1

1. UVOD Mehanika tla proučava fizikalna i mehanička svojstva tla važna za razumijevanje i tumačenje procesa što se odvijaju u tlu kao posljedica zahvata u tlu kojima se mijenja prirodno stanje naprezanja i uvjeta u tlu (npr. iskop u tlu, promjena razine ili strujanja podzemne vode i sl.). Pri tom proučavanju koriste se opći principi mehanike krutog tijela i mehanike fluida koji vrijede i za druge materijale (npr. Hook-ov zakon, Bernoulijeva jednadžba), ali uz uvažavanje specifičnosti koje su značajne za tlo (npr. tlak vode u porama tla). Osnovna i najčešća primjena znanja koja je razvila mehanika tla odnosi se na temeljenje objekata (zgrada, mostova). U posljednje vrijeme, međutim, pojavljuje se niz objekata (npr. odlagališta otpada, armirani nasipi) i/ili tehnologija i materijala (npr. poboljšanje tla, uporaba geosintetika) koji nisu značajno ili izravno vezani za temeljenje, ali spadaju u zahvate koji se mogu riješiti pomoću rješenja koja vrijede u mehanici tla. Osim toga, rješenja za takve objekte (ili tehnologije i materijale) isključivo ili u najznačajnijem dijelu daju građevinski inženjeri specijalizirani za probleme u tlu - geotehničari. Tako se u današnje vrijeme više govori o geotehničkom inženjerstvu u kome samo dio aktivnosti otpada na temeljenje. Građevinska aktivnost kojom se projektiraju i izvode zahvati u tlu poznata je pod nazivom geotehnika (odatle naziv geotehničko projektiranje, geotehničko bušenje i sl.). Postoji Međunarodna udruga geotehničara i nosi naziv ISSMGE (International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering). Hrvatska udruga, koja je članica međunarodne udruge, zove se HUMTGI (Hrvatska udruga za mehaniku tla i geotehničko inženjerstvo). 2. ULOGA MEHANIKE TLA U INŽENJERSKOJ GRA ĐEVINSKOJ PRAKSI Znanja koja nudi mehanika tla nužna su u rješavanju svakodnenvnih inženjerskih zadataka u građevinskoj praksi. Svaki objekt treba temeljiti, dakle treba propisati uvjete temeljenja koji će omogućiti trajnu sigurnost objekta od sloma temeljnog tla i ograničiti deformacije tla ispod njega tako da ne dođe u pitanje funkcionalnost objekta kao cjeline ili njegovih dijelova. Postoje objekti i zahvati kojima se isključivo ili u najvećem dijelu bavi geotehnika. Medju njima su najistaknutiji nasute brane i nasipi, tuneli, klizišta, potporne konstrukcije za privremenu ili trajnu zaštitu, iskopi i osiguranje građevinskih jama, usjeci za prometnice, odlagališta otpada. Na slici 1. 1. prikazani su shematski takvi objekti zajedno s dijagramom aktivnosti koje su svojstvene geotehničkom projektiranju. Projektiranje geotehničkog zahvata sastoji se od utvrđivanja parametara tla (numeričkih vrijednosti fizikalnih i mehaničkih svojstava tla) relevantnih za određeni zahvat, usvajanja opterećenja i proračunskog modela zahvata (konstrukcije) te primjene propisa (odredbi i pravila struke) u geotehničkim analizama. Danas se unutar Europske zajednice dogovara jedinstveni pristup geotehničkom projektiranju i izvedbi geotehničkih zahvata poštujući pravila i principe izložene u dokumentu EUROCODE 7 - Geotehničko projektiranje.

2

Pri tome se, kao što će kasnije biti objašnjeno, tlo može opisati mjerenjem svojstava u točkama (na mjestima izvađenih uzoraka tla) ili ujednačeno po dubini posebnim postupcima ispitivanja. U svakom slučaju, uspješno definiranje svojstva tla važnih za neki zahvat presudno za dobro projektno rješenje i uspješan geotehnički zahvat. Od svih raspoloživih postupaka ispitivanja, modela proračuna i geotehničkih analiza potrebno je izabrati one koji su se u praksi potvrdili kao dobri a čija je teoretska podloga poznata i jasna.

Slika 1.1. Prikaz nekih tipičnih geotehničkih zahvata i procesa definiranja rješenja

3. POVIJEST MEHANIKE TLA Građenje je svojstveno čovjeku pa on gradi od svoga postanka. Iskustva prikupljena građenjem kroz tisućljeća dobila su vremenom svoja stručna i znanstvena objašnjenja razvojem inženjerskih znanosti. U 17. stoljeću nastupio je značajan razvoj inženjerskih znanosti. U 18. stoljeću Coulomb, francuski oficir i inženjer, postavlja teoriju čvrstoće rasutih materijala, čime se utire put znanstvenom pristupu u razmatranju pojava u tlu. Njegova rješenja za tlakove koje tlo prenosi na potporne konstrukcije vrijede i danas. Najveći doprinos razvoju struke dao je Prof. Karl Terzaghi. On je 1925. izdavanjem svoje knjige "Mehanika zemljanih radova na temelju fizikalnih osobina tla" razvio novu znanstvenu disciplinu MEHANIKU TLA i dao joj temelje na kojima se i danas zasnivaju brojna rješenja problema u tlu. U Hrvatskoj je značajan doprinos razvoju struke dalo nekoliko stručnjaka, od kojih se povijesno ističu Prof. Szavits Nossan i Prof. E.Nonveiller (vidi opširnije o povijesti Mehanike tla u E.Nonveiller, 1981.) Danas se u rješavanju problema vezanih uz geotehničke zahvate koristimo brojnim teorijskim rješenjima, bogatim iskustvom, kompleksnim i propisanim tehnologijama ispitivanja svojstava tla na terenu i u laboratoriju, modelskim ispitivanjima, mjerenjima i opažanjima. Suvremeni razvoj znanosti i inženjerske struke (i izvan mehanike tla) omogućio je primjenu novih postupaka u rješavanju geotehničkih zahvata (npr. geosintetici u prometnicama), rješavanje problema odlaganja otpada, korištenje sekundarnih sirovina i slično.

