ODAZIV NEKOHERENTNOG TLA NA DJELOVANJE POSMIČNIH SILA … · ODAZIV NEKOHERENTNOG TLA NA DJELOVANJE POSMIČNIH SILA S OBZIROM NA STANJE ZBIJENOSTI Danijela Grediček 1 1. UVOD Tlo

SVEUĈILIŠTE U ZAGREBU

GEOTEHNIĈKI FAKULTET

DANIJELA GREDIĈEK

ODAZIV NEKOHERENTNOG TLA NA DJELOVANJE POSMIČNIH

SILA S OBZIROM NA STANJE ZBIJENOSTI

DIPLOMSKI RAD

VARAŢDIN, 2011.

SVEUĈILIŠTE U ZAGREBU

GEOTEHNIĈKI FAKULTET

DIPLOMSKI RAD

ODAZIV NEKOHERENTNOG TLA NA DJELOVANJE POSMIČNIH

SILA S OBZIROM NA STANJE ZBIJENOSTI

KANDIDAT:

DANIJELA GREDIĈEK

MENTOR:

PROF.DR.SC. BOŢO SOLDO

VARAŢDIN, 2011.

SADRŽAJ

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

2. OPĆI DIO ............................................................................................................................. 2

2.1. OSNOVNA SVOJSTVA TLA .............................................................................................. 2

2.1.1. Trofazni karakter tla..................................................................................................... 2

2.1.2. Struktura tla ................................................................................................................. 4

2.2. KLASIFIKACIJA KRUPNOZRNATOG TLA ....................................................................... 6

2.3. POSMIĈNA ĈVRSTOĆA TLA ........................................................................................... 8

2.3.1. OdreĊivanje posmiĉne ĉvrstoće ................................................................................ 11

2.4. ODAZIV NEKOHERENTNOG TLA NA DJELOVANJE POSMIĈNE SILE ...................... 13

3. LABORATORIJSKA ISPITIVANJA ................................................................................ 17

3.1. OBRADA I PRIPREMA UZORKA .................................................................................... 17

3.1.1. OdreĊivanje gustoće ĉestica tla ................................................................................ 17

3.1.2. OdreĊivanje granulometrijskog sastava i klasifikacija ............................................... 19

3.1.3. OdreĊivanje minimalnog i maksimalnog koeficijenta pora ........................................ 20

3.2. UGRADNJA UZORKA ..................................................................................................... 21

3.2.1. Postupak ugradnje rahlih uzoraka............................................................................. 22

3.2.2. Postupak ugradnje zbijenih uzoraka ......................................................................... 22

3.3. POKUS IZRAVNOG POSMIKA ....................................................................................... 23

4. REZULTATI LABORATORIJSKIH ISPITIVANJA ........................................................ 25

4.1. GUSTOĆA SUHOG TLA .................................................................................................. 25

4.2. GRANULOMETRIJSKI SASTAV ..................................................................................... 25

4.3. MINIMALNI I MAKSIMALNI KOEFICIJENT PORA TE KOEFICIJENT PORA I

ZBIJENOST SVAKOG UZORKA PRIJE ISPITIVANJA .......................................................... 26

4.4. REZULTATI POKUSA IZRAVNOG POSMIKA ................................................................ 28

5. RASPRAVA ....................................................................................................................... 33

6. ZAKLJUĈAK ...................................................................................................................... 37

7. POPIS LITERATURE....................................................................................................... 39

8. POPIS SLIKA I TABLICA ................................................................................................ 40

9. SAŢETAK .......................................................................................................................... 41

ODAZIV NEKOHERENTNOG TLA NA DJELOVANJE POSMIČNIH SILA S OBZIROM NA STANJE ZBIJENOSTI

Danijela Grediček

1

1. UVOD

Tlo je kompleksan sustav koji se sastoji od ĉvrstih, tekućih i plinovitih

elemenata. Jedno od njegovih najvaţnijih inţenjerskih svojstava je posmiĉna

ĉvrstoća. Posmiĉna ĉvrstoća je vrijednost posmiĉnog naprezanja u trenutku

sloma, duţ klizne plohe unutar mase tla. Vrlo je vaţno razlikovati vršnu i

rezidualnu posmiĉnu ĉvrstoću tla. Za potrebe projektiranja vršna ĉvrstoća je

znaĉajna samo u sluĉajevima malih deformacija, kada je naprezanje znatno

manje od onog koje bi izazvalo slom u tlu. U sluĉajevima kada se oĉekuje da bi

posmiĉno naprezanje moglo doseći vršnu posmiĉnu ĉvrstoću mjerodavna je

vrijednost rezidualne posmiĉne ĉvrstoće kako bi se sprijeĉila pojava

progresivnog sloma u tlu.

Posmiĉna ĉvrstoća tla u laboratoriju najĉešće se odreĊuje u ureĊaju za izravni

posmik. Pojava vršne ĉvrstoće karakteristiĉna je za krto – plastiĉni slom u tlu

koja s razvojem deformacija pada do vrijednosti rezidualne posmiĉne ĉvrstoće

tla. TakoĊer, s povećanjem horizontalne deformacije, dolazi do ekspanzije

uzorka tj. povećanja volumena. Tu pojavu u mehanici tla nazivamo dilatancija.

Takvo ponašanje svojstveno je dobro zbijenim materijalima.

Kod plastiĉnog sloma nema pojave vršne ĉvrstoće već je ona jednaka

rezidualnoj posmiĉnoj ĉvrstoći. Takav slom karakteristiĉan je za rahle materijale

kod kojih prilikom djelovanja posmiĉne sile dolazi do smanjivanja volumena tj.

kontrakcije uzorka.

Cilj ovog rada je objasniti i eksperimentalno potvrditi odaziv nekoherentnog tla

na djelovanje posmiĉne sile ovisno o stanju zbijenosti uzroka.


Danijela Grediček

2

2. OPĆI DIO

U općem dijelu ovog diplomskog rada biti će detaljno obraĊena i prikazana

osnovna svojstva tla poput trofaznog karaktera i strukture tla, objasnit će se

postupak klasifikacije krupnozrnatog tla, te posmiĉna ĉvrstoća. Poznavanje ovih

teoretskih poglavlja iz mehanike tla neophodno je kako bi se razumio praktiĉni

dio rada. TakoĊer, u ovom dijelu rada biti će teorijski objašnjen odaziv

nekoherentnog tla na djelovanje posmiĉne sile s obzirom na stanje zbijenosti

koji će kasnije biti potkrijepljen eksperimentalnim dijelom.

2.1. OSNOVNA SVOJSTVA TLA

Od postanka Zemlje na materijal u njezinoj kori djeluju procesi koji uzrokuju

promjene. Rezultati tih promjena su:

- raspadanje stijena,

- transport produkata raspadanja i

- sedimentacija transportiranih ĉestica.

Kao konaĉni proizvod nakon sedimentacije pojavljuje se tlo.

2.1.1. Trofazni karakter tla

Razmatrajući naĉin sedimentacije ĉestica tla uoĉljivo je da se ono sastoji od

ĉestica razliĉite krupnoće i od meĊuprostora – pora. Pore u tlu mogu biti

ispunjene plinom i/ili tekućinom. Plin je najĉešće zrak, a tekućina voda. Iz tog

razloga govori se o trofaznom karakteru tla. Radi jednostavnijeg definiranja

odnosa izmeĊu faza uvodi se „model tla“ prikazan na slici 2.1 pomoću kojeg se

kvantificiraju jediniĉni odnosi volumena i masa u uzorku tla prikazani u tablici

2.1. Oznake, indeksi i kratice koje se ovdje navode preuzeti su iz Eurokoda 7.


Danijela Grediček

3

volumeni mase

Slika 2.1 Model tla

Tumaĉ oznaka sa slike 2.1

V – ukupni volumen uzorka, [cmᶟ] m – ukupna masa uzorka, [g]

Vv – volumen pora, [cmᶟ] mg – masa plina ≈ 0

Vs – volumen ĉvrstih ĉestica, [cmᶟ] mw – masa vode, [g]

Vg – volumen plina, [cmᶟ] ms – masa ĉvrstih ĉestica, [g]

Vw – volumen vode, [cmᶟ]

Na temelju ovakvog modela tla definirani su sljedeći volumenski i maseni

odnosi:

Tablica 2.1 Volumenski i maseni odnosi

Relativni porozitet , [%]

(2.1)

Koeficijent pora, [1]

(2.2)

Vlaţnost, [%]

(2.3)

Stupanj zasićenosti, [%]

(2.4)

Gustoća ĉestica tla, [g/cmᶟ]

(2.5)

Gustoća suhog tla, [g/cmᶟ] (2.6)

Gustoća tla, [g/cmᶟ]

(2.7)

Gustoća vode, [g/cmᶟ]

(2.8)

Vw

plin

m

ms

mw

mg ≈ 0

V

Vv

Vs

Vg

tekućina

čestice tla


Danijela Grediček

4

2.1.2. Struktura tla

Pojam struktura tla ili toĉnije mikrostruktura, koristi se za opisivanje geometrije i

veza izmeĊu zrna i pora meĊu njima, pri ĉemu se razlikuju tri grupe:

- nekoherentna ili krupnozrnata,

- koherentna ili sitnozrnata i

- vezana ili cementirana (Maksimović, 2005).

