234 - mehanika tla-01-priroda tla i osnovni pokazatelji

1

Poglavlje 1

PRIRODA TLA i OSNOVNI POKAZATELJI

1.1 POSTANAK TLA Sa graevinske take gledita, tlo je prirodna meavina mineralnih zrna, koja se mogu razdvojiti mehanikim postupkom, na primer, meanjem u vodi. Tlo je, najee, necementirani skup granularnog (zrnastog) materijala mineralnog i organskog porekla. Cementne veze izmeu zrna mogu u izvesnoj meri uticati na mehaniko ponaanje mase tla ali se podrazumeva da su cementne veze izmeu zrna relativno slabe. Ukoliko su cementne veze znatne vrstoe, tada se najee moe govoriti o steni, a ne o tlu, i zato je takav materijal predmet razmatranja u Mehanici stena. Granice izmeu Mehanike tla i Mehanike stena, dve srodne geotehnike discipline, nisu veoma otre. Mehanika stena se bavi medijem koji se sastoji od stene izdeljene na komade diskontinuitetima a Mahanika tla se bavi materijalom koji se sastoji od relativno vrstih zrna izmeu kojih su upljine, pore tla, u potpunoj komunikacionoj vezi. Zrna tla mogu biti razliitih veliina, oblika i mineralnog sastava, pri emu se podrazumeva da u ukupnoj zapremini znatan prostor zauzimaju intergranularne upljine - pore. U porama se moe nalaziti vazduh, voda ili meavina vazduha i vode. Stena se od tla razlikuje po tome to se sastoji od relativno kompaktnih blokova stenske mase koja je izdeljene praznim ili zapunjenim diskontinuitetima. Tlo nastaje kao proizvod mnogih hemijskih i fizikih, mehanikih procesa raspadanja povrinskih delova stena koji su izloeni spoljnim uticajima. Genezom tla bi trebalo da se bavi geologija. Zrna tla nastaju u ciklinom procesu raspadanja vrstih stena usled uticaja temperaturnih promena, sunca, vode i hemijskih procesa. Prema tome, destruktivni procesi u formiranju tla od osnovne stene mogu biti fiziki i hemijski. FIZIKI PROCESI izazivaju raspadanje osnovne stene na fragmente, komade stena razliitih veliina. Zamrznuta voda u prslinama, usled delimino spreenog irenja, izaziva velike napone poveavajui prslinu koja je odvaja od mase stene. Ciklino mrnjenje i kravljenje moe izazvati degradaciju do znatne dubine. Ukoliko se proces odvija na padini, komadi se odvajaju i pomeraju nizbrdo ostavljajui novu povrinu izloenu procesu daljeg raspadanja. U drugim ekstremnim uslovima visokog zagrevanja povrine u pustinjama kamen se zagreje do relativno visoke temperature u toku dana, a posle se u toku noi ponovo relativno brzo hladi. Temperaturne razlike izazivaju promene napona, a one mogu izazvati raspadanje komada stena. Fiziki procesi pri nastanku tla nakon degradacije osnovne stene mogu se opisati erozijom usled dejstva vetra, vode ili gleera. Rezultat fizikog raspadanja su estice koje imaju isti sastav kao