3

3. PORIJEKLO I NASTANAK TLA Tlo je nastalo kao rezultat tri procesa: rastrošbe stijena, transporta rastrošenih sitnijih čestica i taloženja tih čestica u određenim uvjetima. Rastrošba je mogla biti: a) mehanička (pod djelovanjem tektonskih sila, leda, abrazije i vegetacije) i/ili b) kemijska (kao rezultat oksidacije-naročito kod stijena koje sadrže željezne spojeve, karbonacije-pod djelovanjem ugljične kiseline-najpoznatiji primjer je nastanak krša, hidratacije, desilikacije-otapanja i ispiranje SiO2 , otapanja u vodi).

Transport maniih čestica obavjen je gravitacijom, vodom, ledom (npr. formacije morene, krupnijih čestica u matrici gline), vjetrom (kod nas poznate naslage lesa)

Taloženje predstavlja posljednju kariku u nastanku sedimenata, a javlja se kada sile transporta oslabe, pa se čestice talože kao rezultat prevladavanja sila gravitacije nad silama transporta, zbog čega se prvo talože krupnije, a najkasnije najsitnije čestice. Na svojstva istaloženog materijala utječe matični materijal, uvjeti taloženja (npr. riječni i morski sedimenti) te naknadni utjecaji (npr. teret naslaga iznad promatranog sedimenta, kemijski procesi i sl.).

Mineraloški sastav tla posljedica je mineraloškog sastava matične stijene i naknadnih procesa (kemijski utjecaji). On je različito značajan za pojedine vrste tla. Kod glina on se reflektira kroz međumolekularne sile među česticama što utječe na njihova fizikalna i mehanička svojstva, a kod većih zrna na njihovu lomljivost i hrapavost, što se prepoznaje kod čvrstoće tla. Uvjeti taloženja, krupnoća čestica, mineraloški sastav i opterećenja nadslojem definiraju strukturu (raspored čestica unutar grupe čestica) i građu tla (raspored grupa čestica). O strukturi i građi tla značajno ovise svojstva tla. Jasno je, na primjer, da se zbijeni materijali manje sliježu od rahlih, da je tlo s više pora (poroznije strukture) propusnije. Međutim, pokazat će se da glina ima više pora od šljunka, ali da je manje propusna. To je posljedica strukture tla i oblika i međusobne veze čestica tla. Kod krupnih čestica struktura može biti rahla ili zbijena (manje ili više), što se izražava porozitetom (odnos volumena pora prema ukupnom volumenu tla). krupne čestice n=0.48 n=0.26 n<0.26

slika 1.2. Primjer različitog rasporeda čestica u tlu

Isto tlo, ali s različitim porozitetom (kao na slici 1.2., npr. kao posljedica zbijanja ili dodatka sitnijih čestica) ima sasvim drugačiju čvrstoću, deformabilnost i na primjer osjetljivost na potres. Čestice pijeska i šljunka vidljive su prostim okom i imaju sferičan, eliptičan ili neki drugi oblik , dok su čestice gline nevidljive protom oku i imaju oblik pločice, s jasno izraženim utjecajem električnog naboja na svojoj površini.

4

saćasta struktura pahuljasta s. složena s.