Strukturu krupnozrnatog tla ĉine kompaktna zrna koja se mogu predstaviti

kuglicama ili sliĉnim pravilnim oblicima. Kao primjer moţe se razmotriti skup

zrna pribliţno iste veliĉine (npr. uniformni pijesak). Zavisno od relativnog

poloţaja zrna moguć je širok interval poroznosti. Ako bi se zrna posloţila tako

da je svako zrno toĉno iznad onog ispod njega, kao što je prikazano na slici 2.2

a, formirala bi se struktura s maksimalnim koeficijentom poroznosti. Ako se zrna

pak sloţe tako da ona gornja budu u udubinama izmeĊu zrna u donjem redu,

slika 2.2 b, koeficijent poroznosti bio bi minimalan. MeĊusobni poloţaj zrna sa

maksimalnim koeficijentom poroznosti daje rastresitu tj. rahlu strukturu, a sa

minimalnim, zbijenu (slika 2.2).

a) rahlo b) zbijeno

Slika 2.2 Struktura tla

Maksimalni koeficijent pora za promatrano tlo oznaĉava se sa emax, a minimalni

sa emin. Veliĉina minimalnog koeficijenta pora odreĊuje se sipanjem suhog

uzorka tla u posudu odreĊenog volumena (npr. menzura), u slojevima, te

potresanjem dok se ne dobije najzbijenije stanje. Iako se mjerenje izvodi tako

da se dobije najzbijenije stanje, moguće su i veće zbijenosti, posebno pri većim

opterećenjima. Maksimalni koeficijent pora emax odreĊuje se sipanjem suhog

uzorka tla pomoću standardiziranog lijevka u posudu odreĊenog volumena, tako

da se lijevak napuni tlom, spusti na dno posude i lagano podiţe dok cijela


Danijela Grediček

5

posuda nije ispunjena. Iz poznatog volumena, mase i specifiĉne gustoće tla,

dobije se odgovarajući koeficijent pora. Unatoĉ imenu, ovo stanje ne mora

odgovarati najvećem mogućem volumenu pora tog tla. Postoje postupci ili

naĉini sedimentacije tla u prirodi koji omogućavaju i puno rahlije strukture.

MeĊutim, emax predstavlja dobru mjeru rahlosti (Zlatović, 2003).

Prirodno tlo koje se sastoji od zrna razliĉitih veliĉina, obiĉno ima manje

vrijednosti graniĉnih poroznosti i manji raspon izmeĊu njih. Za prirodne ili

laboratorijski pripremljene uzorke pijeska emin i emax najviše zavise od

zaobljenosti zrna R i koeficijenta jednoliĉnosti Cu.

Odnos izmeĊu prirodne (zateĉene) poroznosti promatranog tla i njegovih

graniĉnih vrijednosti opisuje se pokazateljem koji se naziva relativna zbijenost

Dr.

(2.9)

Budući da se koeficijent poroznosti e moţe izraziti i pomoću jediniĉne teţine

suhog tla γd, relativna zbijenost moţe se izraziti i u obliku:

(2.10)

Umjesto pokazatelja Dr, posljednje se vrijeme sve ĉešće upotrebljava indeks

zbijenosti ID, decimalan broj za dva reda veliĉina manji od Dr, koji se izraţava

sljedećim izrazom:

(2.11)

(2.12)

Pokazatelji relativne zbijenosti koriste se iskljuĉivo za krupnozrnate materijale

koji sadrţe manje od 15% sitnozrnatih ĉestica.

Kvalitativni opis stanja zbijenosti prikazan je u tablici 2.2:


Danijela Grediček

6

Tablica 2.2 Opis stanja zbijenosti (Budhu, 2000)

OPIS γ [kN/m3] RELATIVNA ZBIJENOST Dr (%)

Vrlo rastresito 11 – 13 0 – 15

Rastresito 14 – 16 15 – 35

Srednje zbijeno 17 – 19 35 – 65

Zbijeno 20 – 21 65 – 85

Jako zbijeno > 21 85 – 100

Mehaniĉko ponašanje krupnozrnatih materijala u znatnoj mjeri ovisi o relativnoj

zbijenosti. Ukoliko je veća relativna zbijenost manja je deformabilnost, veća

posmiĉna ĉvrstoća, a manja vodopropusnost. Zbijenost takoĊer utjeĉe i na

odaziv tla kod posmika.

2.2. KLASIFIKACIJA KRUPNOZRNATOG TLA

Za klasifikaciju krupnozrnatog tla potrebno je poznavati raspodjelu veliĉina

ĉvrstih ĉestica tj. granulometrijski sastav. Granulometrijski sastav krupnozrnatog

tla odreĊuje se sijanjem, suhim ili mokrim, na nizu sita standardnih veliĉina

otvora, te vaganjem ostataka na svakom situ i onoga što je prošlo kroz najfinije

sito. Za ĉestice manje od 63 μm – granulometrijski sastav se odreĊuje

areometriranjem.

Granulometrijski sastav uobiĉajeno se prikazuje granulometrijskim dijagramom

kao postotak mase ili teţine prolaza kroz sito, tj. udjela ĉvrstih ĉestica koji su

manji od date dimenzije. Pri tome se na apscisi redovito prikazuje veliĉina zrna i

to u logaritamskom mjerilu, a na ordinati je postotak prolaza. Uobiĉajeni su

„uzlazni“ i „silazni“ granulometrijski dijagrami, tj. negdje je uobiĉajeno da veliĉina

na apscisi raste prema desno, a negdje prema lijevo.


Danijela Grediček

7

Klasifikacija tla je postupak svrstavanja materijala tla u grupe sliĉnih svojstava.

U ovom diplomskom radu je korištena USCS klasifikacija (Unified Soil

Classification System) prema BS-u (British Standard) prikazana u tablici 2.3.

Tablica 2.3 USCS klasifikacija krupnozrnatog tla

Glavna podjela

Grupa

simbola

Uobičajeni nazivi

Klasifikacijski kriterij za krupnozrna tla

Kru

pn

ozrn

ata

tla

(v

iše o

d p

olo

vic

e m

ate

rija

la s

zrn

ima v

ećim

od

0, 06

3 m

m)

Š

ljunak (

viš

e o

d p

olo

vic

e k

rupnih

fra

kcija

s z

rnim

a v

ećim

od 2

mm

)

Ĉis

ti š

ljunak (

ma

lo ili

niš

ta s

itnih

ĉestica)

GW Dobro granulirani šljunci,

Mješavina šljunka i pijeska, Malo ili ništa sitnih ĉestica

Cu=D60/D10>4 Cc=1<D30

2/(D10 x D60) <3

GP Slabo granulirani šljunci,

Mješavina šljunka i pijeska, Malo ili ništa sitnih ĉestica

Sve gradacije koje ne zadovoljavaju kriterije za GW

Šlju

nak s

a s

itnim

ĉesticam

a

(znatn

a

koliĉ

ina

sitniji

h ĉ

estica)

GM d/u Prašinasti šljunci, Mješavina šljunka, pijeska i

praha

Atterbergove granice ispod A-linije ili Ip<4

Poviše A-linije sa 4<Ip<7 su

graniĉni sluĉajevi koji zahtijevaju uporabu dvojnih simbola

GC

Glinoviti šljunci, Mješavina šljunka, pijeska i

mulja

Atterbergove granice iznad A-linije ili Ip>7

Pije

sak (

viš

e o

d p

olo

vic

e k

rupnih

fra

kcija

s

zrn

ima m

anjim

od 2

mm

)

Ĉis

ti p

ijesak

(ma

lo ili

niš

ta

sitnih

ĉestica) SW Dobro granulirani pijesci,

Šljunkoviti pijesci, Malo ili ništa sitnih ĉestica

Cu=D60/D10>6 Cc=1<D30

2/(D10 x D60) <3

SP Slabo granulirani pijesci, Šljunkoviti pijesci,

Malo ili ništa sitnih ĉestica

Sve gradacije koje ne zadovoljavaju kriterije za SW

Pije

sak s

a s

itnim

ĉesticam

a (

znatn

a k

oliĉ

ina

sitniji

h ĉ

estica)

SM d/u Prašinasti pijesci, Mješavina pijeska i praha

Atterbergove granice ispod A-linije ili Ip<4

Iscrtane granice u zoni vrijednosti s 4<Ip<7 su graniĉni

sluĉajevi koji zahtijevaju uporabu dvojnih simbola

SC Glinoviti pijesci,

Mješavina pijeska i praha

Atterbergove granice iznad A-linije ili Ip>7

Za karakterizaciju granulometrijskog sastava tla definiraju se dva koeficijenta:

- koeficijent jednoliĉnosti

(2.13)

- koeficijent zakrivljenosti

(2.14)


Danijela Grediček

8

Karakteristiĉni promjeri zrna D10, D30 i D60 odrede se tako da se u

granulometrijskom dijagramu povuĉe horizontalna linija na odgovarajućim

postocima (10%, 30% i 60%) i oĉitaju se vrijednosti promjera zrna u

milimetrima. Ako je koeficijent jednoliĉnosti Cu jednak 1 znaĉi da su sva zrna

jednakog promjera, ako su pak u uzorku promjeri zrna u širokom rasponu Cu je

jako velik. Dakle, što je koeficijent jednoliĉnosti veći to je materijal manje

jednoliĉan.