1. PRIRODA TLA i OSNOVNI POKAZATELJI

2

i stena od koje su nastale i proporcije karakteristinih dimenzija zrna su relativno bliske. Dalja modifikacija oblika i veliine zrna nastaje pri njihovom transportu i deponovanju do mesta na kojima ih nalazimo. HEMIJSKI PROCESI izazivaju promenu tipa minerala osnovne stene usled dejstva vode. Hemijsko raspadanje proizvodi nove minerale, mehaniki slabije i vee zapemine od minerala u zdravoj steni. Krupnija zrna su vra i mineral je najee kvarc. Manja zrna su verovatno slabija. Gline ine tla sastavljena od mekih sitnih estica da se optikim mikroskopom ne mogu jasno videti. Ove pokazuje da se moe oekivati izvesna razlika u mehanikom ponaanju. Peskovi, u kojima je predominantan kvarc, su manje stiljivi od glina. Svi zrnasti materijali poseduju osobine trenja, koje zavise od tipa minerala i najmanje je kod glina. Da trenja nema, tlo bi se ponaalo kao teka tenost. Kakva se nalaze u prirodi, tla se dele se na transportovana i rezidualna. Transportovana tla su nastala na jednom mestu, a zatim su transportovana i deponovana na drugo, dok su rezidualna tla ostala na mestu gde su nastala raspadanjem stene. 1 .2 IDENTIFIKACIJA i KLASIFIKACIJA TLA Klasifikovanje podrazumeva proces grupisanja i etiketiranja. Pri tome je mogue zamisliti vie razliitih klasifikacionih sistema zavisno od namene. Klasifikacioni sistem za potrebe mehanike tla mora da prui informacije o oekivanim inenjerskim osobinama tla poto se ono klasifikuje. Inenjerske osobine koje su od primarnog interesa u graevinarstvu su kompresibilnost, vrstoa, vodopropusnost i ugradljivost. Direktno odreivanje navedenih osobina zahteva dosta vremena, specijalnu opremu i kvalifikovanu radnu snagu. Ako bi se izvrila masovna ispitivanja inenjerskih svojstava na svim raspoloivim uzorcima, prestala bi potreba da se tlo klasifikuje. Krajnji cilj nije klasifikacija, ve sagledavanje mogueg ponaanja mase tla u uslovima od interesa. Prema tome, biraju se kriterijumi za klasifikaciju koji omoguuju klasifikovanje uz minimalni napor i troak, tako da se nakon zavrene klasifikacije moe dobiti orijentaciona predstava o moguem ponaanju i svojstvima tla. Standardizovani klasifikacioni opiti omoguuju da se relativno jednostavnim opitima vrste tla rasporede u tipove sa slinim geotehnikm osobinama. Rezultati klasifikacionih ispitivanja slue, izmeu ostalog, i za izbor uzoraka za ispitivanje inenjerskih svojstava, kao i za ocenu reprezentativnosti rezultata u odnosu na masu tla i broj ispitanih uzoraka. Jedan od razloga za masovnu primenu klasifikaci-onih ispitivanja je mogunost da se iz jednog skupa identifikacionih pokazatelja ocene geomehaniki parametri primenom odgovarajuih empirijskih korelacija. Osnovni klasifikacioni pokazatelji za ove namene su, pre svega, veliina zrna tla a zatim eventualna "lepljivost" ili, striktnije, plastinost tla. Rezidualna i transportovana tla se pojavljuju u beskonanim varijacijama veliina zrna od hiljaditih delova milimetara do decimetarskih dimenzija. Kao generalna osnova


