje ili da se projektuju i izvedu sanacione mere za stabili-zaciju klizišta ili da se utvrde količine i kvalitet materijala na potencijalnim pozajmištima.

Kod nas je ova oblast geotehnike u poslednjih tridesetak godina u specifičnoj situaciji, koja nije karakteristična za većinu zemalja u svijetu, gdje se jasno razlikuje geotehnika od geologi-je i inženjerske geologije. Kod nas se geotehničkim projektovanjem, bave i inženjeri geologije u znatno većoj mjeri nego u zemljama zapada, što građevinskim inženjerima geotehnike veo-ma 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 zem-ljama Južne Amjerike, Afrike i južnog dela Azije, inženjerima geotehnike se nazivaju isklju-čivo građevinski inženjeri koji su se obrazovanjem i praktičnim radom osposobili za rad u ovoj grani građevinarstva.[2]

- 5 -

1.4. PLANIRANJE TERENSKIH ISTRAŽNIH RADOVA Planiranju terenskih istražnih radova treba prići sistematski, da bi se sa minimalnim utroškom sredstava obezbijedili potrebni podaci. Zbog toga je, prije svega, potrebno sakupiti i proučiti sve raspoložive podatke, počev od geoloških karata, do rezultata eventualnih istraživanja iz-vedenih u okolini. U neizgrađenim područjima mogu biti od koristi postojeće geološke karte u krupnoj razmjeri, fotografije za identifikovanje geomorfoloških oblika, bez obzira da li su one prethodno bile korišćene za izradu različitih geoloških ili topografskih karata i planova ili sa-mo 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 geotehničkog problema, koji je često sastavni dio ukup-nog građevinskog projekta. U slučaju većih objekata ili prostranog istražnog područja obično se podrazumijeva da istraživanja treba izvesti u fazama, tako da se govori o preliminarnim is-traživanjima, glavnim ili detaljnim istraživanjima za izradu projekta i dopunskim ili kontrol-nim 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 budućem gradilištu i njegovoj okolini i vježbati vještinu posmatranja u uočavanju pojava koje mogu biti od koristi za uspješnu reali-zaciju istraživanja. Korisno je, osim plana ili karte iztražnog područja, imati i kompas, svesku za bilješke, foto aparat, i džepni nožić. U izgrađenim područjima treba sakupiti i podatke o načinu temeljenja i o ponašanju izgrađenih objekata, kao i o pojavama koje su se mogle uočiti tokom njihovog izvođenja, i druge činjenice koje se zasnivaju na lokalnim iskustvima. Zbog toga je korisno porazgovarati sa stanovnicima, naročito ako na području žive duže vrijeme i mogu se setiti veoma korisnih zapažanja, ali sve informacije takvog porekla treba prihvatati kritički i oprezno, jer prisećanje može biti veoma subjektivno, maglovito i često sasvim laičko i zato zahtjeva stručnu interpretaciju.

Nakon sređivanja tako sakupljenih prethodnih informacija, a imajući u vidu objekat za koji se istraživanja planiraju, postaju jasnije indikacije o preliminarno pretpostavljenoj vrsti tla, o po-dacima koji nedostaju ili koji se na lokaciji očekuju i o eventualnom prisustvu podzemnih vo-da. Tada se može izraditi program geotehničkog istraživanja kojim se predviđa vrsta i obim istražnih radova, vrsta opreme za njegovu realizaciju u skladu sa raspoloživim tehničkim re-sursima 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 ele-mente koji mogu uticati na kvalitet i cijenu konačnih rezultata geotehničkih istraživanja.

U preliminarnoj fazi istraživanja, osim sagledavanja problematike određene vrste konkretnog planiranog građevinskog objekta, sakupljaju se postojeći topografski, hidrološki, klimatološki, geološki i seizmološki podaci, podaci o postojećim nadzemnim i podzemnim građevinama i objektima infrastrukture (vodovod, kanalizacija, električna i telefonska mreža, itd.), razni ar-hivski dokumenti i arheološki podaci. Nakon toga se na istražnom području izvede manji obim rede raspoređenih terenskih istražnih radova, ali uz pokrivanje celog istražnog područja radovima na većim odstojanjima. Uputno je i u ovoj, preliminarnoj, fazi svaki rad izvesti deta-ljno, uzimanjem odgovarajućeg broja uzoraka za ispitivanje po istražnom radu, (jami ili bušo-tini) kao da se radi o detaljnim istraživanjima čak iako se pouzdano zna da će se raditi i deta-ljna istraživanja.

- 6 -

Loša je praksa da se na rijetko raspoređenim terenskim radovima provode rijetka ili nikakva ispitivanja osim „geološkog kartiranja“ bušotina ili jama.

Za glavnu fazu istraživanja postoji niz metoda geotehničkih 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 konačno, korektno utvrđivanje relevantnih geotehnič-kih parametara, predstavlja jedan od najsloženijih inženjerskih zadataka s obzirom da je pri-roda često veoma komplikovana, teren varijabilan, izbor metoda relativno ograničen, 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 prika-zuju i pogrešno interpretiraju, tako da rezultati, nekad mnogobrojni i obimni, mogu biti nea-dekvatni do neupotrebljivosti, a često navode i na pogrešne zaključke. Istražni radovi, pomoću kojih bi se dobila pouzdana i korektna predstava o podzemlju, su inženjerski problem koji za-htjeva snalažljivo i inteligentno osoblje obučeno za rad u geotehničkom inženjerstvu (Sowers 1979).

Teren svakog budućeg gradilišta ima svoje osobenosti, a rijetko kad je jedan plan istražnih ra-dova isti kao neki ranije izveden. Zbog toga je važno da se ekipa za izvođenje terenskih istra-živanja snabdije sa pisanim uputstvima o relevantnim aspektima tehničkih uslova i specifičnih detalja, kao stoje broj i vrsta uzoraka, intervali izvođenja penetracionih opita i dr., i da se u toku izvođenja radova obezbijedi kvalifikovani nadzor nad istraživanjima radi kontrole kvali-teta i praćenja realizacije geotehničkih istraživanja u skladu sa programom. Osim toga, služba nadzora treba da bude u stalnom kontaktu sa budućim korisnikom podataka istraživanja, kako bi se, ukoliko bude potrebno, mogla izvršiti odgovarajuća prilagođavanja u toku izvođenja is-tražnih radova u vezi sa obimom i vrstom ispitivanja.