Ukoliko se u tlu nalazi više od 12% ĉestica sitnijih od 63μm potrebno je odrediti

njihove Atterbergove granice. To su granice izmeĊu stanja plastiĉnosti koje su

definirane koliĉinom vlage u trenutku kada materijal ima graniĉna svojstva.

Granice plastiĉnosti su: wP – granica plastiĉnosti je ona minimalna vlaga kod

koje se valjĉić promjera 3 mm još moţe plastiĉno deformirati bez pojave

pukotina i wL – granica teĉenja je ona minimalna vlaţnost kod koje se pri malom

poremećaju tlo poĉinje ponašati kao ţitka masa. Indeks plastiĉnosti IP definira

se kao razlika vlaţnosti na granici teĉenja i granici plastiĉnosti. A – linija je

pravac koji u dijagramu plastiĉnosti predstavlja granicu izmeĊu sitnozrnatih

materijala, gline i praha.

2.3. POSMIĈNA ĈVRSTOĆA TLA

Pod pojmom ĉvrstoća u podruĉju geotehnike općenito se podrazumijeva

posmiĉna ĉvrstoća zbog toga što do sluĉaja sloma kod graĊevina izgraĊenih od

zemljanih materijala, te ostalih objekata temeljenih na tlu, dolazi prekoraĉenjem

posmiĉne ĉvrstoće tla.

Posmiĉna ĉvrstoća je vrijednost posmiĉnog naprezanja, pri lomu, duţ klizne

površine unutar mase tla.

Dovoljno dobar opis ponašanja tla pruţa Coulomb-ov zakon ĉvrstoće koji u

totalnim naprezanjima ima sljedeći oblik:

τf = c + σn·tgφ (2.15)


Danijela Grediček

9

U jednadţbi 2.13 je:

- τf posmiĉna ĉvrstoća u trenutku sloma

- σn totalno normalno naprezanje na plohi sloma

- c kohezija odreĊena za totalna naprezanja

- φ kut unutarnjeg trenja odreĊen za totalna naprezanja

Do sloma u tlu dolazi kada Mohr-ova kruţnica naprezanja dodirne anvelopu

sloma opisanu jednadţbom 2.13, kao što je grafiĉki prikazano na slici 2.3.

uobiĉajeno se Coulomb-ov zakon ĉvrstoće naziva još i Mohr – Coulomb-ov

zakon posmiĉne ĉvrstoće.

Slika 2.3 Mohr – Coulomb-ov zakon čvrstoće (Matešić, 2006)

Anvelopa sloma odreĊena je s dva parametra ĉvrstoće koje nazivamo kohezija

(c) i kut unutarnjeg trenja (φ). Oni nisu konstante materijala, već ovise o nizu

ĉimbenika: vrsti materijala, stanju materijala (naprezanju prekonsolidacije i

relativnom porozitetu), veliĉini naprezanja te o naĉinu i brzini nanošenja

opterećenja.

Tangens kuta unutarnjeg trenja je gradijent anvelope sloma. Kut unutarnjeg

trenja je parametar koji je karakteristiĉan za sve materijale tla, manji za

sitnozrnate, a veći za krupnozrnate. Kohezija je otpor tla na smicanje kada su

normalna naprezanja jednaka nuli, karakteristiĉna je za sitnozrnata tla, dok je

za krupnozrnata tla jednaka nuli.


Danijela Grediček

10

Oblici zavisnosti relativne posmiĉne deformacije u funkciji posmiĉnih

naprezanja τ prikazani su na slici 2.4, gdje se vide tri razliĉita mehanizma

sloma:

f

r,f

F

R

RF

f

?f

?F, R

(a) (b) (c)

Slika 2.4 Ponašanje tla pri smicanju (Maksimović, 2005)

Krto – plastiĉni (slika 2.4 a) slom podrazumijeva povećanje posmiĉnog

naprezanja do maksimalne veliĉine τf, koja predstavlja vršnu posmiĉnu

ĉvrstoću, a zatim opadanje posmiĉnog naprezanja pri daljnjim deformacijama,

do rezidualne ĉvrstoće τf,r pri velikim deformacijama. Maksimalna vrijednost

naprezanja je vršna ĉvrstoća (toĉka F), a rezidualna ĉvrstoća (toĉka R) ili

ĉvrstoća pri velikim deformacijama, dostiţe se uz opadanje ĉvrstoće od toĉke F

do toĉke R i ostaje konstantna nakon dostizanja odreĊene veliĉine deformacija i

pri daljnjim deformacijama. Ovakav mehanizam sloma karakteristiĉan je za

dobro zbijena tla.

Ukoliko porastom deformacija posmiĉno naprezanje dosegne maksimalnu

vrijednost τf, a zatim sa daljnjim deformacijama ovo naprezanje ostaje

konstantno τf=τf,r, radi se o plastiĉnom slomu (slika 2.4 b). Ovakav mehanizam

sloma karakteristiĉan je za rastresita tla.

U nekim okolnostima tlo moţe pokazivati i ţilavo ponašanje (slika 2.4 c) gdje se

porastom posmiĉne deformacije povećava posmiĉno naprezanje, te se ne

dostiţe karakteristiĉna maksimalna vrijednost u ispitanom intervalu deformacija.


Danijela Grediček

11

2.3.1. OdreĊivanje posmiĉne ĉvrstoće

Posmiĉna ĉvrstoća moţe se odrediti u laboratoriju i na terenu. Najĉešće

korišteni ureĊaj za ispitivanje posmiĉne ĉvrstoće u laboratoriju je ureĊaj za

izravni posmik. Osim tog ureĊaja koristi se i triaksijalni ureĊaj koji je sloţeniji za

rukovanje, ali ima znatno bolje mogućnosti od ureĊaja za izravni posmik. Tako

na primjer, u ureĊaju za izravni posmik nije moguće mjeriti porni tlak pa nije

moguće razlikovati totalna i efektivna naprezanja; geometrija ureĊaja nameće

plohu smicanja tj. zonu smicanja; kutija u kojoj se smiĉe uzorak ima trenje

izmeĊu okvira koje utjeĉe na konaĉne parametre tla… Unatoĉ tim nedostacima,

ureĊaj za izravan posmik daje zadovoljavajuće rezultate za potrebe

projektiranja.

Osnovni princip pokusa direktnog smicanja je sljedeći:

- uzorak se optereti normalnim naprezanjem nanošenjem vertikalne

sile, a zatim se

- horizontalnom silom izazivaju posmiĉna naprezanja po sredini

uzorka.

UreĊaj za izravni posmik shematski je prikazan na slici 2.6 (direct shear

apparatus). Jednostavan je i ĉesto korišten laboratorijski ureĊaj koji se sastoji

se od dvodijelne ćelije kvadratnog presjeka razdijeljene horizontalno u koju se

ugraĊuje uzorak izmeĊu poroznih ploĉica. Poklopac tijesno klizi u gornji dio

kutije i preko njega se nanosi vertikalno opterećenje.

Pokus se odvija u dvije faze:

- konsolidacija (traje sve dok se ne završi primarna konsolidacija

uzorka) i

- smicanje (poĉinje nakon završetka faze konsolidacije, a vrši se tako

da se gornji i donji dio ćelije pomiĉu horizontalno jedan u odnosu na

drugi, unaprijed definiranom brzinom smicanja).


Danijela Grediček

12

Slika 2.5 Uređaji za izravni posmik

a) uređaj sa kontroliranim prirastom deformacije

b) uređaj sa kontroliranim prirastom sile (Maksimović, 2005)

Postoji dvije osnovne vrste ureĊaja za izravni posmik. To su ureĊaj sa stalnim

prirastom deformacije tj. sa konstantnom brzinom smicanja (slika 2.5 a) i ureĊaj

sa stalnim prirastom sile (slika 2.5 b). Obzirom na to postoje i razliĉiti kriteriji

sloma, tj. kriteriji za odreĊivanje posmiĉne ĉvrstoće. Kod oba ureĊaja uzorak se

prethodno konsolidira pod odreĊenim vertikalnim naprezanjem, a koje ovisi o

potrebi konkretnog zadatka.