3

za klasifikaciju normalnog, preteno neorganskog tla, usvojena je podela na dve glavne klase sa graninom vrednou veliina zrna od 0,075 mm, a u nekim zemljama za granicu se usvaja veliina zrna od 0,074 ili 0,06 mm, tako da: krupnozrna tla sadre preko 50% zrna veih od 0,075 mm (ili 0,06 mm) sitnozrna tla sadre preko 50% zrna manjih od 0,075 mm (ili 0,06 mm) Ova granica od 0,075 mm, (odnosno 0,06 mm), prvo je potekla iz praktinih razloga jer se kae da proseno ljudsko oko bez optikog pojaanja prepoznaje u granularnoj masi individulana zrna vea od navedene granine vrednosti, dok se manja zrna vide samo kao amorfna masa. Iako ovaj kriterij izgleda sasvim proizvoljan sa mehanike take gledita, pokazalo se da postoje i znatne razlike u ponaanju ova dva tipa tla. Osim toga, u prirodi se nailazi i na treset, materijal koji ima vlaknastu strukturu i nepovoljne karakteristike, tako da se o njemu u ovom tekstu nee mnogo govoriti, jer se veoma retko ispituje u mehanici tla. KRUPNOZRNA TLA variraju sa veliinama zrna od komada stene do ljunka i peska. Kvarc, zbog svoje tvrdoe i postojanosti, je mineral koji preovladava u sadraju mnogih ljunkova i peskova, ali se pojavljuju i drugi minerali sa razliitim relativnim ueem. Terenska identifikacija je relativno jednostavna, jer se skoro sva zrna vide golim okom uz eventualno i veoma retko korienje lupe. Krupnozrno tlo moe da sadri primese sitnih frakcija. SITNOZRNA TLA se najveim delom sastoje od zrna praine i gline. ist prah je po veliini zrna izmeu peska i gline i ima specifine osobine po kojima ga samo u maloj meri razlikuje od peska. Ali ve i mala koliina primesa glinenih estica od samo nekoliko procenata daje meavini sitnozrnog tla nove karakteristike, tako da se ono u znatnoj meri razlikuje od krupnozrnih materijala. Ne mogu se sva zrna videti golim okom, tako da se primenjuju indirektni opiti za identifikaciju, a zasnivaju se na osobini da sitnozrni materijali, naroito ako sadre glinene estice, menjaju konzistentno stanje sa promenom sadraja vode. Za ovu osobinu, koju nemaju krupnozrni materijali, koristi se u Mehanici tla izraz plastinost. Plastinost, kao pojam, se koristi i za opis naponsko deformacijskog ponaanja u sasvim drugom i znatno preciznijem kontekstu. ORGANSKA TLA u naem podneblju uvek sadre organske materije, koje se najveim delom pojavljuju u delimino raspadnutim oblicima vegetacije uz humus, amorfni materijal nastao raspadanjem biljnih i ivotinjskih produkata. Ove organske materije su od vitalnog znaaja za poljoprivrednu upotrebu zemljita i od manjeg znaaja su za graevinskog ininjera, jer se povrinska zona tla uklanja pre izgradnje veine graevinskih objekata. Ipak, relativno visoko prisustvo organskih materija reda 5% do10% moe ukazivati na relativno veliku kompresibilnost. Ponekad se u prirodi pojavljuje treset, materijal sa vlaknastom strukturom u kome preovlauju materije organskog porekla. Ova tla su izrazito nepovoljna sa graevinske take gledita.


4

GRANULOMETRIJSKI SASTAV TLA Granulometrijski sastav je definisan krivom koja opisuje sadraj zrna razliite veliine izraen u procentima teine. Dijagram za ovakvo opisivanje prikazan na Slici 2.1 je potekao u MIT (SAD) i usvojen je za standard u mnogim zemljama, iako ima i drugaijih. Ovaj klasifikacioni sistem je jednostavan jer za definisanje graninih veliina frakcija zrna, (ljunak, pesak, praina), i njihovih relativnih veliina, (sitan, srednji, krupan), primenjuje samo brojeve 2 i 6, to se lako pamti. Meutim, realna tla se sastoje od meavine raznih frakcija u razliitim proporcijama, tako da se vrste tla, prema granulometrijskom sastavu, moraju preciznije razlikovati. Sasvim intuitvno, moe se oekivati da e se skup veoma malih zrna ponaati razliito od agregacije velikih estica, to predstavlja osnovu za primenu veliine zrna kao kriterija za klasifikaciju tla. Prvo treba definisati veliinu zrna. Zbog takvih razliitih oblika mora se arbitrarno definisati mera veliine zrna. Veliina zrna, koje se vide golim okom, tj. pesak i krupnija zrna, opisuje se "prenikom" koji se pripisuje zrnu koje moe da proe kroz skup sita sa razliitim otvorima kvadratnog oblika. "Prenik", koji se pripisuje zrnu, je prenik najvee kuglice, koja moe da proe kroz kvadratni otvor sita iste veliine kroz koji prolazi i zrno. Opit sejanja i korienje sita nije mogue ako se tlo sastoji od glinenih i prainastih frakcija, jer su ona isuvie sitna i krhka da bi se mogla uspeno i jednostavno mehaniki izdvojiti po veliini. Veliina takvih zrna se odreuje "opitom hidrometrisanja" ili "areometrisanja", pomou kojeg se veliini zrna sitnozrnog tla pripisuje prenik kuglice koja tone u stubu vode brzinom posmatrane estice u procesu sedimentacije.


5

Slika 2.1. Granulometrijski dijagram 1.3 ODNOSI FAZA i POKAZATELJI FIZIKOG STANJA TLA Tlo se sastoji od tri faze: od vrstih zrna, vode i vazduha pa se njihovo relativno uee u masi tla opisuje odgovarajuim pokazateljima. Radi opisivanja osnovnih odnosa uzorak tla sa fazama koje ga ine moe se predstaviti modelom prikazanim na Slici 2.2. vrstu fazu ine mineralna zrna razliitog sastava i oblika. Tenu fazu ini voda, koja u prirodi ne mora biti hemijski ista. Gasovitu fazu ini najee vazduh i vodena para.