- 7 -

2. METODE TERENSKIH ISTRAŽIVANJA

2.1. SONDAŽNE JAME Iskop sondažnih jama (prikazan na Slici 1) je jednostavan i pouzdan metod geotehničkih is-traživanja, ali je dubina na praktično horizontalnom terenu, ograničena 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 moguće, i ako se sondažna jama izvodi radi određivanja uslova temeljenja zgrade ili nasipa puta, jamu izvesti izvan osnove budućeg objekta u neposrednoj blizini njegove konture u osnovi, jer poremećaj mase tla izazvan iskopom jame i pored kon-trolisanog zbijanja tla pri zatrpavanju, predstavlja oslabljeno mjesto ili zonu sa karakteristi-kama koje se razlikuju od svojstava prirodnog temeljnog tla, što može izazvati negativne pos-ledice na budućoj konstrukciji.

Izvođenje istražnih jama može biti mašinsko (kašika bagera montirana na traktor prema Slici 1 je najjednostavnija konfiguracija) ili ručno, ako je radna snaga jeftina ili ako je teren nepris-tupačan za građevinsku mašinu u toku izvođenja istražnih radova. Iskopani materijal treba de-ponovati najmanje 1 m od ivice iskopa. Prije nego što se ude u jamu radi „kartiranja“, tj. te-renske 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 veća 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 praktično neizvodljiv.

- 8 -

Izvođenje sondažne jame omogućava da se tlo vizualno pregleda tako da se granice slojeva i priroda tla mogu tačno ustanoviti. U važnijim ili složenijim slučajevima 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 veličinu jednoaksijalne čvrstoće tla. Nedrenirana čvrstoća se na izloženim stranama iskopa može ispitivati i minija-turnom krilnom sondom koja je baždarena na veličinu nedrenirane smičuće čvrstoće. Pome-nuti opiti se ne mogu vršiti u krupnozrnom tlu, ali je opit probnog opterećenja kružnom plo-čom 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 budućem pozajmištu materijala, mogu se relativno lako vaditi neporemećeni uzorci u sitnozrnom tlu.

U slučaju mašinskog izvođenja sondažne jame obično se izvede grub iskop, a kada se priđe mjestu uzimanja neporemećenog uzorka ručni rad je nezamjenljiv kako pri uklanjanju pore-mećenog 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 obično sa dužinama ivi-ca 15-30 cm. To su neporemećeni uzorci maksimalnog kvaliteta sa minimalnim poremeće-njem.

Sondažne jame su pogodne za istraživanje skoro svih vrsta tla, uključujući 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 izvođenja rada i opisom vremen-skih uslova prikazati grafički, skicom sa rasporedom slojeva i opisom i vrstom materijala, mestima uzetih uzoraka i klasifikacionim prvo terenskim, a u završnom izveštaju i laboratorij-skim 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 izvođenja saobraćajnica, nji-hovo rastojanje duž trase može se kretati između 50 i 500 metara, a ukoliko se izvode radi od-ređivanja kvaliteta i količine materijala u pozajmištima, od 30 do 720 metara, zavisno od jed-noličnosti terena.

2.2. SONDAŽNI BUNARI I GALERIJE Za vertikalno okno izvedeno za potrebe geotehničkih istraživanja do dubina koje mogu biti znatno veće od onih koje su navedene za sondažne jame, često se, zbog očigledne analogije, koristi izraz „bunar“ ili „šaht“, (Slika 3-a), dok se za približno horizontalno okno obično kori-sti izraz „galerija“ (Slika 3-b). Galerija se izvodi sa padine u brdo ili sa nekog odabranog ni-voa prethodno izvedenog sondažnog bunara.

- 9 -

Slika 3, Sondažni bunar i galerija

Obe ove vrste radova se najčešće izvode ručno, uz obavezno i sistematsko podgrađivanje. Ukoliko se ova vrsta radova izvodi ispod nivoa podzemne vode, rad je veoma otežan, naročito u vodopropusnom tlu kada može biti praktično neizvodljiv. U slučaju 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 računa i o mo-gućnosti pojave zapaljivih ili zagušljivih gasova. Ova vrsta radova je relativno skupa, zahtjeva dosta vremena i obično se može opravdati ukoliko nije moguće doći do potrebnih informacija o terenu drugim metodama i ako se radi o veoma velikim objektima i zahvatima kao što su ve-lika klizišta i brane. Iz takvog istražnog rada je moguće uzimanje svih vrsta uzoraka visokog kvaliteta, kao i kod sondažnih jama, kao i detaljno i tačno kartiranje granica slojeva, vrste i stanja tla ili meke stijene.

2.3. ISTRAŽNO BUŠENJE Postoji niz metoda za izvođenje bušotina u tlu ili stijeni, počev od bušenja sasvim lakim ruč-nim 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 geotehničkom istraživanju, koje ima svoje specifične zahtjeve, koriste različiti alati, pribori i mašine. Izvođenje bušotina za potrebe građenja podrazumijeva uzimanje poremećenih i nepo-remećenih uzoraka za geomehanička laboratorijska ispitivanja i izvođenje opita „in situ“.

Dubina bušenja treba da dosegne zone tla ili stijene u kojima se ne očekuju znatnije promjene napona i pojave deformacija izgradnjom objekta, ako se, na primjer, radi o temeljenju objeka-ta kao što su zgrade i druge građevinske konstrukcije ili do stabilnih delova mase tla ukoliko je u pitanju geotehničko istraživanje klizišta. U načelu, preporučljivo je izvesti bar jednu bu-šotinu 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 konačna odluka se donosi u toku izvođenja radova u zavisnosti od dobijenih rezultata. U slučaju istra-živanja klizišta ili planiranja izvođenja dubokih iskopa, dubina istraživanja može zavisiti i od složenosti slike strujanja podzemnih voda, kada se u bušotine ugrađuju pijezometri.

U načelu, nivo podzemne vode u bušotini se registruje prilikom prve pojave, nakon svakog prekida bušenja dužeg od jednog časa i na početku 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 izvođenja radova, na pona-šanje mase tla ili na završen objekat.