Slika 2.6 Shema uređaja za izravni posmik sa stalnim prirastom deformacije

(Maksimović, 2005)

Rezultati mjerenja prikazuju se kao relacija izmeĊu ostvarenog posmiĉnog

naprezanja i odgovarajućeg pomaka izmeĊu dva dijela ćelije. Posmiĉno i

normalno naprezanje u plohi na spoju dijelova ćelije su τ = T/A i σ = N/A, gdje

je A površina uzorka u ravnini dodira dviju dijelova ćelije, T horizontalna sila, a

N vertikalna sila.

Rezultati pokusa izravnog posmika reflektiraju se u totalnim naprezanjima koji

su jednaki efektivnim kod pokusa s dovoljno sporom deformacijom, te

prethodnom konsolidacijom i obostranim dreniranjem uzoraka.


Danijela Grediček

13

S promjenom normalnog naprezanja mijenja se i razvoj posmiĉnih naprezanja

pri smicanju. Uobiĉajeno je da se iz jednog materijala izvedu tri ispitivanja pod

tri razliĉita vertikalna opterećenja (svako sljedeće je dvostruko veće od

prethodnog) kako bismo mogli pouzdano odrediti parametre posmiĉne ĉvrstoće

tla (slika 2.7).

Slika 2.7 Prikaz rezultata pokusa izravnog posmika

Najzanimljivije su graniĉne vrijednosti posmiĉnog naprezanja:

- vršna ĉvrstoća tla kao najveća vrijednost posmiĉnog naprezanja kada

nas zanimaju relativno male deformacije i

- rezidualna ĉvrstoća tla kao naprezanje koje odgovara velikim

deformacijama.

-

2.4. ODAZIV NEKOHERENTNOG TLA NA DJELOVANJE POSMIĈNE SILE

Stvarna slika mehanizma posmiĉnog sloma tla je jako sloţena jer je tlo skup

relativno ĉvrstih ĉestica razliĉitih veliĉina i oblika meĊu kojima se nalaze šupljine

koje mogu biti ispunjene tekućinom. Posmiĉnu silu moţe preuzeti samo skelet

ĉvrstih ĉestica. Naprezanja se prenose preko sila na kontaktima susjednih zrna

(slika 2.8 a). Pri tome se zrna ne samo taru, već mogu i rotirati, kotrljati se,

prelaziti jedno preko drugoga, pa i drobiti u razliĉitoj mjeri. Posmiĉni slom tla

nastaje po nekoj nepravilnoj ravnini s-s (slika 2.8 b,c) koja prolazi izmeĊu zrna.


Danijela Grediček

14

Pri tome se zrna pomiĉu i lome na vrlo sloţen naĉin koji se ne moţe analitiĉki

opisati u obliku koji bi bio jednostavan za praktiĉnu primjenu.

Slika 2.8 Smicanje krupnozrnatog tla (Maksimović, 2005)

Osim porasta posmiĉnih deformacija, u procesu smicanja dolazi i do promjene

volumena tla u odnosu na poĉetno stanje uzorka (slika 2.9 a). Porastom

posmiĉnih naprezanja moţe doći do smanjenja volumena (slika 2.9 b) tj.

kompresije uzorka (vrijedi za rastresite materijale), ali je moguć i obrnuti sluĉaj

kada, unatoĉ porastu posmiĉnih naprezanja, dolazi do povećanja volumena

(slika 2.9 c) tj. ekspanzije uzorka, tj. do povećanja njegova volumena. Ta se

pojava u mehanici tla naziva dilatancija i njome se opisuje utjecaj

uzglobljenosti zrna na posmiĉnu ĉvrstoću.

Slika 2.9 Pojava smanjenja i povećanja volumena uzorka kod smicanja

a) početni uvjeti; b) odaziv rahlog uzorka; c) odaziv zbijenog uzorka

(Budhu, 2000)


Danijela Grediček

15

Do ovih pojava – slijeganja i izdizanja uzorka dolazi zbog strukture tla, tj,

poĉetnih uvjeta koji su vladali u tlu prije djelovanja posmiĉne sile. To je

shematski prikazano na slici 2.10.

a) rahlo tlo b) zbijeno tlo

Slika 2.10 Struktura tla prije smicanja

Unutarnje trenje zrnastog materijala, ĉije ĉestice nisu povezane cementnim

vezama, jednako je zbroju trenja klizanja izmeĊu zrna, uvećanom za dodatni

otpor koji se javlja zbog ukliještenosti i uzglobljenosti zrna. Kada zbijeno tlo klizi

po ravnini sloma, zapravo se pomiĉe po nekoj lokalnoj ravnini kontakta meĊu

zrnima, koja se ne poklapa s globalnom ravninom smicanja. Zbog toga dolazi

do povećanja posmiĉnog otpora iznad veliĉine koja bi bila uvjetovana samo

kutom unutrašnjeg trenja. Uzglobljenost zrna oslobaĊa se povećanjem

volumena zbijenog tla – dilatancijom. Tek kad se svlada ovaj efekt ostaje ĉisto

trenje koje ovisi o mineralnom sastavu tla. Upravo zbog toga zbijena

krupnozrnata tla kod smicanja prvo doseţu vršnu posmiĉnu ĉvrstoću koja zatim

s povećanjem deformacija opada do rezidualne ĉvrstoće (slika 2.11 a).

Slika 2.11 Odaziv krupnozrnatog tla u pokusu direktnog posmika

(Maksimović, 2005)


Danijela Grediček

16

S druge strane, uzglobljenost zrna nije karakteristika rahlih materijala. U ovom

sluĉaju zrna se vrlo lako pomiĉu, bez dodatnih otpora, tako da dolazi do

plastiĉnog loma bez pojave vršne vrijednosti posmiĉne ĉvrstoće. Deformacije do

loma se odvijaju uz smanjenje volumena do konstantne vrijednosti, kada

gradijent promjene volumena postaje jednak nuli. Odnos horizontalne (εa) i

volumne (εv) deformacije, za rahli i zbijeni uzorak, prikazan je na slici 2.11 b.

Rahlo i zbijeno krupnozrnato tlo istog granulometrijskog sastava pokazuju bitno

drugaĉija svojstva u istom pokusu pri istim vrijednostima vertikalnog naprezanja

sve do toĉke u kojoj postiţu kritiĉni porozitet ec (slika 2.11 c), koji nastaje tek pri

vrlo velikim deformacijama.


Danijela Grediček

17

3. LABORATORIJSKA ISPITIVANJA

U ovom poglavlju biti će detaljno prikazana i opisana sva laboratorijska

ispitivanja koja su provedena u praktiĉnom dijelu ovog rada. Uzorci na kojima

su provedena ispitivanja dobiveni su u poremećenom stanju sa lokacije Jerovec

(proizvod Pješĉare Jerovec: kremeni pijesak 0,1 – 1 mm za primjenu u

graĊevinarstvu).

3.1. OBRADA I PRIPREMA UZORKA

Prije provoĊenja samog pokusa izravnog smicanja uzorak je podvrgnut

sljedećim preliminarnim ispitivanjima:

- odreĊivanje gustoće ĉestica tla ρs,

- odreĊivanje granulometrijskog sastava i klasifikacija i

- odreĊivanje minimalnog i maksimalnog koeficijenta pora.

3.1.1. OdreĊivanje gustoće ĉestica tla

Gustoća ĉestica tla ili specifiĉna gustoća odreĊena je prema normi ASTM D854.

Opis postupka: pokus se provodi pomoću piknometara tipa Gay-Lyssac. To je

staklena boĉica s brušenim šupljim ĉepom sadrţaja obiĉno 100 cm³ toĉno

poznatog volumena. Vaganjem se izmjeri masa mu male koliĉine suhog uzorka i

masa mp piknometra s vodom na temperaturi od 20º. Zatim se uzorak naspe u

piknometar u koji dolijemo vodu (pribliţno dvije trećine volumena) i on se stavi u

pješĉanu kupelj koja se zagrije i uzrokuje kuhanje uzorka u piknometru. To se

radi kako bi se sa svih ĉestica i iz vode uklonio zrak, tj. da se pore popune

vodom. Kad se piknometar s uzorkom ohladi, napuni se vodom do vrha i

ponovno vaţe (masa piknometra s uzorkom u vodi mp+u). Volumen uzorka Vu

tada dobijemo kao odnos istisnute mase vode iz piknometra i gustoće vode

(ρw).