slika 1.3. Čestice gline i praha mogu u tlu formirati različitu strukturu Različite strukture u sitnozrnom tlu presudno utječu na njegova mehanička i fizikalna svojstva (čvrstoća, deformabilnost, propusnost). Prisustvo sitnih čestica među krupnijima također utječe na svojstva takvog tla. Radi se o broju i prirodi kontakata među česticama te njihovom rasporedu u tlu. Osim toga, na svojstva tla utječe i prisustvo fluida 8najčešće je to voda) u porama tla, pa se u razmatranju sila među česticama tla mora voditi računa i o tlaku u tekućini među česticama (tzv. porni tlak). Svi do sada navedeni osnovni pojmovi i podaci o tlu (o porijeklu, nastanku, strukturi, prisustvu vode u porama) pomažu da se shvati koliko je tlo različito u svojoj pojavnosti, u svojim svojstvima i ponašanju. Dakle, tlo je jedini graditeljski materijal (od kojega se gradi i na kojem i u kojem se gradi) sa svojstvima definiranim izvan utjecaja čovjeka. Zato je zadatak geotehničara da u konkretnom slučaju na konkretnom tlu riješi konkretan problem otežan, jer se radi o materijalu koji je "uvijek drugačiji". Ipak, mehanika tla usvojila je principe kojima se jedinstveno opisuju grupe tla prema zajedničkim karakteristikama što olakšava upoznavanje relevantnih svojstava tla i rješavanje problema u tlu. O takvim osnovnim postupcima i o građi tla govori se u nastavku. 4. OSNOVNI FIZIKALNI POKAZATELJI GRA ĐE TLA Tlo se u mehanici tla promatra kao trokomponentni sustav (slika 1.4a.). Sastavljeno je od čestica tla (često se rabi i izraz čvrste ili krute čestice) i prostora među njima, kojeg nazivamo porama. Te pore ispunjene su plinom i tekućinom. Najčešće se radi o zraku i vodi u porama. Svaka deformacija u tlu izaziva interakciju ovih komponenti. Odnos volumena pora prema ukupnom volumenu tla (na primjer u nekom uzorku tla) naziva se POROZITET TLA, i označava se simbolom n . Odnos volumena pora i volumena čvrstih čestica tla naziva se KOEFICIJENT PORA, i označava se simbolom e . Uz pojednostavljeni model tla (slika 1.4b.), u kojem je volumski odvojena čvrsta faza od pora, može se uz poznavanje gustoće čvrstih čestica tla izračunati njihov volumen, a zatim volumen pora te iskazati porozitet, koeficijent pora, gustoća i sl. Često se odnosi volumena svode na odnose visina (jer se uzima ista površina u modelu uzorka), kao što je tradicionalno slučaj s analizom pokusa stišljivosti u edometru.

- tlo je trokomponentni sustav (čvrste čestice, tekućina, plin) - volumski odnosi komponenti utječu na fizikalna i mehanička svojstva

5

sl.1.4a. Tlo kao trokomponentni sustav

H = Hp+Hc, za jediničnu površinu V=Vp+Vc = H= Hp+Hc,

slika 1.4b. Pojednostavljeni model tla : u jediničnom volumenu tla udio svake komponente=visina Porozitet se definira kao

V

Vn p=

a koeficijent pora

c

p

V

Ve =

pa je njihov odnos

e

en

+=

1

Druge važne veličine kojima se opisuju osnovna fizikalna svojstva tla su: gusto ća tla (određuje se na uzorcima pravilnog oblika ili ako je uzorak nepravilan pomoću parafina i potapanjem u vou) može biti iskazana na sljedeći način :

pore

čestice tla

Hp

Hc

H

6

gustoća vlažnog tla : ρρρρ = m/V, gustoća suhog tla: ρρρρd = md/V, gustoća čvrstih čestica: ρρρρs = md/Vc gdje je: m = masa vlažnog uzorka tla, V = volumen uzorka tla, Vc = volumen čvrstih

čestica, md = masa suhog uzorka (jednaka je masi čvrstih čestica=Mc) vlažnost tla w = m v/md = (m-m d)/md (pazi: vlažnost se definira kao odnos mase vode i mase čvrstih čestica, tj. suhog uzorka, a ne vlažnog uzorka; uzorak se suši obično na 1050C kroz 16-24 sata, da bi se sva nevezana voda iz pora odstranila) stupanj zasi ćenosti vodom Sr = Vv / Vp (često se Sr izražava u postotku, pa za Sr=0,45, tj Sr=45% kažemo da je 45% volumena pora ispunjeno vodom; uzorak sa Sr=1 zovemo uzorak zasićen vodom). Svi navedeni pojmovi, i mnogi drugi koji će se sresti i koristiti u daljem tekstu, zovu se općenito parametri tla. Oni brojčano opisuju određena fizikalna i mehanička svojstva tla. Neke uobičajene vrijednosti navedenih parametara tla dane su u tablici 1.1. Tablica 1.1. Karakteristične vrijednosti osnovnih parametara tla

parametar tla glina, prah pijesak, šljunak n

(u % : 0<n<100) 0.4-0.7 (0.5)

0.2-0.4 (0.3)

e (0<e<∝)

0.7-2.5 0.25-0.7

ρρρρ 1.6 - 2 Mg/m3 1.8-2.2 Mg/m3 ρρρρd 1.2-1.8 Mg/m3 1.5-2.1 Mg/m3 ρρρρs 2.5-2.7 Mg/m3

Gustoća čvrstih čestica tla određuje se prema normiranom postupku koji se obično provodi uz pomoć kruškolike bočice zvane piknometar. Osnovni cilj pokusa je da se za poznatu masu suhog uzorka (dakle suha zrna) odredi njihov volumen, jer se tada može odrediti gustoća tih čestica (vidi gore). Princip ispitivanja je slijedeći: suhi uzorak tla sipa se u piknometar u koji se dolijeva destilirana voda, kuhanjem se odstranjuje zrak između čestica i postiže da volumen piknometra zauzima samo voda i čestice tla. Budući da je masa jednog cm3 vode jednaka 1 g, sve se određuje vaganjem, kao što je prikazano na slici 1.5.