- 10 -

Veoma je važno da se bušotine izvedu do adekvatne dubine, koja zavisi od vrste i veličine 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 četverostru-ke 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 naiđe na stijenu, onda je uputno bušiti i u stijeni do oko 3 m. Iako se u literaturi i praksi mogu naći različite tablice i formule za izračunavanje potrebne dubine bušenja, njih treba prihvatiti samo orijentaciono i uslovno, a konačnu 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 vrs-te konstrukcije, veličine istražnog područja i jednoličnosti terena. Obično 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 uoči zna-tna heterogenost. Sasvim orijentaciono, za višespratne zgrade rastojanja se kreću između 15 i 50 metara, za jednospratne hale za laku industriju 30 do 90, a za nasute brane i hidrotehničke nasipe 75 do 60 metara. Za homogen teren rastojanja se mogu udvostručiti, a za nehomogen i komplikovan teren prepoloviti.

2.3.1. Ručni pribor za bušenje Istražne bušotine se mogu izvoditi pomoću ručnih ili mašinskih garnitura različitih konstruk-cija, dimenzija i težine. Prema principu rada bušaćeg pribora istražno bušenje se izvodi udar-nom, (perkusionom), rotacionom ili kombinovanom metodom. Prema pogonskoj snazi prim-jenjenoj na pokretanje bušaćeg pribora, istražno bušenje se izvodi ručno ili mašinski.

Slika 4, Bušenje lakom ručnom garniturom

Ručni pribor za bušenje, bez tripoda i bez zacjevljenja bušotine, može da se koristi za preli-minarna ispitivanja, za ispitivanja za potrebe lakših objekata i u uslovima ograničene radne visine, na primjer, kada se radi ispitivanja mogućnosti 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-

- 11 -

rijebiti bušotina treba da je stabilna bez zacjevljenja, tako da je dubina bušenja ograničena na oko 6 m u sitnozrnom tlu. U nevezanom tlu, kao što je pijesak ispod nivoa podzemne vode, napredovanje je veoma ograničeno, a u šljunku nemoguće. Ručno bušenje se može izvoditi i sa dna prethodno izvedene istražne jame, tako da je u takvoj kombinaciji pri povoljnim okol-nostima moguće dostići dubinu od oko 10 m. Pri tome se koriste različita svrdla od kojih su neka prikazana na Slici 5.

Slika 5, Svrdla za ručno bušenje u tlu

Pri izvođenju bušotine na dubini većoj od 3-6 m u sitnoznrom tlu, a u pijesku od samog poče-tka bušenja, potrebno je vršiti osiguranje vertikalnih strana zidova bušotine od zarušavanja, naročito u nevezanim krupnozrnim materijalima ispod nivoa podzemne vode, što se najčešće čini zacijevljivanjem bušotine obložnom „kolonom“ od segmenata čeličnih cijevi koje se suk-cesivno nastavljaju navrtanjem tokom napredovanja bušenja u dubinu. Za izvođenje ove vrste radova potreban je tripod ili toranj za manevrisanje znatno težim bušaćim priborom (Slika 6-a). Tada prečnik bušenja obično 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 obično se počinje sa ve-ćim prečnikom da bi se na nekoj dubini nastavilo sa manjim, tako da se u gornjem dijelu bu-šotine praktično eliminišu otpori trenja koji usporavaju rad i zahtjevaju veći 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 njiho-vo izvlačenje nakon završetka bušenja, za izvođenje standardnog penetracionog opita i za po-dizanja malja pri pobijanju cilindra za uzimanje neporemećenih uzoraka. Takva ručna garnitu-ra za bušenje obično koristi kombinovane metode bušenja, odnosno svrdla, kojima se bušenje vrši rotiranjem ljudskom snagom preko T ručice na vrhu bušaćih šipki i alternativno, perkusi-oni postupak preko užeta koje se podiže ručno i pušta da odgovarajuće svrdlo sa ili bez šipki pada sa izvjesne visine. Ovim postupkom se mogu postići dubine i do 15-25 m, ali je napre-dovanje u području 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 bušaćim ši-pkama. Na kraju niza bušaćih šipki, koje se mogu nastavljati, mogu se pričvrstiti različiti alati za bušenje, čiji oblik zavisi od vrste tla. Ukoliko se tokom bušenja naiđe na čvršću prepreku, kamen samac i sl., on se razbija dlijetom (Slika 7-d). Bušenje se izvodi slobodnim padom ala-

- 12 -

ta koji se sukcesivno podiže i pušta da slobodno pada sa visine ne veće od 1-2 m, pri čemu se podizanje može vršiti ručno, ljudskom snagom za dubine do oko 15 m, a češće energijom po-gonske jedinice preko čekrka sa odgovarajućim mehanizmom za otpuštanje.

Slika 6, Ručna 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 bočnim prorezima, koji olakšavaju uklanjanje materijala sakupljenog u njemu pri prodiranju, i spiralna svrdla (Slika 5). Izvađeni materijal na ovaj načinje 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, („bućkalica“), cilindar sa pločastim ventilom na donjem kraju prema Slici 7-c, koji se uzetom prebačenim preko kotu-

- 13 -

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 tečno stanje, tako da se pri spuštanju cilindra ventil otvori i zahvati izvjesna količina tla koja ostaje zarobljena u cilindru. Tako da se „bućka“ sve dok se ne sakupi dovoljna količina tla za vađe-nje 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, omogućava da se takav meha-nizam bušenja realizuje.

U nevezanom tlu se bušotina tokom napredovanja mora sukcesivno zacjevljivati. Cijevi nas-tavljane 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 izvlače čekrkom, a ponekad je potrebno upotrijebiti i hid-rauličke prese. Prečnik bušenja je između 10 i 30 cm i u veoma povoljnim okolnostima ovom metodom može se dostići 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 „bućkanjem“, rotaciono bušenje se u tlu izvodi na-nošenjem momenta torzije na bušaći pribor ručno ili mašinski. Postoji veoma veliki broj tipo-va 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 različitih 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 obično ograničeno na sitnozrna tla iznad nivoa podzemne vode. Takva metoda se u povoljnim okol-nostima koristi za djelimično izvođenje gornjeg dijela bušotine, koja se dalje nastavlja izvo-đenjem bušotine smanjenog prečnika nekom drugom metodom.