Danijela Grediček

18

(3.1)

Iz uvjeta da je Vu=Vs, a mu=ms, slijedi da je gustoća uzorka jednaka njegovoj

masi podijeljenoj s volumenom:

(3.2)

gdje je: ms - masa ĉvrstih ĉestica tla

Vs - obujam ĉvrstih ĉestica tla

ρs – gustoća ĉestica tla

U ovom ispitivanju vrlo je bitno koristiti preciznu vagu jer se radi s vrlo malim

masama.

Redoslijed provoĊenja pokusa prikazan je na slici 3.1:

a) b) c) d)

e) f) g) h)

Slika 3.1 Određivanje gustoće čvrstih čestica

a) suhi uzorak, b) sipanje uzorka u piknometar, c) vaganje suhog uzorka u

piknometru, d) dolijevanje vode u piknometar, e) piknometri s uzorkom i vodom

do 2/3 volumena, f) kuhanje uzoraka u pješčanoj kupelji, g) punjenje piknometra

do vrha vodom, h) vaganje piknometra s uzorkom i vodom


Danijela Grediček

19

3.1.2. OdreĊivanje granulometrijskog sastava i

klasifikacija

Kako bi se uzorak mogao klasificirati potrebno je poznavati njegov

granulometrijski sastav. OdreĊivanje granulometrijskog sastava provedeno je

prema normi HRS CEN ISO/TS 17892-4. Uzorak je najprije osušen u sušioniku

do stalne mase. Nakon vaganja nasipan je na najgrublje sito u nizu sita (sita su

postavljena jedno iznad drugog od finijeg prema grubljem) koja su zatim

stavljena u treskalicu na 5 minuta kako bi se uzorak prosijao i kako bi na

svakom situ ostala samo zrna koja kroz otvore na situ nisu mogla proći. Nakon

sijanja sita su izvaĊena iz treskalice i izvagan je ostatak na svakom pojedinom

situ i na dnu. Postupak je prikazan na slici 3.2. Iz podataka o ostatku uzorka na

situ poznatog promjera tj. postotku prolaska mase kroz pojedino sito, iscrtana je

granulometrijska krivulja. TakoĊer su izraĉunati sljedeći koeficijenti potrebni za

klasifikaciju uzorka: koeficijent jednoliĉnosti i koeficijent zakrivljenosti, a prema

izrazima 2.13 i 2.14.

a) b) c) d)

Slika 3.2 Sijanje uzorka; a) vaganje suhog uzorka prije sijanja, b) sipanje uzorka

na set sita, c) sijanje uzorka u treskalici, d) vaganje sita i ostatka uzorka na situ


Danijela Grediček

20

3.1.3. OdreĊivanje minimalnog i maksimalnog koeficijenta

pora

Za odreĊivanje minimalnog i maksimalnog koeficijenta pora potreban je potpuno

suhi uzorak, posuda poznatog volumena, u ovom sluĉaju menzura, vaga na

dvije decimale te ţlica za uzimanje uzorka.

a) b) c)

Slika 3.3 Određivanje minimalnog i maksimalnog koeficijenta pora

a) uzorak rahlo nasipan u menzuri, b)potresanje menzure kako bi se uzorak

zbio, c) vaganje menzure i uzorka

Postupak za odreĊivanje minimalnog koeficijenta pora emin (slika 3.3): suhi

uzorak rahlo se nasipava u menzuru poznate mase (mm) od unaprijed

odreĊenog volumena oznaĉenog na menzuri. Vrlo je bitno paziti da se uzorak

ne potresa kako se ne bi došlo do zbijanja jer je potrebno da bude nasipan u

najrahlijem mogućem stanju. Nakon što je uzorak nasipan do odreĊenog

volumena izvaţe se zajedno s menzurom kao što je prikazano na slici 3.3 c

(mm+u). Pomoću poznatog volumena i mase uzorka odredi se maksimalna

gustoća uzorka pomoću izraza 3.3, a iz toga minimalni koeficijent pora.

Masa uzorka (mu = mm+u - mm) jednaka je razlici mase menzure s uzorkom i

mase menzure.


Danijela Grediček

21

Maksimalna gustoća uzorka iznosi:

(3.3)

Minimalni koeficijent uzorka raĉuna se pomoću izraza 3.6.

(3.4)

Maksimalni koeficijent pora za promatrano tlo oznaĉavamo sa emax, a

odreĊujemo ga sipanjem suhog uzorka tla u menzuru, u slojevima, te

potresanjem menzure (slika 3.3 b) dok se ne dobije najzbijenije stanje. Tada se

vagne uzorak u menzuri i provede isti raĉun kao kod odreĊivanja minimalnog

koeficijenta pora i on iznosi:

(3.5)

3.2. UGRADNJA UZORKA

U ureĊaju za izravni posmik ispitana su ukupno ĉetiri uzorka, dva u rahlom

stanju i dva u zbijenom stanju. Postupci ugradnje (slika 3.4) malo se razlikuju jer

je bilo potrebno postići potpuno suprotno poĉetno stanje zbijenosti uzorka pa će

sami postupci ugradnje biti objašnjeni odvojeno. Prije same ugradnje uzorka

bilo je potrebno zaštiti ćeliju od izlaţenja uzorka. To je ostvareno tako što je

donja porozna ploĉica omotana filtar-papirom kako uzorak ne bi mogao ući u

prostore izmeĊu same ploĉice i stjenki ćelije, a takoĊer su zatvorene i boĉne

rupice na ćeliji kako uzorak ne bi kroz njih izlazio van (slika 3.4 a). Nakon toga

ćelija je izvagana i detaljno izmjerena pomiĉnom mjerkom.

Svi uzorci ugraĊeni su sa pribliţno jednakom vlaţnosti koja je prije i poslije

ispitivanja iznosila oko 4%.


Danijela Grediček

22

3.2.1. Postupak ugradnje rahlih uzoraka

U pripremljenu ćeliju uzorak je lagano nasipavan kroz lijevak sa visine od

pribliţno 1,5 centimetar (slika 3.4 b). Nakon nasipavanja površina uzorka

paţljivo je poravnata pazeći da se uzorak pri tom ne zbije. Zatim je na uzorak

lagano stavljena gornja porozna ploĉica i ponovo je pomiĉnom mjerkom

izmjerena ćelija. Obzirom na to da uzorak nije bio ugraĊivan na standardni

naĉin ćeliju je bilo potrebno mjeriti kako bi se mogla izraĉunati visina uzorka.

3.2.2. Postupak ugradnje zbijenih uzoraka

Ćelija je pripremljena na prethodno opisani naĉin. Uzorak je postepeno

nasipavan u ćeliju i u slojevima zbijan. Zbijanje je provedeno nastavkom za

istiskivanje uzorka iz prstena koji se koristi kod standardnog postupka ugradnje.

Nakon što je u ćeliju ugraĊena dovoljna koliĉina uzorka i kad je on dovoljno

zbijen na njega je stavljena gornja porozna ploĉica te je ćelija ponovo detaljno

izmjerena.

Tako pripremljeni uzorci ugraĊeni su sa ćelijom u ureĊaj za izravni posmik (slika

3.4 c).

a) b) c)

Slika 3.4 Ugradnja uzroka

a) priprema ćelije, b) ugradnja rahlog uzorka,

c) ugradnja ćelije u uređaj za izravni posmik


Danijela Grediček

23

3.3. POKUS IZRAVNOG POSMIKA

Nakon što je uzorak ugraĊen u ureĊaj za izravni pokus kao što je to opisano u

prethodnom poglavlju, zapoĉeto je provoĊenje samog pokusa izravnog

posmika. OdreĊeno je da će se uzorak smicati u suhim uvjetima, tj. u kadicu u

kojoj se nalazi ćelija neće biti dodana voda.

Kratki opis ureĊaja na kojem su provedena ispitivanja: ureĊaj se sastoji od

nosećeg okvira, pogonske jedinice u kojoj se nalazi motor koji pokreće cijeli

sustav, jarma sa polugom koji sluţi za nanošenje vertikalnog opterećenja,

kadice za ćeliju s probnim tijelom i mjerni instrumenti. Na cijelom sustavu

postoje tri mjerna instrumenta (transducera). To su: vertikalni transducer (za

mjerenje vertikalne deformacije – slijeganja), horizontalni transducer (za

mjerenje horizontalne deformacije – pomaka) i transducer za mjerenje sile. Svi

mjerni instrumenti spojeni su na jedinicu za primanje podataka (Data Acquisition

Unit) koja je spojena s raĉunalom. Na raĉunalu je moguće neprestano praćenje

trenutnog stanja deformacija i naprezanja u uzorku tokom cijelog pokusa.

a)

b)

Slika 3.5. Faza konsolidacije; a) ćelija u uređaju za vrijeme faze konsolidacije,

b) prikaz konsolidacije na monitoru za vrijeme trajanja pokusa

Prvi korak u provoĊenju pokusa bila je konsolidacija uzorka (slika 3.5 a). Prvi

rahli uzorak opterećen je silom koja je izazvala normalno naprezanje od 13,7

kN/m2, a drugi rahli uzorak konsolidiran je pod naprezanjem od 27,3 kN/m2.