Slika 2.2. Model tla sa ueem pojedinih faza. (a) Element prirodnog tla, (b) Element tla izdeljen na faze


6

SPECIFINA TEINA Gs u mehanici tla je naziv za odnos izmeu jedinine teine vrstih estica s i jedinine teine vode w, te je, uprkos neadekvatnom nazivu, neimenovan broj:

ws

w

sss =

V/ W = G (2.3)

gde je Ws teina suvog uzorka tla Vs zapremina vrstih estica Iz gornje definicije (2.3) sledi da bi korektniji naziv za veliinu Gs bio "relativna gustina", naziv koji se povremeno poinje koristiti u novijoj literaturi. Jedinina teina vrstih estica je:

wss

ss G = V

W = (2.4)

Jedinina teina vode zavisi od temperature, pritiska i geografske irine. U mehanici tla se kao merodavna veliina generalno usvaja da je w = 9.807 kN/m3. Ova brojka je lako prepoznatljiva konstanta, i nije uobiajeno, niti se preporuuje da se za jedininu teinu vode w, pri obradi rezultata laboratorijskih opita, i u svim geomehanikim proraunima, koji pretenduju na izvesnu tanost, koristi zaokruena veliina od 10 kN/m3, osim kada sa radi o gruboj proceni neke izvedene veliine. Specifina teina zrna tla se najee kree u relativno uskim granicama, tako da je za prirodna tla Gs = 2.6 do 2.8. Specifine teine istih minerala koji se u prirodnom tlu nalaze u razliitim proporcijama navedene su u Tabeli 2.1. U pogledu relativnog uea pojedinih faza, uzorak tla se moe opisati sa jednim od sledea tri stanja: (a) SUV. upljine, tj. pore mogu biti potpuno suve i ispunjene samo vazduhom. Za

takvo stanje uzorak se izlae suenju, najee u sunici, na temperaturi od oko 1050C. Tada je Vw = 0, odnosno Vv = Va.

(b) ZASIEN. upljine mogu biti potpuno ispunjene vodom, i zato se kae da je tlo zasieno. Takvi uslovi su tipini za prirodne uslove, ispod nivoa podzemne vode i u zoni kapilarnog penjanja vode u tlu. Tada je Vv = Vw.

(c) NEZASIEN. Uzorak tla moe biti delimino zasien, kada pore sadre i vodu i vazduh. Tada je Vw < Vv.

POROZNOST ili RELATIVNA POROZNOST, n je odnos zapremine pora i

ukupne zapremine uzorka, ponekad se mnoi sa 100 i izraava u procentima:

VV = n v (2.5)


7

KOEFICIJENT POROZNOSTI e predstavlja odnos izmeu zapremine pora i zapremine vrstih estica:

VV = e

s

v (2.6)

Oigledno, s obzirom na prikazane definicije, izmeu e i n mora da postoji jednoznana veza. Moe se pokazati da je:

%) (x100 e1

e = n + (2.7)

n1n = e (2.8)

Iako se ova dva pokazatelja mogu ravnopravno upotrebljavati, izvesnu prednost ipak treba dati koeficijentu poroznosti e, jer on definie sadraj pora u odnosu na zapreminu vrstih estica. Pri deformisanju uzorka znatno se menja samo zapremina pora, dok je zapremina vrstih estica praktino konstantna. Ukoliko bi se promena zapremine opisivala sa promenom poroznosti n, u definiciji promene zapremine menjali bi se i brojitelj i imenitelj, a u definiciji koeficijenta poroznosti menja se samo brojitelj. SADRAJ VODE ili VLANOST w se definie kao odnos izmeu teine vode Ww i teine vrstih estica u uzorku tla Ws i najee se izraava u procentima:

%) (x100 WW = w

s

w (2.9)