Slika 8, Svrdla za rotaciona mašinsko bušenje

Jedna od metoda izvođenja 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 ra-da ovom metodom ilustrovan je na Slici 9.

Ova metoda koristi kontinualnost rotirajuće helikoide pričvršćene na spoljne zidove dugog ci-lindra za napredovanje u mekom tlu. Spoljni prečnik cilindra helikoide se kreće između 150 i 250 mm, a unutrašnji prečnik cijevi 75-125 mm. Mora se koristiti teška garnitura jer je potreb-no nanijeti veću vertikalnu silu i veliki torzioni momenat za rotacione pokretanje cijevi i sav-lađivanje otpora tla. Svrdlo se uvrće u tlo kompletno sa bušaćom glavom koja je preko bušaće šipke u osovini povezana sa pogonskom jedinicom. Prerađeno tlo spirala iznosi na površinu, tako da se dobija potpuno poremećeno tlo za koje nije lako reći sa koje je dubine izvađeno. Bušenje je veoma teško ili nemoguće u tvrdom tlu, ili ako se naiđe na veći komad kamena,

- 14 -

kao i kada se pojavi sloj zbijenog krupnozrnog tla, naročito ispod nivoa podzemne vode, jer se ne koristi obložna kolona. Međutim, u pogodnom tlu učinak može biti relativno veliki, a dos-tižu se dubine i 30-50 m. Kada se dostigne određena dubina, povlači se centralni pribor za bu-šenje i uzima uzorak pobijanjem ili utiskivanjem cilindra (Slika 9-c), a može se izvesti i sta-ndardni penetracioni opit pod uslovom da na dnu bušotine nije došlo do ključanja 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 moguće, 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 najčešće primjenjuje u stijeni, za bušenje u tlu se koristi rotaci-ono bušenje sa jezgrovanjem pomoću kruna za bušenje i jezgrenih cijevi sa kojima se vadi jezgro iz bušotine. Ne ulazeći u konstruktivne detalje garnitura raznih proizvođača, kakvih je ogroman broj, ovdje će se dati sasvim uopšten i pojednostavljen prikaz ove isključivo mašin-ske 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 buše-nje ostvaruje rotiranjem cilindrične cijevi koja je na donjoj konturi posebno ojačana 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 izrađene 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 najtvrđim stijenama. Po donjoj konturi jez-grene cijevi postavljaju se „hvatači jezgra“, niz elastičnih čeličnih pera koja omogućavaju da jezgro uđe u cilindar, a da iz njega ne može lako da ispadne pri izvlačenju pribora na površinu. Bušenje se vrši jezgrovanjem i koriste se jezgrene cijevi za koje se može reći da mogu biti je-dnostruke 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

- 15 -

„dupla sržna“ umjesto dvostruka jezgrena, pri čemu se sržnom cijevi naziva i nutrašnji cilin-dar za uzimanje uzoraka.

Šematski prikaz dvostruke jezgrene cijevi sa principom rada prikazan je na Slici 10-b. Jezgre-ne cijevi su preko šuplje bušaće šipke, kroz koju struji bušaći fluid, povezane sa bušaćim de-lom za manevrisanje.

Slika 10, Rotaciono bušenje sajezgrovanjem

Bušaći fluid, „isplaka“, pod pritiskom koji ostvaruje pumpa, kroz ispimu glavu struji kroz bu-šaću šipku, između spoljne i nutrašnje jezgrene cijevi, zatim kroz područje abrazionog djelo-vanja krune, da bi nakon toga kretanjem naviše iznosio na površinu terena erodirani materijal kroz međuprostor spoljne jezgrene cijevi, odnosno bušaće šipke i zida bušotine. Bušaći 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.

- 16 -

Spoljna jezgrena cijev sa krunom rotira napredujući po dubini, a unutrašnja jezgrena cijev os-lonjena preko obrtnog spoja i opruge ne rotira, već se samo utiskuje u tlo zahvatajući jezgro, uzorak tla. Nakon zapunjavanja dijela nutrašnje jezgrene cijevi pribor se izvlači na površinu, a zahvaćeno jezgro se mehanički ili pod pritiskom vazduha istiskuje iz cilindra. Šta će se dogo-diti 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 neporemećeni uzorci, istina ne najboljeg kvaliteta, dok se neka tla ne ponašaju tako „kooperativno“, već se raspadnu u poremećen uzorak.

Da bi se smanjili poremećaji 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 nerotirajuće jezgrene cijevi, kao što je to kod vrhunskog sistema tipa Mazier. Cilindar, u slučaju daje presječen po izvodnici, omo-gućava lakše manipulisanje uzorkom nakon izvlačenja jezgrene cijevi, uz slabo osiguranje od poremećivanja.

Iz bušotina se uzimaju „jezgra“ i sistematski slažu u sanduke od drveta, aluminijuma ili čelič-nog lima, dužine 1,0 m, prikazane na Slici 11. Na granicama jezgra stavlja se daščica, a na mestima gdje nije uspješno izvađeno tlo ostavlja se prostor odgovarajuće dužine sa podatkom da je jezgro izgubljeno. Na sličan način se obilježe mijesta sa kojih je uzet poremećen ili ne-poremećen uzorak, pakovan i transportovan u laboratoriju. Sanduk sa uzorcima se fotografiše. Komadi jezgra se mogu upakovati u parafin da bi se sačuvala njihova prirodna vlažnost. Po-remećeni uzorci, obično ne manji od 0,7 kg, odmah nakon uzimanja, mogu se stavljati u her-metičke kontejnere (boce ili plastične vrećice).

Slika 11, Sanduk za slaganje i čuvanje jezgra

U određenim okolnostima i veoma često, naročito iznad nivoa podzemne vode, potrebno je bušiti bez dodatka vode, kada je bušaći fluid komprimovani vazduh. Za to postoje najmanje dva razloga. Prvi je da se ne bi poremetila vlažnost tla u području bušotine i uzorka tla koja može biti odlučujućeg uticaja na njegovo mehaničko ponašanje, što naročito važi za kolapsi-bima i ekspanzivna tla. Drugi razlog je da, ukoliko se buši sa isplakom od samog početka bu-šenja, ne može se dobiti jasna slika o nivou podzemnih voda ukoliko se u bušotinu ne ugradi bar jedan pijezometar.