Faza konsolidacije trajala je sve dok se vertikalna deformacija nije potpuno

umirila (slika 3.5 b), a obzirom na to da se radilo o pijesku to se dogodilo gotovo


Danijela Grediček

24

trenutno. Faza konsolidacije trajala je pribliţno jedan sat. Nakon završetka

konsolidacije iz ćelije su izvaĊeni vijci koji drţe zajedno gornji i donji dio ćelije

kako bi moglo zapoĉeti smicanje uzorka. Uzorak je smican brzinom od 0,1

mm/min koja je ujedno maksimalna preporuĉena brzina smicanja za

nekoherentna tla (Kalinski, 2006). Pokus smicanja trajao sve dok horizontalna

deformacija nije dosegnula 10 milimetara. Kada je završio pokus izravnog

posmika ćelija je izvaĊena iz ureĊaja te je odvojen dio uzorka na temelju kojeg

je odreĊena vlaţnost nakon smicanja. Ćelija je oĉišćena i u nju je ugraĊen drugi

uzorak.

Postupak smicanja zbijenih uzoraka malo se razlikuje pa će ovdje biti posebno

opisan. Dva uzorka ugraĊena su u ćeliju za smicanje u zbijenom stanju, a kako

je opisano u poglavlju 3.2.2. Nakon što je prvi zbijeni uzorak sa ćelijom ugraĊen

u ureĊaj za smicanje provedena je faza konsolidacije uzorka pod vertikalnim

naprezanjem od 13,7 kN/m2. Kad je faza konsolidacije završila uzorak je smican

brzinom od 0,1 mm/min.

a)

b)

Slika 3.6. Faza smicanja; a)prikaz posmične sile i deformacije uzroka na

monitoru za vrijeme trajanja faze smicanja, b) ćelija na kraju faze smicanja

Drugi zbijeni uzorak je u fazi konsolidacije opterećen silom koja je izazvala

vertikalno naprezanje od 400 kN/m2. Kad su se vertikalne deformacije u

potpunosti umirile maknut je dio utega koji su korišteni u fazi konsolidacije.

Opterećenje koje je ostalo na uzorku iznosilo je, prije samog pokusa smicanja,

27,3 kN/m2. Smicanje je provedeno na isti naĉin kao i na prethodnim uzorcima.


Danijela Grediček

25

4. REZULTATI LABORATORIJSKIH

ISPITIVANJA

U ovom poglavlju biti će prikazani svi rezultati laboratorijskih ispitivanja

provedenih u praktiĉnom dijelu ovog rada.

4.1. GUSTOĆA SUHOG TLA

Suha gustoća tla odreĊena je prema postupku opisanom u poglavlju 3.1.1.

Nakon obrade podatka i raĉuna provedenog prema izrazima 3.1 i 3.2 dobiveni

su sljedeći podaci:

ρs = 2,654 g/cm3

γs = γ ρs, g=9.80665 m/s2 γs = 26,032 kN/m3

4.2. GRANULOMETRIJSKI SASTAV

Nakon obrade podataka koji su dobiveni kod samog pokusa sijanja uzorka koji

je detaljnije objašnjen u poglavlju 3.1 dobivena je granulometrijska krivulja

prikazana na slici 4.1.

Slika 4.1 Granulometrijska krivulja


Danijela Grediček

26

TakoĊer, prema izrazima 3.3 i 3.4 odreĊeni su koeficijenti zakrivljenosti i

jednoliĉnosti. Za ispitani uzorak oni iznose:

- Cu = 2,34 i

- Cc = 1,12.

Prema USCS klasifikaciji koja je prikazana u poglavlju 2.1.3 u tablici 2.1, a

prema granulometrijskoj krivulji i izraĉunatim podacima, uzorak je klasificiran

kao slabo graduirani pijesak, oznaka SP.

4.3. MINIMALNI I MAKSIMALNI KOEFICIJENT PORA TE KOEFICIJENT PORA I ZBIJENOST SVAKOG UZORKA PRIJE ISPITIVANJA

Prema postupku opisanom u poglavlju 3.1.3 te koristeći izraze 3.5, 3.6 i 3.7

dobiveni su sljedeći podaci:

ρd,max=1,622 g/cm3 emin=0,6363

ρd,min=1,282 g/cm3 emax=1,0702

U tablici 4.1 prikazani su osnovni geometrijski i fizikalni parametri ispitivanih

uzoraka (visina uzorka huz, masa uzorka muz, površina uzorka Auz, volumen

uzorka Vuz, gustoća uzorka ρuz, vlaţnost wo, zapreminska teţina γ i vertikalno

opterećenje na uzorak prilikom smicanja). Svi podaci se odnose na stanje

uzorka neposredno prije smicanja, a nakon konsolidacije uzorka.


Danijela Grediček

27

Tablica 4.1 Geometrijski i fizikalni parametri ispitivanih uzoraka

huz

[mm]

muz

[g]

Auz

[cm2]

Vuz

[cm3]

ρuz

[g/cm3]

w0

[%]

γ

[kN/m3]

opterećenje

[kN/m2]

Uzorak A 18,707 78,70 35,87 67,102 1,1728 4 11,50 13,7

Uzorak B 20,316 87,50 35,87 74,905 1,1680 4 11,45 27,3

Uzorak C 21,503 117,60 35,87 77,13 1,5247 4 14,95 13,7

Uzorak D 23,171 133,6 35,87 82,906 1,6110 4 15,80 27,3

Prema tablici 2.2 koja opisuje stanje zbijenosti i gustoće uzoraka uzorci su

klasificirani kao:

- uzorak A – vrlo rahli

- uzorak B – vrlo rahli

- uzorak C – rahlo do srednje zbijen

- uzorak D – rahlo do srednje zbijen

Iako uzorci C i D nisu klasificirani kao jako zbijeni, postignuta zbijenost ovih

uzoraka pokazala se dovoljnom da se dokaţe fenomen dilatancije kako je i

pokazano u poglavlju 4.4. Veća zbijenost uzoraka rezultirala bi samo

povećanjem vršne posmiĉne ĉvrstoće u odnosu na postignute vrijednosti.

Nadalje, slika 4.2 pokazuje da se za slabo graduirane pijeske (SP) zbijenost

uglavnom i kreće u podruĉju od rahlog do srednje zbijenog (Dr od 25 – 50 %)

kao i da su utvrĊeni ρd,max i ρd,min te pripadajući emin i emax u dobroj korelaciji.


Danijela Grediček

28

Slika 4.2 Korelacija gustoće suhog uzorka, koeficijenta pora, rezidualnog kuta

trenja i zbijenosti kod nekoherentnih materijala (Kulhawy i Mayne, 1990;

preuzeto iz NAVFAC)

4.4. REZULTATI POKUSA IZRAVNOG POSMIKA

Na slikama 4.3 i 4.4 prikazani su rezultati za prvi rahli uzorak (A) koji je smican

pod vertikalnim naprezanjem od 13,7 kN/m2.

Slika 4.3 Odnos posmičnog naprezanja i horizontalne deformacije-uzorak A

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 2 4 6 8 10 12

Po

sm

ičn

o n

ap

reza

nje

[k

Pa

]

Horizontalna deformacija [mm]

Odnos posmičnog naprezanja i horizontalne deformacije


Danijela Grediček

29

Slika 4.4 Odnos promjene visine uzorka i horizontalne deformacije-uzorak A

Slike 4.5 i 4.6 prikazuju rezultate dobivene za drugi rahli uzorak (B) koji je

smican pod normalnim naprezanjem od 27,3 kN/m2.

Slika 4.5 Odnos posmičnog naprezanja i horizontalne deformacije-uzorak B

1,943

2,143

2,343

2,543

2,743

2,943

3,143

0 2 4 6 8 10 12

Vert

ikaln

a d

efo

rmacija[m

m]


Odnos promjene visine uzorka i horizontalne deformacije

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 2 4 6 8 10 12

Po

sm

ičn

o n

ap

rezan

je [

kP

a]




Danijela Grediček

30

Slika 4.6 Odnos promjene visine uzorka i horizontalne deformacije-uzorak B

Na slikama 4.7 i 4.8 prikazani su rezultati pokusa izravnog posmika dobiveni za

prvi zbijeni uzorak (C) koji je smican pod vertikalnim naprezanjem 13,7 kN/m2.

Slika 4.7 Odnos posmičnog naprezanja i horizontalne deformacije-uzorak C

3,554

3,754

3,954

4,154

4,354

4,554

0 2 4 6 8 10 12

Ve

rtik

aln

a d

efo

rma

cij

a [

mm

]



0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 2 4 6 8 10 12

Po

sm

ičn

o n

ap

reza

nje

[k

Pa

]




Danijela Grediček

31

Slika 4.8 Odnos promjene visine uzorka i horizontalne deformacije-uzorak C

Slike 4.9 i 4.10 prikazuju rezultate pokusa za drugi zbijeni uzorak (D) koji je

smican pod normalnim naprezanjem od 27,3 kN/m2.