7

Pokus: piknometar (mp, Vp), 200C

Tlo , mase ms=md piknometar mase mp, piknometar s uzorkom i vodom

kada je ispunjen vodom = m(p+v+u) ima masu m(p+v)

Slika 1.5. Određivanje gustoće čvrstih čestica tla (p=piknometar,v=voda, u=uzorak)

Nakon određivanja mase piknometra sa iskuhanim uzorkom u vodi u piknometru određuje se gustoća čvrstih čestica prema slijedećem izrazu:

( ) )( uvpMvpMMs

Mss ++−++

=ρ

5. KONZISTENCIJA TLA Gline (čestice tla ispod 0.002 mm promjera) i prahovi (čestice tla manje od 0.06 mm a veće od 0.002 mm) zbog različitog mineraloškog sastava imaju različita svojstva plastičnosti, tj. pokazuju različitu osjetljivost na promjenu krutosti u odnosu na promjene vlažnosti. Stanja krutosti gline i praha (koji se u geotehnici nazivaju koherentna tla, jer im se čestice drže na okupu unutarnjim silama) u ovisnosti o vlažnosti prikazana su u tablici 1.2. Tablica 1.2. stanja konzistencije tla i granice među njima

Stanje konzistencije

ČVRSTO POLUČVRSTO PLASTIČNO ŽITKO

Granica-vlažnost, oznaka

WS WP WL

Naziv granice gr. skupljanja gr. plastičnosti gr. žitkosti Granica skupljanja (ws) je vlažnost pri kojoj dalje smanjenje vlažnosti ne utječe na smanjenje volumena. Granica plastičnosti (wP) je vlažnost pri kojoj se tlo može valjati u valjčić promjera 3 mm, a da se raspucava (odnosno vlažnost pri kojoj tlo prestaje biti plastično). Granica žitkosti (wL) je vlažnost pri kojoj tlo postaje žitko (odnosno pri kojoj tlo u posebnom aparatu -Casagrandeov aparat- spaja procjep u duljini 12 mm nakon 25 udaraca posude o gumeni podložak)

8

Tlo se u stanju plastične konzistencije da oblikovati, u žitkom stanju nema čvrstoću, a u polukrutom stanju i u krutom stanju ne da se oblikovati i jako je tvrdo. Sve ove granice stanja konzistencije određuju se pokusima u laboratoriju, na pregnječenim uzorcima. Važno je naglasiti da su granice stanja konzistencije vezane uz vlažnost tla. Granica tečenja određuje se na dva načina: pomoću Casagrandeovog aparata i pomoću padajućeg šiljka. aparat Casagrande: na različitim vlažnostima mjeri se broj udaraca za spajanje zareza; iz dijagrama se interpolacijom odredi vlažnost (wL) za 25 udaraca

slika 1.6. Princip određivanja granice tečenja u aparatu Casagrande Padajući šiljak (fall-cone) može imati kut šiljka 300 ili 600 , oba uređaja su dopuštena.

Prema BS 1377, šiljak 300 postupak ispitivanja je slijedeći: u uzork se pušta tonuti standardizirani šiljak pod vlastitom težinom u vremenu od 5 sec; granica te čenja je vlažnost kod koje se za 5 sec. šiljak utisne 20 mm ; pokušava se s više razlićitih vlažnosti i interpolacijom određuje vlažnost za 20 mm utiskivanja; svako utiskivanje trebalo bi biti između 15 i 25 mm. potrebna aparatura:

- stalak sa šiljkom (mase 80+/-0.05 g) i mikrourom - posuda za uzorak - automatski prekidač sa satom za mjerenje vremena i za zaustavljanje

tonjenja način intepretacije:

- crtaj u dijagramu vlažnost i dubinu utiskivanja - povuci pravac kroz mjerene točke - odredi vlažnost za dubinu utiskivanja 20 mm - grafički

Daje se primjerak zapisnika mjerenja i intepretacije jednog pokusa padajućim šiljkom.

vlažnost

Log N 25

wL

12 mm

9

ZAPISNIK O ISPITIVANJU GRANICE TE ČENJA TLA POMO ĆU PADAJUĆEG ŠILJKA (FALL CONE TEST, prema BS 1377, šiljak 30 0)

LAB.BROJ:_____________ opis tla:_____________________________________ wL = _______ % način pripreme uzorka: □ sušen na zraku, □ sušen u sušari, □ nepripreman, □ prosijan _____ mm pokus broj 1 2 3 4 dubina utiskivanja, mm prosjek dubine utiskivanja, mm

posuda br. vlažna masa, brutto, g suha masa, brutto , g tara, g masa suhog tla,g gubitak mase, g VLAŽNOST,%

25

24

23

22

21

20

19

18

17

16

dubi

na u

tiski

vanj

a ši

ljka,

mm

15

wL vlažnost, %

slika 1.7. Primjer zapisnika za određivanje granice tečenja padajućim šiljkom

5.1. Važni indeksni pokazatelji za koherentna tla Za koherentna tla koriste se indeksni pokazatelji kojima se opisuju svojstva tla prema plastičnosti, konzistenciji i aktivnosti glina.