- 17 -

2.4. UZIMANJE UZORAKA Uzorci tla i stijena se, prema kvalitetu mogu podjeliti u dvije glavne kategorije i to kao pore-mećeni i neporemećeni. Kvalitet uzoraka direktno zavisi od načina 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, jedinična težina, smičuća čvrsto-ća, 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 nepo-remećene 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 djelimično ili potpuno narušena. Osim toga, vlažnost poremećenog uzorka tla se može razlikovati od vlažnosti prirodnog tla. Poremećeni uzorci se uglavnom ko-riste za terensku identifikaciju, laboratorijska klasifikaciona ispitivanja i opite zbijanja tla. Uzorci se jednostavno dobijaju iskopom iz sondažnih jama, bunara, galerija ili alatom za bu-šenje nakon završenog manevra pri izvlačenju pribora na površinu terena ili od dijelova jezgra. Uzorak uzet ventil-kašikom iz pijeska može biti uskraćen za sitnije frakcije prirodnog tla i zbog toga nije sasvim pouzdan materijal za određivanje granulometrijskog sastava krupnozr-nog tla sa primesama sitnozmih frakcija. Međutim, poremećen uzorak sitnozrnog tla može imati prirodnu vlažnost koja se može sačuvati nakon uzimanja odgovarajućim hermetičkim pakovanjem i odrediti mjerenjem u laboratoriji.

2.4.2. Uzimanje neporemećenih uzoraka Najvažniji korak u geotehničkom istraživanju je uzimanje neporemećenih uzoraka sa najma-njim mogućim poremećajima tla. Nažalost, nije moguće izvaditi potpuno neporemećen 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 po-remećaj onaj koji bi se mogao nazvati neizbježnim naponskim poremećajem. Najkvalitetniji „neporemećeni uzorci“ su oni kod kojih je sačuvana vlažnost i sve čestice, pri čemu su koefi-cijent poroznosti i struktura izmjenjeni u najmanjoj mogućoj mjeri.

Slika 12, Vađenje neporemećenog uzorka na površini iskopa

- 18 -

2.4.3. Ručno uzimanje neporemećenog uzorka Uzorak u obliku kocke (rjeđe u obliku cilindra) vadi se ručno tako da se pažljivim radom mo-gu dobiti najbolji uzorci. Na Slici 12 prikazane su faze rada pri uzimanju takvog uzorka iz ja-me, 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 ašo-va, upakovati u plastičnu foliju ili vreću da se sačuva 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, od-nosno 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 pričvršćivanjem dna i poklopca.

Za drugi način uzimanja neporemećenog uzorka koristi se čelični cilindar, pa čak i ispražnje-na 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 slučaju lesa ili leso-idnog tla koje može biti kolapsibilno, jer je sačuvana prirodna zbijenost i struktura od koje u velikoj mjeri zavisi veličina dodatne deformacija pri eventualnom provlažavanju. Uzorci ko-lapsibilnog lesa ili drugog metastabilnog tla uzeti drugim postupcima, kakvi se obično prim-jenjuju u bušotinama, mogu pretrpjeti poremećaj 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. Prečnik cilindra se obično kre-će 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 sunčanog zračenja. Orijentacija neporemećenog uzorka i njegov položaj moraju se jasno označiti 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. Neporemećeni uzorci uzimaju se pomoću cilindara različitih konstrukcija i dimenzija, od kojih su neke prikazane na Slici 13. Radi uzimanja uzorka, alat za bušenje se izvlači iz bušotine i na sukcesivno nastavljane bušaće šipke se učvrsti cilindar. Ci-lindar se u dno bušotine utiskuje udarima ili kontinualnim kvazistatičkim 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:

%1002

22

×−

=c

cwr D

DDA

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 povećava ukoliko je ovaj odnos veći. Kaže se da je cilindar tankozidni ako odnos površina nije veći od 10%, a rezultati prihvatljive po-remećenosti, 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 većim odnosom površina

- 19 -

robustniji i trajniji, ali da maksimalna veličina odnosa površina za uzorke prihvatljive nepo-remećenosti ne treba da bude veća 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 omogući 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 veća dužina manje poremećenog uzorka, jer su, najčešće, dijelovi na krajevima cilindra više poremećeni. Veliči-na odnosa površina Ar je oko 25%. Da bi se smanjili poremećaji uzorka ponekad se kao doda-tak osnovnoj konstrukciju koristi tankozidni cilindar koji prijanja uz nutrašnju površinu debe-lozidnog cilindra, a nutrašnji prečnik noža je nešto manji od nutrašnjeg prečnika slobodnog prostora za smještaj uzorka. Debelozidni cilindar se obično pobija u tlo udarcima malja po gor-njem 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 bu-šaće 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 uzo-rak 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 ci-lindra iznad nivoa dna bušotine. Tankozidni cilindar prikazan na Slici 13-b najčešće 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 preč-nik uzorka od prečnika ostatka cilindra, ali uzorak ima prostora da malo poveća zapreminu ta-ko da povijena ivica služi za pridržavanje uzorka, kako on ne bi ispao iz cilindra pri izvlače-nju cilindra na površinu. Tipična 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 dostignu-toj dubini utiskivanja. Tankozidni cilindar je pogodan za uzimanje uzoraka gline kada je 2<N (SPT)<10.

Tankozidni cilindar sa stacionarnim klipom u početnom položaju je prikazan na Slici 13-c. Klip je pričvršćen za šipku koja prolazi kroz glavu i kroz šupljinu bušaće šipke. Cilindar se bušaćom šipkom spusti na dno bušotine sa klipom u prikazanom položaju na donjem kraju koji onemogućava da voda ili poremećeno tlo uđu u cilindar. U mekom tlu se cilindar sa kli-pom može utisnuti u dno bušotine kako bi se zaobišlo poremećeno tlo, zatim se preko šipke klip održava na konstantnom nivou a cilindar utiskuje dok klip ne dođe u dodir sa nutrašnjom stranom glave na vrhu cilindra gdje se odgovarajućim mehanizmom (koji nije prikazan na skici) učvrsti za glavu. Tada se cilindar bušaćom šipkom izvlači iz bušotine sa fiksiranim kli-pom (i šipkom) u nepromjerijenom položaju u odnosu na glavu, a vakuum ostvaren između klipa i gornje strane uzorka pomaže da uzorak ne ispadne iz cilindra. Tipičan prečnik cilindra je 50 do 75 mm, a za posebne svrhe koriste se i prečnici do 250 mm. Maksimalna dužina ci-lindra je oko 1.0 m, ali se za gline koje imaju senzitivnost manju od 5 (St < 5) koriste cilindri čija dužina nije veća od desetostrukog prečnika. Tankozidni cilindar sa stacionarnim klipom se obično koristi za uzimanje uzoraka veoma mekih do mekih glina kod kojih SPT opit naj-češće daje N < 2 ili penetraciona kašika tone pod težinom malja.