Slika 4.9 Odnos posmičnog naprezanja i horizontalne deformacije-uzorak D

-0,667

-0,567

-0,467

-0,367

-0,267

-0,167

-0,067

0 2 4 6 8 10 12V

ert

ikaln

a d

efo

rmacija [

mm

] Horizontalna deformacija [mm]


0

5

10

15

20

25

30

0 2 4 6 8 10 12

Po

sm

ičn

o n

ap

rezan

je [

kP

a]




Danijela Grediček

32

Slika 4.10 Odnos promjene visine uzorka i horizontalne deformacije-uzorak D

0,189

0,289

0,389

0,489

0,589

0,689

0 2 4 6 8 10 12V

ert

ikaln

a d

efo

rmacija [

mm

]




Danijela Grediček

33

5. RASPRAVA

Na slikama 4.3 i 4.5 koje prikazuju odnos posmiĉnog naprezanja i horizontalne

deformacije za rahle uzorke jasno se vidi kako je u uzorku došlo do plastiĉnog

sloma, tj. posmiĉna ĉvrstoća je rasla do sloma i nakon toga ostala na toj

vrijednosti – rezidualna ĉvrstoća. Kako je bilo pokazano u poglavlju 2.2 takve

krivulje i naĉin sloma u tlu karakteristiĉne su za rahle materijale.

TakoĊer, na slikama 4.4 i 4.6 prikazan je odnos vertikalne i horizontalne

deformacije za rahle uzorke. Te krivulje pokazuju da je u oba rahla uzorka s

razvojem horizontalne deformacije došlo do kompresije uzorka. To je bilo

oĉekivano, jer su zrna zbog djelovanja posmiĉne sile poĉela mijenjati svoj

poloţaj i popunjavati prazne meĊuprostore, a to je shematski prikazano na slici

2.10 i objašnjeno u poglavlju 2.4.

Ako se pak promotre krivulje koje su dobivene za zbijene uzorke, takoĊer se

moţe zakljuĉiti da su one bile oĉekivane. Na slikama 4.7 i 4.9, na kojima je

prikazan odnos posmiĉnog naprezanja i horizontalne deformacije, jasno se vidi

da je u uzorku došlo do krto-plastiĉnog sloma. To je oĉito zbog pojave vršne

ĉvrstoće koja je nakon sloma padala do vrijednosti rezidualne posmiĉne

ĉvrstoće. Takav oblik krivulje karakteristiĉan je za dobro zbijene materijale. Isti

odaziv pokazala su oba zbijena uzorka, neovisno o veliĉini normalnog

naprezanja pod kojima je provedeno smicanje uzorka.

Nadalje, ako se pogledaju slike 4.8 i 4.10 koje prikazuju odnos horizontalne i

vertikalne deformacije za zbijene uzorke, oĉito je da je kod oba uzorka došlo do

povećanja volumena tj. ekspanzije uzorka. To je sasvim opravdano, jer su zrna

u jako zbijenom poloţaju pod djelovanjem posmiĉne sile bila prisiljena prelaziti

jedna preko drugih, a to se oĉituje kao povećanje volumena uzorka s razvojem

horizontalne deformacije. TakoĊer, ista pojava zabiljeţena je kod oba zbijena

uzorka.

Na slikama 5.1 do 5.4 prikazana je usporedba odaziva rahlih i zbijenih uzoraka

koji su smicani pod istim normalnim naprezanjima. Slike 5.1 i 5.2 prikazuju

usporedbu rahlog A i zbijenog C uzorka koji su smicani pod normalnim


Danijela Grediček

34

naprezanjem od 13,7 kN/m2, dok se slike 5.3 i 5.4 odnose na rahli B i zbijeni D

uzorak koji su smicani pod normalnim naprezanjem od 27,3 kN/m2.

Slika 5.1 Odnos posmičnog naprezanja i horizontalne deformacije – usporedba:

rahli A – zbijeni C

Slika 5.2 Odnos horizontalne i relativne vertikalne deformacije – usporedba:

rahli A – zbijeni C

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 2 4 6 8 10 12

Po

sm

ičn

o n

ap

rezan

je k

Pa


Odnos posmičnog naprezanja i horizontalne deformacije - usporedba uzoraka A i C

RAHLIuzorak A

ZBIJENIuzorak C

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

0 2 4 6 8 10 12

Rela

tivn

a v

ert

ikaln

a d

efo

rmacije [

mm

]


Odnos horizontalne i relativne vertikalne deformacije - usporedba uzoraka A i C

RAHLIuzorak A

ZBIJENIuzorak C


Danijela Grediček

35

Slika 5.3 Odnos posmičnog naprezanja i horizontalne deformacije – usporedba:

rahli B – zbijeni D

Slika 5.4 Odnos horizontalne i relativne vertikalne deformacije – usporedba:

rahli B – zbijeni D

Iz slika 5.1 i 5.3 jasno je vidljivo da postoji znaĉajna razlika u odazivu rahlih i

zbijenih uzoraka na djelovanje posmiĉne sile. Kod zbijenih uzorka uoĉava se

pojava vršne ĉvrstoće koja se zatim smanjuje do rezidualne, dok to nije sluĉaj

kod rahlih uzorka ĉija je vršna ĉvrstoća ujedno jednaka rezidualnoj posmiĉnoj

ĉvrstoći.

Na slikama 5.2 i 5.4 prikazan je odnos horizontalne i relativne vertikalne

deformacije. Uoĉava se da je kod rahlih uzoraka došlo do smanjenja volumena,

tj. s razvojem horizontalne deformacije relativna vertikalna deformacija je

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4 6 8 10 12

Po

sm

ičn

o n

ap

rezan

je [

kP

a]


Odnos posmičnog naprezanja i horizontalne deformacije - usporedba uzoraka B i D

RAHLIuzorak B

ZBIJENIuzorak D

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

0 2 4 6 8 10 12

Rela

tivn

a v

ert

ikaln

a d

efo

rmacije

[mm

]


Odnos horizontalne i relativne vertikalne deformacije - usporedba uzoraka B i D

RAHLIuzorak B

ZBIJENIuzorak D


Danijela Grediček

36

negativna. S druge strane kod zbijenih uzoraka uoĉava se sasvim suprotna

pojava tj. povećanje volumena uzoraka koje se oĉituje pozitivnom relativnom

deformacijom.

Nadalje, sa slike 5.1 i 5.3 moţe se uoĉiti da s porastom vertikalnog naprezanja

raste i posmiĉna ĉvrstoća tla, kao i da se oba uzorka pri velikim deformacijama

asimptotski pribliţavaju rezidualnoj ĉvrstoći, rahli uzorci s donje a zbijeni uzorci

s gornje strane.


Danijela Grediček

37

6. ZAKLJUĈAK

U ovom radu provedeno je ispitivanje posmiĉne ĉvrstoće tla prema normi BS

1377 Part 7 :1990 Clause 4. Ispitana su ukupno ĉetiri uzorka klasificirana prema

USCS-u kao slabo graudirani pijesak (SP). Uzorci na kojima su provedena

laboratorijska ispitivanja dobiveni su u poremećenom stanju sa lokacije Jerovec.

Dva su uzorka ispitana u rahlom stanju, a dva u zbijenom. Sva ĉetiri uzorka

smicana su u suhim uvjetima brzinom smicanja 0,1 mm/min. TakoĊer, uzorci su

kod ugradnje imali zateĉenu vlagu 4%.

Jedan rahli i jedan zbijeni uzorak smicani su pod normalnim naprezanjem od

13,7 kN/m2, a preostala dva uzorka (jedan rahli i jedan zbijeni) smicani su pod

normalnim naprezanjem od 27,3 kN/m2.

Dobiveni rezultati potvrdili su teoriju opisanu u poglavlju 2 pa se moţe zakljuĉiti

sljedeće:

- u rahlim uzorcima pod djelovanjem posmiĉne sile došlo je do plastiĉnog

sloma, što znaĉi da je rezidualna ĉvrstoća jednaka vršnoj ĉvrstoći. TakoĊer,

praćena je vertikalna deformacija za vrijeme smicanja uzoraka i kod oba rahla

uzorka zabiljeţeno je smanjivanje volumena tj. kontrakcija uzorka s

napredovanjem horizontalne deformacije.

- u zbijenim uzorcima pod djelovanjem posmiĉnih sila došlo je do krto-

plastiĉnog sloma. To znaĉi da je zabiljeţena pojava vršne posmiĉne ĉvrstoće

koja je s razvojem horizontalnih deformacija padala do vrijednosti rezidualne

posmiĉne ĉvrstoće tla. Ako se pogleda odnos vertikalne i horizontalne

deformacije uzorka za vrijeme faze smicanja oĉito je da je kod oba zbijena

uzorka došlo do povećanja volumena tj. ekspanzije uzorka.