Sadraj vode u nekim materijalima kao to su meke i itke gline, najee normalno konsolidovane i visoke plastinosti, moe biti i vei od 100 %. STEPEN ZASIENJA, Sr je odnos izmeu zapremine vode Vw i zapremine pora Vv, koji se moe izraziti i procentima, tj.:

(x100%) VV = S

v

wr (2.10)

Ako se brojitelj i imenitelj pomnoe sa w dobija se da je: (x100%)

WW = S

zw,

wr (2.11)

gde je Ww,z teina vode u uzorku u potpuno zasienom stanju. Brojitelj i imenitelj u (2.11) podele se sa teinom vrstih estica Ws te sledi:

(x100%) ww = S

zr (2.12)

gde je wz vlanost uzorka pri potpunom zasienju. Stepen zasienja se moe izraziti preko vlanosti w i koeficijenta poroznosti e u obliku korisnog izraza:


8

eG w = S sr (2.13)

U sluaju potpuno zasienog tla Sr = 1, dakle:

z se = w G (2.14) Prema definiciji stepena zasienja, mogua su tri karakteristina stanja uzorka koja se opisuju ovim pokazateljem, ili: Sr = 0 suvo tlo, 0 < Sr < 100% nezasieno ili delimino zasieno tlo, Sr = 100% zasieno tlo,

TEINE i ZAPREMINE. S obzirom na gore opisana mogua stanja uzorka tla uzorak date zapremine moe za isti sadraj vrstih estica imati razliitu teinu, tj. i razliitu teinu u jedinici zapremine.

Treba imati u vidu da se kod laboratorijskih merenja masa meri u gramima i zapremina u cm3, a sve zapreminske teine izraavaju u jedinicama sile po jedinici zapremine u kN/m3. Za laku konverziju rezultata, 1 g/cm3 odgovara 9.807 kN/m3. JEDININA TEINA TLA ili zapreminska teina tla je odnos izmeu ukupne teine uzorka W i njegove ukupne zapremine V:

3/s ws w a

W + W W = = kN mV + + V V V

(2.18) U sluaju potpuno suvog tla, kada je Ww = 0 i Vw = 0, jedinina teina uzorka tla u suvom stanju d je odnos izmeu teine vrstih estica Ws i ukupne zapremine V :

3/s sds a

W W = = kN mV + V V

(2.19)

Merenjima i elementarnim proraunima odreuju se veliine Gs, s, i d, a ostali pokazatelji se iz njih mogu izraunati. Zavisnost izmeu , d i w se moe izvesti iz osnovnih definicija. Izraz (2.17) se moe napisati u obliku koji definie jedininu teina tla u zavisnosti od vlanosti:

( )1 d w = + (2.20) Kada su sve pore ispunjene vodom, ( Sr = 1 ), jedinina teina tla u zasienom stanju je:


9

3/z s w ,zzs w

+ W W W = = kN mV + V V

(2.21)

Ako je w = wz, tada je teina tla u zasienom stanju:

( )1z z d w = + (2.22)

gde je wz vlanost uzorka tla (decimalni broj) u stanju potpunog zasienja. Efektivna zapreminska teina tla pri potapanju u vodu sledi iz Arhimedovog zakona, tako da je potopljena teina tla:

z w = (2.23) Ovde do sada definisani pokazatelji Gs, s, n, e, w, Sr, , d, z i / nisu sve meu-sobno nezavisne veliine, jer izmeu njih postoji niz jednoznanih relacija. Pri tome treba imati u vidu da se neke veliine direktno mere, a druge su izvedene prema odgovarajuim definicijama. S obzirom da je pri potpunom zasienju, kada je zapremina vazduha u porama jednaka nuli, vlanost uzorka tla je: ( )s swv w

z ws s s s

V V V V Vw W W W W

= = = (2.24) Iz gornjeg izraza sledi da je vlanost tla pri potpunom zasienju:

1z w

d s

w 1=

(2.25)

Karakteristine vrednosti nekih osnovnih pokazatalja za tipine uzorke tla date su u Tabeli 2.2. Tabela 2.2 Karakteristine vrednosti nekih osnovnih pokazatelja Br. Opis tla e wz d z % kN/m3 1 Pesak jednolian rastresit 0.85 32 14.1 18.5 2 Pesak jednolian zbijen 0.51 19 17.1 20.4 3 Pesak graduiran rastresit 0.67 25 15.6 19.5 4 Pesak graduiran zbijen 0.43 16 18.2 21.2 5 Les kolapsibilan 0.99 36 13.4 18.2 6 Les i lesoidna glina 0.65 24 15.8 19.6 7 Meka (neorganska) glina 1.2 45 11.9 17.3