- 20 -

Slika 13, Cilindri za vađenje neporemećenih uzoraka iz bušotine

Međusobno vertikalno odstojanje uzetih uzoraka u homogenom tlu ne treba da bude veće od 3 m, a u slučaju izrazite nehomogenosti i složenog profila tla može se propisati praktično konti-nualno uzimanje uzoraka sa po jednim kratkim manevrom bušenja radi čišćenja bušotine od zaostalog materijala. Preporučljivo je da se neporemećeni uzorci pri bušenju u sitnozrnim ma-terijalima 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 ozna-kama 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 me-tara, piše mnogo beskorisnih reči o tlu, a uzima malo neporemećenih uzoraka i izbjegava iz-vođenje 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 geomehaničku laboratoriju na ispitivanje inženjer-skih svojstava ili zamjenu za neki od opita „in situ“.

2.5. ISPITIVANJA „IN-SITU“ Treba imati u vidu da uobičajenim sredstvima, kakva su ovdje opisana, nije moguće uzimanje neporemećenih uzoraka iz svih vrsta tla. Tako se iz čistih pijeskova i šljunkova obično 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 neporemećenih uzoraka ras-položivim sredstvima često nije moguće. Tada se u bušotini obično izvodi terenski opit kril-nom sondom.

- 21 -

2.5.1. Standardan penetracijski opit (SPT) Standardni penetracioni opit se izvodi u bušotini, pri čemu se na niz bušaćih šipki, (koje za dubine do oko 15 m imaju težinu od oko 6 kg/m, a za veće dubine oko 8 kg/m), umjesto alata za bušenje učvrsti standardizovana „penetraciona kašika“ prikazana skicom na Slici 14-b. Konstrukcija standardne penetracione kašike je slična debelozidnom cilindru, ali sa znatno nepovoljnijim odnosom površina, jer je Ar oko 100%, tako da uzet uzorak nije visokog kvali-teta 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 međunarodna 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 poremećaja dna bušotine, tako da je ko-načan 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 slične, a ponekad i nešto veće vrijednosti za N. Nakon pobijanja, uz brojanje udara, kašika se izvlači 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 međusobno odstojanje opita po dubini od 1,5 m a maksimalni interval ne treba da bude veći od 3,0 m. U kritičnim slučajevi-ma 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 spriječilo unošenje pijeska u bušotinu pri izvlačenju alata za bušenje i izvođenje opita u potpuno poremećenom tlu. Ukoliko je nivo vode nepoznat, bušotina se puni vodom do vrha kolone. Nakon izvođenja 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 započet, informaciju o nivou podzemne vode u terenu i u bu-šotini 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 najčešće primjenjivan geotehnički opit „in situ“ na svim kontinentima i veoma često je i kritički preispitivan. Iako se opit, prema mehanizmu dejstva penetracione ka-šike na tlo, može okarakterisati kao indirektan opit čvrstoće tla, svoju popularnost duguje pre-dnostima koje se sastoje u relativnoj jednostavnosti robusne opreme primjenljive u kombina-ciji 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, ka-ko 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 način izvođenja opita, što treba da obezbijedi minimalni ili mjerljivi gubitak energije koji se udarcem malja prenosi na penetracionu kašiku.

- 22 -

Slika 14, Šema standardnog penetraciononog opita (SPT)

Važan faktor koji utiče na rezultat opita N je energetska efikasnost udarca malja koji se pre-nosi na bušaću šipku. Teorijska energija slobodnog pada je težina malja 0,623 kN x 0,76 m, što daje 0,475 kNm. Tipičan 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 koturače, prečnika bušotine, težine bušaćih šipki, vrste opreme, mehanizma za otpuštanje malja, raspoloženja bušaća i drugih faktora. Interpre-taciju ovog terenskog opita u pijeskovima je veoma detaljno obradio Skempton (1986) pred-lažući 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 pene-trometra 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 veličina 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 nezamjen-ljiv pri ispitivanju u pijeskovima za određivanje nosivosti šipova i fundiranju većih objekata. Opit je veoma koristan i ekonomičan, jer omogućava da se smanji broj bušotina odgovaraju-ćim rasporedom obe vrste radova po površini istražnog područja.

- 23 -

Za izvođenje CPT opita, koji je nastao u Holandiji oko 1935. godine postoji više vrsta penet-rometara sa ovdje navedenim ili sličnim elementima, od kojih većina, osim obaveznog mjere-nja otpora vrha, može da mjeri i bočno trenje po omotaču cjevaste šipke na cijeloj dubini utis-kivanja ili na ograničenom dijelu cilindra, „rukavu“, iznad konusnog vrha. Konstruktivni de-talji 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 uređaja tj. 10 cm2, odnosno prečnik od 35,7 mm. Prema načinu registrovanja sila, statički penetrometri mogu biti mehanički i električni, tako da se upotrebljavaju odgovarajuće oznake M odnosno E.

Slika 15, Statički penetrometri (CPT, CPTU)

Da bi se izbjeglo nagomilavanje tla u prostora iznad konusa oko centralne šipke do cjevaste šipke, Vermeiden je konstruisao mehanički penetrometar sa mufom, prikazan na Slici 15-b, tip M1 i Slici 16, gdje su prikazane i faze rada pri mjerenju. Takva konstrukcija omogućava mjerenje posebno otpora vrha, kao glavnog podatka, ali i ukupne sile otpora smicanja tla po cijeloj dužini omotača cjevaste šipke. Iz nekog početnog položaja prikazanog na Slici 16, po-tiskivanjem 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 po-tiskuje i konus do novog položaja, te se mjeri sila ukupnog otpora.