Pojava ekspanzije, odnosno kontrakcije, objašnjava se relativnim poloţajem

zrna u uzorku. Kod rahlog uzorka zrna su posloţena toĉno jedna iznad drugih

pa kad na njih djeluje posmiĉna sila ona se premještaju u prazne meĊuprostore

posljedica ĉega je smanjenje volumena uzroka. Suprotno tome, kod zbijenih

uzoraka zrna se nalaze jedna meĊu drugima pa su uslijed djelovanja posmiĉne


Danijela Grediček

38

sila ona prisiljena prelaziti jedna preko drugih što se oĉituje kao povećanje

volumena uzorka.


Danijela Grediček

39

7. POPIS LITERATURE

1. BS 1377: Part 7:1990 British Standard Methods of test for Soil for Civil

engineering purposes, Part 7: Shear strength tests

2. Budhu, M. (2000): Soil Mechanics & Foundations, John Wiley & Sons, New

York

3. D 854 – Standard Test Methods for Specific Gravity of Soil Solids by Water

Pycnometer

4. HRS CEN ISO/TS 17892-4 Geotehničko istraživanje i ispitvanje –

Laboratorijsko ispitivanje tla – 4. dio: OdreĎivanje granulometrijskog sastava

5. Kalinski, M (2006): Soil Mechanics Lab Manual, John Wiley & Sons, New

York

6. Kulhawy F. H., Mayne P.W. (1990): Manual on Estimating Soil Properties for

Foundation Design, Electric Power Research Institute

7. Kvasnička, P. (2007): Mehanika tla, Rudarsko geološko naftni fakultet

Sveučilišta u Zagrebu, preuzeto (18.08.2009) sa www.rgn.hr

8. Matešić, L. (2006): Geotehničko inženjerstvo, GraĎevinski fakultet Sveučilišta u

Rijeci, preuzeto (18.08.2009) sa www.gradri.hr

9. NAVFAC, Soil Mechanics (DM 7.1), Naval Facilites Engineering Command,

Alexandria, 1982, 355 p.

10. Roje – Bonacci, T. (2007): Mehanika tla, GraĎevinski fakultet Sveučilišta u

Splitu, Split

11. Zlatović, S. (2003): Uvod u mehaniku tla, Tehničko veleučilište u Zagrebu,

preuzeto (02.03.2007) sa www.tvz.hr

12. Maksimović, M. M. (2005): Mehanika tla, GraĎevinska knjiga, Beograd

http://www.rgn.hr/

http://www.gradri.hr/

http://www.tvz.hr/


Danijela Grediček

40

8. POPIS SLIKA I TABLICA

Slika 2.1 Model tla................................................................................................................................. 3

Slika 2.2 Struktura tla ............................................................................................................................ 4

Slika 2.3 Mohr – Coulomb-ov zakon čvrstoće ...................................................................................... 9

Slika 2.4 Ponašanje tla pri smicanju .................................................................................................. 10

Slika 2.5 Uređaji za izravni posmik .................................................................................................... 12

Slika 2.6 Shema uređaja za izravni posmik sa stalnim prirastom deformacije .................................. 12

Slika 2.7 Prikaz rezultata pokusa izravnog posmika .......................................................................... 13

Slika 2.8 Smicanje krupnozrnatog tla ................................................................................................. 14

Slika 2.9 Pojava smanjenja i povećanja volumena uzorka kod smicanja .......................................... 14

Slika 2.10 Struktura tla prije smicanja ................................................................................................ 15

Slika 2.11 Odaziv krupnozrnatog tla u pokusu direktnog posmika .................................................... 15

Slika 3.1 Određivanje gustoće čvrstih čestica .................................................................................... 18

Slika 3.2 Sijanje uzorka....................................................................................................................... 19

Slika 3.3 Određivanje minimalnog i maksimalnog koeficijenta pora .................................................. 20

Slika 3.4 Ugradnja uzroka .................................................................................................................. 22

Slika 3.5. Faza konsolidacije............................................................................................................... 23

Slika 3.6. Faza smicanja ..................................................................................................................... 24

Slika 4.1 Granulometrijska krivulja ..................................................................................................... 25

Slika 4.2 Korelacija gustoće suhog uzorka, koeficijenta pora, rezidualnog kuta trenja i zbijenosti kod

nekoherentnih materijala .................................................................................................................... 28

Slika 4.3 Odnos posmičnog naprezanja i horizontalne deformacije-uzorak A ................................... 28

Slika 4.4 Odnos promjene visine uzorka i horizontalne deformacije-uzorak A .................................. 29

Slika 4.5 Odnos posmičnog naprezanja i horizontalne deformacije-uzorak B ................................... 29

Slika 4.6 Odnos promjene visine uzorka i horizontalne deformacije-uzorak B .................................. 30

Slika 4.7 Odnos posmičnog naprezanja i horizontalne deformacije-uzorak C ................................... 30

Slika 4.8 Odnos promjene visine uzorka i horizontalne deformacije-uzorak C .................................. 31

Slika 4.9 Odnos posmičnog naprezanja i horizontalne deformacije-uzorak D ................................... 31

Slika 4.10 Odnos promjene visine uzorka i horizontalne deformacije-uzorak D ................................ 32

Slika 5.1 Odnos posmičnog naprezanja i horizontalne deformacije – usporedba: rahli A – zbijeni C 34

Slika 5.2 Odnos horizontalne i relativne vertikalne deformacije – usporedba: rahli A – zbijeni C ...... 34

Slika 5.3 Odnos posmičnog naprezanja i horizontalne deformacije – usporedba: rahli B – zbijeni D 35

Slika 5.4 Odnos horizontalne i relativne vertikalne deformacije – usporedba: rahli B – zbijeni D ...... 35

Tablica 2.1. Volumenski i maseni odnosi ............................................................................................. 3

Tablica 2.2 Opis stanja zbijenosti ........................................................................................................ 6

Tablica 2.3 USCS klasifikacija krupnozrnatog tla ................................................................................ 7

Tablica 4.1 Geometrijski i fizikalni parametri ispitivanih uzoraka ....................................................... 27


Danijela Grediček

41

9. SAŽETAK

IME I PREZIME: Danijela Grediček

NASLOV RADA: Odaziv nekoherentnog tla na djelovanje posmičnih sila s obzirom na

stanje zbijenosti

TEKST SAŽETKA:

Posmična čvrstoća tla je vrijednost posmičnog naprezanja, pri slomu, duž klizne plohe u

tlu. Najčešće korišteni ureĎaj za odreĎivanje posmične čvrstoće u laboratoriju je ureĎaj

za izravni posmik. Tijekom smicanja dolazi do promjene volumena uzorka, odnosno

dolazi do ekspanzije ili kontrakcije uzorka u ovisnosti o početnom stanju zbijenosti

ispitivanog uzorka. Ovakav odaziv uzorka na djelovanje posmične sile jedinstveno je

svojstvo zemljanih materijala koje nije uočeno kod drugih vrsta materijala. Ovaj

fenomen naziva se dilatancija. U svrhu dokazivanja ovog fenomena u geotehničkom

laboratoriju ispitana su dva rahla i dva zbijena uzorka nekoherentnog tla, klasificirana

kao slabo graduirani pijesak (SP). Kod rahlih uzoraka zabilježen je plastični slom, gdje

je vršna čvrstoća jednaka rezidualnoj posmičnoj čvrstoći tla. TakoĎer, s napredovanjem

horizontalne deformacije zabilježena je kontrakcija uzorka tj. smanjenje volumena

uzorka. Kod oba zbijena uzorka u pokusu izravnog posmika došlo je do krto-plastičnog

sloma, što znači da je zabilježena pojava vršne posmične čvrstoće tla koja se smanjivala

s razvojem horizontalnih deformacija do vrijednosti rezidualne posmične čvrstoće tla.

Suprotno kontrakciji uzorka koja je zabilježena kod rahlih uzoraka, kod zbijenih

uzoraka, s razvojem horizontalnih deformacija, došlo je do povećanja volumena uzorka,

tj. ekspanzije uzorka.

KLJUČNE RIJEČI:

- Dilatancija

- Ekspanzija uzorka

- Izravni posmik

- Kontrakcija uzorka

- Nekoherentno tlo

- Posmična čvrstoća tla

Documents

ODAZIV NEKOHERENTNOG TLA NA DJELOVANJE POSMIČNIH SILA … · ODAZIV NEKOHERENTNOG TLA NA DJELOVANJE POSMIČNIH SILA S OBZIROM NA STANJE ZBIJENOSTI Danijela Grediček 1 1. UVOD Tlo