10

Oni imaju sljedeće oznake i značenje: Indeks plastičnosti: Indeks konzistencije Aktivnost glina Ip=wL-wP Ic=(wL-w0)/Ip A=Ip/(%0.002 mm) Tumačenje ovih indeksa dano je na slici 1.8. Glina je to plastičnija što je veća zona plastične konzistencije, tj. vlažnost se može mijenjati u relativno širokim granicama, a da glina zadrži svojstva plastičnosti. Za materijale koji imaju malen indeks plastičnosti (npr. prahovi) karakteristično je da se uz malo povećanje vlažnosti pretvore u "blato", tj. ne daju se zbijati. Indeks konzistencije pokazuje krutost koherentnog tla - ona se mjeri u odnosu na položaj (vrijednost) prirodne vlažnosti prema granicama tečenja i plastičnosti. Što je prirodna vlažnost bliže granici tečenja to je tlo mekše i stišljivije, a što je bliže granici plastičnosti to je tlo kruće (manje stišljivo). U tablici 1.3. dane su opisne kategorije konzistencije tla prema vrijednostima Ic. Polučvrsto plastično žitko

slika 1.8. Vlažnosti važne za indekse plastičnosti i konzistencije Na slici 1.8. grafički je predočeno značenje Ic: to je odnos udaljenosti vlažnosti od granice tečenja prema udaljenosti granice plastičnosti od granice tečenja (što je Ip). Postoji i indeks IL = indeks tečenja= (wP-wo)/Ip, ali se manje koristi. Tablica 1.3. Opis konzistencije tla (iz Mulabdić&Glavaš, Građevinar, 12/2000.)

ISO/DIS 14688

Šuklje, 1979

Pravilnik za temeljenje

(1990.) vrlo meko Ic < 0 meko 0.25 < Ic < 0.50 čvrsto 0.50 < Ic < 0.75 kruto 0.75 < Ic < 1.00 vrlo kruto Ic< 1.00

tekuće Ic < 0 veoma meka qu < 35 kPa meko plastično 0 < Ic < 1/3 35 < qu < 70 srednje plastično 1/3< Ic < 2/3 70 < qu < 140 kruto 2/3< Ic < 1 140 < qu < 280 polutvrdo 1< Ic < (wL-ws) / Ip qu < 280 tvrdo Ic < (wL-ws) / Ip

žitko lako gnječivo teško gnječivo polučvrsto čvrsto (nema kriterija)

Određivanje konzistentnog stanja može se vršiti i na terenu, pojednostavljenim postupkom gnječenja uzorka iz svježe nabušene jezgre. U tablici 1.4. dati su neki kriteriji o ocjeni konzistentnog stanja tla. Važno je napomenuti da se već u tom stadiju ocjene konzistentnog stanja tla može zaključivati o njegovim mehaničkim svojstvima: kruća tla su manje stišljiva i imaju veću

wP wL wo

Ip

11

čvrstoću, a mekša tla su više stišljiva i imaju manju čvrstoću (npr. veći iskop bez podupiranja može se izvesti u krućem tlu nego u mekšem tlu). Tablica 1.4. Opis postupaka za određivanje konzistentnog stanja koherentnog tla na terenu (*može se pojaviti razlika u kategorijama određenim po terenskom i laboratorijskom postupku) - Prema Mulabdić&Glavaš, Građevinar, 12/2000

valjanje valj čića (Mulabdi ć, 1984.)

pritisak palca ASTM D 2488-93 (1995)

ŽITKO ne može se valjati ili se valja u vrlo tanke valjčiće

VRLO MEKO ostavlja trag dubok > 25 mm

LAKO GNJEČIVO valja se u valjčić tanji od 3 mm da ne puca

MEKO ostavlja trag dubok do 25 mm

TEŠKO GNJEČIVO valja se teško u valjčić od 3 mm i tada se drobi

TVRDO ostavlja trag oko 6 mm

POLUČVRSTO ne da se valjati, teško se gnječi

KRUTO palac ne prodire u tlo, ali se nokat lako utiskuje

ČVRSTO ne da se gnječiti, mrvi se

VRLO KRUTO nokat ne prodire u tlo samo se njime para površina

Što je veća aktivnost glina (A) to je tlo sklonije promjenama volumena (bujanje, skupljanje) s promjenama vlažnosti, jer ima veliku plastičnost (Ip) i/ili velik sadržaj čestica gline. Za A manje od 0.7 tlo je neaktivno, za A izmedju 0.7 i 1.2 normalno, a za A veće od 1.2 aktivno. Prema nekim istraživanjima već 12% gline u tlu dovoljno je da se njen utjecaj značajno odrazi na ponašanje tla. 6. GRANULOMETRIJSKI SASTAV TLA Granulometrijski sastav tla je vrlo važan pokazatelj svojstava tla. On govori o udjelu čestica različitog promjera u promatranom tlu, a to znači o postotku sadržaja šljunka, pijeska, gline u tlu. Poznavanjem granulometrijskog sastava tla mogu se ocijeniti njegova fizikalna (npr. propusnost) ili mehanička svojstva (npr. deformabilnost). Granulometrijski sastav tla prikazuje ekvivalentni promjer zrna (određen otvorom na situ kroz koje je zrno sijanjem prošlo), što znači da ne uzima u obzir npr. oblik ili mineraloški sastav zrna. On određuje postotak zrna određenog promjera u uzorku tla. Na slici 1.9. objašnjeno je nazivlje za tla određene veličine zrna i postupak određivanja granulometrijskog sastava. Uočava se da se kategorije tla po veličini zrna dijele brojevima 6-2, što je općeprihvaćeni dogovor. Za geotehničke potrebe šljunak je i riječni šljunak i drobljeni kamen veličine 2-60 mm, što ne odgovara uobičajenim pojmovima iz našeg života. Krupnozrnati materijali nemaju koheziju, pa se veličina njegovih čestica može odrediti sijanjem suhog uzorka na sitima. Sitnozrnati materijali (gline i prahovi) imaju koheziju, čestice se drže skupa, pa se za određivanje njihove veličine treba provesti poseban postupak zvan areometriranje ili hidrometrijska analiza (vidi dalje).