- 24 -

Slika 16, Mehanički statički penetrometar M1 pri mjerenju otpora vrha

i ukupnog otpora bočnog trenja po omotaču 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, izračunavanjem razlika odgovara-jućih sila. Rezultat sondiranja se prikazuje dijagramom čija je najjednostavnija varijanta ilus-trovana primjerom na Slici 17.

Slika 17, Prikaz rezultata ispitivanja sa penetrometrom tipa M1

- 25 -

Ovaj rezultat bočnog otpora je orijentacione tačnosti, jer se pri utiskivanju samo cijevi pojav-ljuje i izvjestan čeoni otpor na mjestu njenog prelaza u muf. Ukoliko se računa 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 omogućilo nezavisno mjerenje lokalnog bočnog trenja iz-među omotača cijevi i tla, Begemann je konstruisao mehanički penetrometar sa rukavcem koji je izvan područja 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 sledećih 35 mm, tako da je u prvoj fazi izmjeren samo otpor vrha, a u drugoj zbir otpora vrha i lokalnog smičućeg otpora po rukavcu. Iz razlike ove dvije sile i poznate površine rukavca izračunava se smičući napon pri kojem nastaje smičući lom između tla i nivoa baze konusa na relativno kratkom potezu ko-ji se naziva i bočnim trenjem, a označava se sa fs. Ovakvim postupkom se mogu dobiti rezul-tati 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 tačkama sa intervalom 10-20 cm. Radi kontinualnog registrovanja penetracionog otpora konstruisani su i električni 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 veličine se prenose na površinu i automatski i kontinualno beleže i grafički prikazuju. Standardni električni penet-rometar sa rukavcem neposredno iza konusa, tip E1 može da mjeri nezavisno i kontinualno otpor vrha i smičući otpor bočnog trenja. Ovakav penetrometar, kao i ranije opisani mehanički penetrometri, koriste se, prije svega, za ispitivanja u pijeskovitim materijalima relativno veli-ke 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 području poroznog keramičkog elementa lociranog kod konusa. Da bi se ovaj opit razlikovao od konvencionalnog CPT opita, za statički penetrometar koji omogu-ćava i mjerenje pornih pritisaka koristi se oznaka CPTU. Na na Slici 15-e prikazan je tip E2 sa jednim od češće primjenjivanih položaja poroznog keramičkog filtera neposredno iznad baze konusa, ali se primjenjuju i sonde sa filterskim elementom na vrhu konusa ili na samom konusnom dijelu. Naravno, veličina 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 veličine i znaka mere-nog pornog pritiska, može se mjeriti i hidrostatički pornih pritisak kada se konus nakon utis-kivanja 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 električnog penetrometra razlikuje od mehaničkih koji imaju su-ženje iza vrha, tako da ne moraju dati identične rezultate. Uputno je uporediti rezultate relati-vno najrasprostranjenijih tipova M2 i E1 koji se, svaki u svojoj kategoriji, mogu smatrati sta-ndardnim. Mnoga poređenja, koja su sistematski sumirali Kulhawy i Mayne (1990), pokazala su da qc dobijen sa E1 je veći od qc dobijenog sa M2 u pijeskovima, a obrnuto je kada se po-rede rezultati u glinama i prašinama. Bočno trenje fs mehaničkog konusa daje veća čitanja ne-go električni u svim vrstama tla. Odnos u pijeskovima je oko 2, a u marinskim glinama 1,5-3,5.

- 26 -

Slika 18, Mehanički statički penetrometar M2 sa rukavcem za nezavisno mjerenje lokalnog

bočnog 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 bu-šenje, iako CPTU opit predstavlja značajno poboljšanje.

Izvođenje CPT opita obično nije moguće u veoma tvrdim glinama, u šljunku i u krupnozrnom tlu, gdje bi rezultat standardnog penetracionog opita N bio veći od 50, iako je deklarisani ka-pacitet pritisne sile obično 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 veličina raspo-ložive sile, odnosno do neke propisane dubine, ako se sila ne dostigne. U tipičnim slučajevi-ma se očekuje da izvođač mora da obezbijedi sav potreban pribor za izvođenje opita do dubi-ne ne manje od 25 metara.

S obzirom da se opitom statičke penetracije ne vadi uzorak tla, u planiranju istražnih radova ova vrsta terenskih ispitivanja se kombinuje sa odgovarajućim metodama bušenja radi posti-zanja optimalnih efekata istraživanja. Veoma je preporučljivo da se izvjestan broj penetracio-nih sondi locira u blizini bušotina. Ukoliko je bušotina izvedena prije penetracionog sondira-nja, zbog mogućih poremećaja okolnog tla, CPT treba izvesti na odstojanju jednakom 20 pre-čnika bušotine, da bi se utvrdila vrsta tla u kojem su mjerene veličine qc i fs. Iz većeg broja komparativnih sondiranja moguće je ustanoviti vrstu tla preko pomenutih veličina, odnosno njihovih odnosa. Ukoliko je tlo čvršće ili zbijenije, otpor vrha je veći, ali je u glini odnos tre-nja i otpora vrha veći nego u pijesku i šljunku. Postoji više različitih empirijskih korelacija koje omogućuju da se na osnovu rezultata penetracionih sondiranja procjeni vrsta tla. Takve korelacije ne moraju imati univerzalni značaj, uostalom kao i većina korelacija u mehanici tla, jer zavise od tipa penetrometra i lokalnih uslova.

- 27 -

Slika 19, Vrste i stanja tla na osnovu opita statičke penetracije

mehaničkim 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 veličine nedrenirane smičuće čvrstoće od prak-tično neporemećenih. Jedna garnitura raspolaže sa sondama čija su krilca i dužine različite ve-ličine kako bi se sa raspoloživim maksimalnim momentom torzije, koji uređaj može da prene-se, mogle ispitivati gline različite čvrstoće. Opit se izvodi ili sa površine terena, kada se sonda nakon svakog opita potiskuje u dubinu do sledećeg mjesta ispitivanja ili nakon utiskivanja sonde do dubine od tri prečnika bušotine ispod dna bušotine, kada se sukcesivno tokom ispiti-vanja 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 geoelektrična) mogu biti korisne u geotehničkim istraživanjima, naročito u preliminarnim, ranim fazama. Međutim, ove metode nisu pogodne za sve uslove tla. Postoje ograničenja u pogledu informacija koje se mogu tak-vim 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, geofizičke metode mogu dati rezultate relativno brzo i ekonomično, na primjer, za dopunu detalja duž većih rastojanja između bušo-tina ili da ukažu na potrebu izvođenja 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 dinamički izazvanih deformacionih talasa. Talas se stvara ili eksplozijom ili udarcem čekića po metalnoj ploči, a registruje na odgovarajućim odstojanjima veoma osjetljivim prijemnim uređajima, geofonima. Iz brzina prostiranja talasa i vremena pristizanja direktnog i eventualno odbijenog talasa, mo-

- 28 -

že se izmjeriti dubina konture stijene ali i izračunati seizmički modul elastičnosti koji odgova-ra veoma niskim nivoima deformacija.