12

KAMEN ŠLJUNAK PIJESAK PRAH GLINA

kr sr si kr sr si kr sr si

d, mm 60 20 6 2 0.6 0.2 0.06 0.02 0,006 0.002

Postupak ispitivanja granulometrijskog sastava

sijanje Areometriranje

Nekoherentna (nevezana) tla Koherentna (vezana) tla

kr = krupni, sr = srednji, si = sitni

Slika 1.9. Granice različitih vrsta tla po veličini zrna

Sijanje se provodi na sljedeći način: oformi se poseban set sita raznih promjera (tako da dobro pokrije raspon veličine zrna, što određuje norma), materijal se stavi na gornje-najkrupnije sito i uz treskanje čestice padaju na niža sita manjeg promjera; mjere se ostaci na svakom situ i određuje se masa tog ostatka (Mdi); izračunava se masa uzorka koja sadrži zrna promjera manjeg od d i (sita) (Md0..i) u postotku ukupne mase.

i

i

di pp ∑−=1

100

Na taj način dobiju se parovi vrijednosti: di-pdi koji se crtaju na dijagramu (slika 1.10.) u polulogaritanskom mjerilu.

K G S M C

slika 1.10. Shematski prikaz granulometrijskog sastava tla Za bilo koji postotak p postoji promjer Dp, koji se očita preko krivulje. Dp je promjer zrna od kojega je p posto zrna u uzorku manje. Karakteristični promjeri za opis granulometrijske krivulje su: D10, D30, D60

slabo

jednoliko

dobro

100%

50 %

0 %

log D, (mm) Dp

p

13

Krivulja granulometrijskog sastava za nekoherentnog tla karakterizira se slijedećim parametrima: a) koeficijent jednoličnosti: Cu=D60/D10, i b) koeficijent zakrivljenosti: Cc=D30

2/(D10xD60) Prema obliku krivulje tlo može biti: - dobro graduirano tlo, sadrži širok spektar zrna različitog promjera (za šljunak vrijedi: Cu > 4, i 1 < Cc < 3; za pijesak: Cu > 6, i 1 < Cc < 3) - slabo graduirano tlo, zrna nekih promjera nedostaju - (jednoliko graduirano tlo) – nije prisutno u svim sustavima klasifikacije – sadrži zrna

pretežno uskog spektra promjera Granulometrijski sastav koherentnog tla određuje se u menzuri s otopinom u kojoj je razmućen uzorak tla ispod 1 mm promjera. Koristeći Stockes-ov zakon iz brzine padanja čestica u mješavini (što se utvrđuje mjerenjem gustoće u tekućini u različitim vremenima pomoću areometra) računa se promjer i postotak čestica u uzorku. Čestice su u analizi idealizirane kao lopte i jednake gustoće. Slijedeći izraz definira brzinu tonjenja iz koje se odrfeđuje promjer čestice (potrebno je poznavati gustoću čestica tla i viskoznost otopine u menzuri):

2

18Dv

t

ws

ζρρ

⋅−=

Na rezultat ispitivanja (postotak čestica gline) presudno utječe priprema uzorka: sušenje, vrsta antikoagulansa koji se koristi za razmućivanje tla i oblik čestica (pločaste čestice odstupaju od pretpostavke i sporije tonu, npr. organsko tlo). Za materijale koji sadrže i krupne i sitne čestice provodi se kombinirana analiza sijanja i areometriranja kako bi se dobila jedinstvena krivulja granulometrijskog sastava. 7. INDEKSNI POKAZATELJ ZA NEKOHERENTNA TLA Indeksni pokazatelj za nekoherentna tlo odnosi se na porozitet tla u odnosu na najmanji i najveći porozitet istog tla i zove se relativna gustoća, ID. Pokazuje se, naime, da je gustoća tla (drugim riječima porozitet tla za zadanu gustoću čvrstih čestica) indikacija njegovih mehaničkih svojstava (čvrstoće, stišljivosti). Relativna gustoća definirana je kao:

ID= (emax-e0)/(emax-emin) gdje je emax=najveći porozitet, emin=najmanji porozitet, eo=promatrani porozitet (prirodni, zatečeni). Min i max porozitet određuju se propisanim pokusima na uzorku promatranog tla. Vrijede sljedeći usvojeni odnosi:

ID=0-0.33 - rahlo tlo ID=0.33-0.66 - srednje zbijeno tlo

14

ID=0.66-1 - vrlo zbijeno tlo Za idealne kugle (nestišljive, jednakog promjera) vrijedi : emax=0.91, emin=0.35. Prirodni materijali imaju drugačije vrijednosti tih parametara jer imaju drugačiji granulometrijski sastav, a kod zbijanja se neke čestice drobe pa se i zapunjavanje prostora mijenja. Porozitet tla, vlažnost i veličina čestica djelomično opisuju i indiciraju ponašanje tla pri opterećenju i njegove osobine. Dakle, za koherentna i nekoherentna tla postoje indeksni pokazatelji kojima se opisuje stanje tla i po kojima se može naslutiti o važnim svojstvima tla:

za nekoherentno tlo: relativna gustoća za koherentno tlo: konzistentno stanje (stanje konzistencije)

8. KLASIFIKACIJA TLA Klasifikacijom se tla svrstavaju u klasifikacijske skupine, prema svojim bitnim fizikalnim parametrima. Time se omogućuje da se tlo opiše simbolom koji označava određena fizikalna i mehanička svojstva bitna za ponašanje tla, a time se operativnije koriste oznake tla u geotehničkoj dokumentaciji i u komunikaciji. Usvojena je manje-više jedinstvena svjetska klasifikacija tla, mada se u posljednje vrijeme neki njeni dijelovi prilagođavaju regionalnom pristupu (npr. Unified Soil Classification System u USA nasuprot prijedlogu Europske norme za EU). Klasifikacijski sustav koristi se dijagramom plastičnosti za koherentna tla te dijagramom granulometrijskog sastava za nekoherentna tla. Konačno svako tlo dobiva oznaku koja se sastoji od dva slova: prvo slovo je oznaka osnovnog materijala (npr. glina, šljunak) a drugo njegovih svojstava prema sustavu klasifikacije. Uz pomoć vrijednosti wL i wP Casagrande je predložio dijagram za klasifikaciju koherentnog tla koji se i danas koristi (vidi sliku 1.11.). Koherentna tla s granicom tečenja većom od 50% zovu se visokoplastična, a s manjom od 50% niskoplastična tla. Uz indeks plastičnosti i granicu tečenja tlo se pozicionira u dijagramu, pa je iznad tzv. A-linije glina a ispod nje prah i organska glina. Prvo slovo može biti: C=glina, ili M= prah, O=organska glina Drugo slovo označava plastičnost: H=visoka, L=niska Ponekad se korisite oznake SFs = pijesak s puno praha, ili SFc=pijesak s puno gline. Tako se pojavljuju simboli kao CH = glina visokoplastična, ili ML = prah niskoplastični. Nekoherentna tla dobivaju oznaku prema pretežnoj frakciji (G=šljunak, S=pijesak), a onda još oznaku za granuliranost: W - dobro granuliran, P - slabo granuliran, i ponekad U - jednoliko granuliran. Na primjer, dobro granuliran šljunak ima oznaku GW, a slabo ranuliran pijesak SP. Pojavljuju se i dvojni simboli, npr. GW-GC (dobro granuliran šljunak, glinovit), ali se pravila za dvojne simbole tumače različito za klasifikacijske sustave.

15

Na slici 1.12. dana je tablica s pregledom sustava klasifikacije kakav se koristi u Hrvatskoj a zasnovan je na jedinstvenoj klasifikaciji koja se koristi u USA.

Slika 1.11. Dijagram plastičnosti prema A.Casagrande-u za klasifikaciju koherentnog tla

KAMEN ŠLJUNAK PIJESAK PRAH GLINA

kr sr si Kr sr si kr sr si

d, mm 60 20 6 2 0.6 0.2 0.06 0.02 0,006 0.002

Postupak ispitivanja granulometrijskog sastava

Sijanje Areometriranje

Nekoherentna (nevezana) tla Koherentna (vezana) tla

wL

Ip

50%

Prah, organske gline

gline

Prah/pijesak

NISKA PLAST. VISOKA PLAST.

Stišljivost raste

Čvrstoća suhog uzorka raste

Propusnost pada

A linija

16

ŠLJINAK G

PIJESAK S

DOBRO GRADUIRAN W (GW,SW)

LOŠE GRADUIRAN P (GP,SP)

(JEDNOLIKO GRADUIRAN) U

MJEŠAVINE-dvojni simboli:

Do 5% sitnih čestica: kao gore

5-12% glinovit GW-GC, SW-SC

prašinast GW-GM,SW-SC

više od 12% sitnih čestica GC, SC, GM,SM

karakter plastičnosti određuje se kao za klasif. koher. materijala

GLINA C

PRAH M

ORGANSKA GLINA O

TRESET Pt

VISOKA PLASTIČ. H (CH,.)

NISKA PLASTIČ. L (ML,.)

Klasifikacijski pokus:

Granica tečenja, granica plastičnosti (indeks plastičnosti)

Granica niska-visoka plastičnost je WL = 50%

Slika 1.12. Pravila klasifikacije tla

8.1. Terenska identifikacija Na terenu, dok se buši jezgra tla (dio tla koji se vadi bušaćim priborom iz cijevi za bušenje ili oko svrdla ) obavlja se identifikacija tla, tj. prepoznaje se vrsta tla i daje mu se potreban opis. Taj opis završava prijedlogom simbola tla što će se naknadno utvrditi u laboratoriju. Slijedeći elementi sadržani su u takvom opisu:

- koherentno / nekoherentno tlo: (vizualna procjena: postotak krupnih i sitnih čestica), karakter komponenti - opis svake komponente

- nekoherentno tlo: veličina i udio čestica razl.promjera, oblik zrna,

uglatost, prisutnost sitnih čestica, cementacija, petrografski sastav-eventualno

- koherentno tlo: glina-prah, konzistentno stanje, primjese, proslojci,

osjetljivost na poremećivanje, boja, miris, plastičnost-svježi prerez, sadrćaj CaCO3, (reakcija na kiselinu-intenzitet šuma),

17

9. ISPITIVANJA TLA NA TERENU I U LABORATORIJU Sva ispitivanja kojima se određuju osnovna svojstva tla u laboratoriju obavljaju se na uzorcima tla. Ti uzorci predstavljaju slojeve tla, ustanovljene nekim postupkom na terenu, koji čine profil tla. Na terenu se građa tla (slojevi tla,vrsta tla i debljina) utvrđuju pomoću dvije metode koje se ne isključuju, nego nadopunjuju: � GEOFIZIČKE METODE � GEOTEHNIČKE METODE (bušenje, pokusi u bušotinama) Cilj svih istraživanja na terenu i u laboratoriju je ustanoviti građu, sastav i svojstva tla (fizikalna i mehanička) u prostoru geotehničkog zahvata Konačni rezultat takvih ispitivanja pomaže da se izradi geotehnički profil s modelom tla usklađenim sa promatranim problemom (nosivost, slijeganje, stabilnost padine, temelji brane-propusnost) Geofizičke metode koriste brzine elastičnih valova: komprimirajućih i posmičnih, mjereći njihovu refleksiju i refrakciju na granicama slojeva tla. Istražno bušenje svodi se na vađenje uzoraka (za ispitivanja u laboratoriju), ispitivanja unutar bušotina te na određivanje razine podzemne vode. Pri tome se koriste bušače cijevi s krunama ili svrdla. Mogu se kopati i istražne jame umjesto izvedbe bušotina. B 12 B 13 izvor pobude prijemnici bušotina

slika 1.13. Prikaz principa određivanja svojstava tla geofizičkim metodama Geotehnička ispitivanja insitu (na terenu) obuhvaćaju:

- fizikalna i mehanička svojstva tla - tlakovi u podzemnoj vodi - penetracijska ispitivanja

- statička penetracija (CPT) - standardna penetracija (SPT) - druge penetracijske sonde

18

- posebna ispitivanja posebnom opremom/uređajima: - presiometar - krilna sonda - dilatometar Marchetti - probna ploča

- određivanje tlakova u podzemnoj vodi piezometrima otvoreni piezometar električni piezometar (mjeri razinu vode) (mjeri tlak u jednoj točki)

slika 1.14. Prikaz otvorenog i zatvorenog piezometra

Ispitivanje tla in situ bit će obrađeno detaljno u poglavlju o ispitivanju svojstava tla za geotehničke zahvate. O laboratorijskim ispitivanjima bit će govora u svezi s rješavanjem određenih problema u tlu.

Bušotina min. promjera 90 mm, Zacijevljena, cijev perforirana u zoni filtra

Filtar koji upušta vodu u cijev

Taložnik za skupljanje čvrstih čestica

NPV

19

10. SAŽETAK - tlo je kompozitni-trokomponentni sustav, sve tri komponente utječu na njegovo

ponašanje - tlo je nastalo prirodnim procesom i zato je specifičan građevni medij - postupak nastanka tla i poznavanje geoloških uvjeta pomažu razumijevanju i prognozi

ponašanja tla pri geotehničkim zahvatima - danas raspolažemo brojnim iskustvima i razvijenom tehnologijom izvedbe geotehničkih

zahvata - mehanika tla objašnjava i prognozira ponašanje tla pri izvedbi geotehničkih zahvata - klasifikacija tla razlikuje nekoherentne i koherentne tipove tla i njihove mješavine

(laboratorij) - indeksni pokazatelji karakteriziraju stanje gustoće i konzistencije tla, što daje naslutiti o

fizikalnim i mehaničkim svojstvima tla - istraživanjima na terenu (geofizičke metode,bušenje, ispitivanja in situ) utvrđuje se

građa i sastav tla te njegova fizikalna i mehanička svojstva - u laboratoriju se ispitivanja provode na uzorcima koji prezentiraju svojstva slojeva tla iz

kojih su izvađeni 11. Zadaci za vježbu 1. Definiraj porozitet i koeficijent pora tla ? 2. Kako se određuje gustoća tla? 3. Kakva je veza između vlažnosti, gustoće vlažnog uzorka i gustoće suhog uzorka tla (izvedi izraz uz pomoć poznatih izraza za osnovne veličine)? 4. Definiraj i objasni stupanj zasićenosti vodom. 5. Nabroji osnovne klasifikacijske skupine tla i navedi njihove simbole. 6. Izračunaj indeks konzistencije tla čija je prirodna vlažnost 23%, granica tečenja 45%, a granica plastičnosti 18%. Kakva je plastičnost taoga tla ? 7. Objasni postupak sijanja. 8. Kako se određuje granulometrisjki sastav koherentnog tla ? 9. Da li se i kako na terenu može odrediti konzistencija tla ? 10. Kojim postupcima utvrđujemo građu tla na terenu ?