Druga metoda, geoelektrična, koja ima izvjesnu primjenu u građevinskoj geotehnici, zasniva se na mjerenju razlike električnog otpora pojedinih vrsta tla i smatra se manje pouzdanom u odnosu na seizmičku metodu. Obe navedene geofizičke 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 već konvencionalne, metode ispitivanja „in situ“ koje koje se u razvijenom svijetu primjenjuju kao i neke dinamičke penet-racione 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 načina u nekim zemljama,

2.8. PRIKAZ REZULTATA TERENSKIH ISTRAŽIVANJA Rezultati ispitivanja prikazuju se tzv. geotehničkim izvještajem ili, kako je kod nas uobičaje-no reći geotehničkim elaboratom. Sastoji se od dva dijela. Prvi dio sadrži sve rezultate istraži-vanja u koje su uključene i geološke i inženjerskogeološke značajke 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 laboratorij-

skih ispitivanja i - podatke o kolebanju nivoa podzemne vode u bušotinama.

Geotehnički je izvještaj ujedno i dio tzv. geotehničkog projektnog izvještaja. Geotehnički iz-vještaj treba da sadrži opis svih terenskih i laboratorijskih radova i dokumentaciju o postup-cima terenskih i laboratorijskih ispitivanja.

Primjer jednog geotehničkog izveštaja dat je u nastavku.

Slika 20, Geotehnički profil za klizište

- 29 -

Slika 21, Primer geotehničkog presjeka bušotine

- 30 -

Uobičajeno je da se u bušotinske profile unose rezultati terenskih i laboratorijskih ispitivanja, a da se bušotinski profili nastoje povezati u tzv. geotehničke 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, Geotehnički profil za približno horizontalno uslojeno tlo

- 31 -

3. ZAKLJUČAK Terenska ispitivanja u mehanici tla i stijena, za konkretan objekat ili grupu objekata, se pro-vode po dobro smišljenom planu i programu imajući u vidu sve aspekte interakcije objekta i terena. Cilj terenskih ispitivanja je uzimanje reprezentativnog uzorka, koji će poslužiti za da-lja laboratorijska ispitivanja.

Istražni radovi se mogu sastojati od izvođenje sondažnih jama i sondažnih bušotina iz kojih se uzimaju uzorci različitog stepena poremećenosti radi identifikacije tipa tla ili sijene i ispitiva-nja mehaničkih svojstava. U bušotine se mogu ugrađivati pijezometri.

U našim sadašnjim uslovima, ispitivanja „in situ“, podrazumijevaju penetracione opite u bu-šotinama (SPT) i sondiranje statičkim penetrometrima (CPT).

Preporučuje se primjena SPT uvijek kada se izvode bušotine u tlu, a mogu se izostaviti samo uz posebno obrazloženje, odnosno ako se bušotine izvode u tlu u kojem je moguće kontinual-no uzimanje kvalitetnih neporemećenih uzoraka.

Primjena statičkih penetracionih opita CPT u krupnozrnom tlu, gdje uzimanje neporemećenih uzoraka za laboratorijske ispitivanja nije praktično izvodljivo, ali i u svim drugim okolnosti-ma, omogućava da se procijeni vrsta i stanje zbijenosti tla. Statički penetracioni opit je najbo-lji istražni rad u slučaju da se predviđa fundiranje objekta na šipovima.

Treba razlikovati dva segmenta problematike istraživanja, odnosno odvojiti detaljan prikaz svih rezultata istražnih radova (činjenice, terenski i laboratorijski nalazi) od evaluacije rezul-tata koja vode do usvajanja mjerodavnih računskih vrijednosti pojedinih računskih i projekt-nih parametara. Dobra praksa podrazumijeva da su to dva potpuno odvojena dokumenta.

Terenska istraživanja za inženjera mogu imati višestruke čari, jer proces podrazumijeva da se dolazi do otkrića novih, do tada nepoznatih, činjenica. U procesu bušenja nailazi se na razne vrste tla i stijena, može se iznenadno identifikovati ili nepažnjom oštetiti dio postojećeg obje-kta infrastrukture, ali se može naići i na neki materijalni ostatak stare civilizacije ili fosil.

Savremena mehanika tla i stijena zasniva se na detaljnijim terenskim istraživanjima, složeni-jim laboratorijskim pokusima i primjeni raznih vrsta programa na računarima čime se bolje opisuje stvarno ponašanje tla, ali ne možemo reći da su svi problemi riješeni na odgovarajući način, pa istraživanja u ovom području i dalje intenzivno traju.

Povoljne lokacije za izgradnju uglavnom su iskorištene, a preostale zahtijevaju složenija zna-nja i bolje tehnike ispitivanja. Sva kasnija istraživanja u mehanici tla i stijena zasnivaju se na rezultatima terenskih ispitivanja, pa samim tim, u velikoj mjeri i zavise od kvaliteta kojim su terenska ispitivanja urađena. Viši kvalitet i pouzdanost terenskih ispitivanja daje priliku da se, u kasnijim fazama ispitivanjima, dođe do boljih rezultata.

4. LITERATURA

[1] Milan M.Maksimović: „MEHANIKA TLA“, AGM-knjiga, Beograd, 2008

[2] Ivan Vrkljan: „Inženjerska mehanika stijena“, Građevinski fakultet Sveučilišta u Rijeci, Rijeka, 2003

[3] Predrag Kvasnička i Dubravko Domitrović: „MEHANIKA TLA“, interna skripta, Zagreb, 2007.