10

8 Tvrda (neorganska) glina 0.6 22 16.7 20.2 9 Meka glina sa malo org. materija 1.9 70 9.1 15.4 10 Meka glina sa mnogo org. materija 3.0 110 6.8 14.0 11 Meka montmorijonitska glina 5.2 194 4.2 12.6 12 Pepeo termoelektrana (Gs=2.15) 2.1 98 6.9 13.5 Za GRANICE KONZISTENTNIH STANJA, ili Aterbergove granice konzistencije, esto se koristi i ui termin - granice plastinosti ili granice konzistentnih stanja. Kao to je ve naglaeno, ove granice se odnose iskljuivo na sitnozrna tla. Aterbergove granice slue da se blie definiu, na indirektan nain, osobine glinovitih komponenti u tlu. Za glinovite materijale je karakteristino da menjaju konzistentno stanje pri promeni sadraja vode. Raspon promena konzistentnih stanja ilustrovan je na Slici 2.4. Zamislimo da smo izvesnu koliinu glinovitog tla izmeali u znatnoj koliini vode koja odgovara vlanosti wz, (taka P na Slici 2.4), tako da dobijemo itku tenost koja po gustini, primera radi, asocira na krem-supu, ija je smiua vrstoa jednaka nuli. Ako bi, na primer, ovoj masi smanjivali sadraj vode, omoguavajui joj da se voda isparava, uz povremenu homogenizaciju meanjem, ukupna zapremina bi se smanjila, masa postala gua, poveao bi se viskozitet tako da bi pri nekoj vlanosti materijal dobio izvesnu, istina sasvim malu ali merljivu smiuu vrstou reda veliine od 1.6 - 2 kN/m2, kakvu, na primer, ima zubna pasta, tada moemo rei da materijal ima vlanost na granici teenja (granici tenosti) wL ili LL. Pri daljem smanjivanju sadraja vode masa postaje jo gua, sve do granice pri kojoj se oblik mase ne moe menjati bez na-ruavanja kontinuiteta materijala, pa se kae da je materijal na granici plastinosti wP ili PL i smiuu vrstou reda veliine od 170 - 200 kN/m2. U intervalu vlanosti od LL do PL materijal je plastian, kao na primer, margarin na sobnoj temperaturi, te nakon deformisanja zadrava nametnut deformisani oblik i posle prestanka delovanja optereenja. Ako se suenje nastavi, smanjuje se zapremina do stanja kada se zrna poinju meusobno oslanjati na nain da se zapremina vie ne menja i voda se evakuie iz pora bez promene zapremine skeleta. Kae se da zapremina skeleta tla, koju ine zapremina vrstih estica i zapremine pora, ostaje priblino konstantna pri svim vlanostima manjim od granice skupljanja wS ili SL.


11

Slika 2.4. Konzistentna stanja sitnozrnog tla u zavisnosti od vlanosti Kada je vlanost sitnozrnog tla u intervalu izmeu PL i SL, materijal ima konzistenciju tvrdog sira, plastino se deformie pri optereivanju, ali se na njemu pri tome pojavljuju pukotine. Ukoliko je vlanost sitnozrnog tla manja od granice skupljanja, tlo ima tvrdu konzistenciju, drobi se pri deformisanju kao tvrda bombona. Granice izmeu konzistentnih stanja nisu otre. One su arbitrarno definisane pokazateljima koji se odreuju standardizovanim opitima na frakciji zrna koja su manja od 0.425mm (JUS U.B1.020, JUS U.B1.022). Pomou ovog pokazatelja, koji se oznaava sa LL ili wL, sitnozrne frakcije tla mogu se podeliti na sledee osnovne grupe: wL < 20 % - neplastino (NP) 20 % < wL < 50 % - niska plastinost (L) wL > 50 % - visoka plastinost (H). U verziji neto proirene klasifikacije, srednja grupa (L) iz gornje liste se moe deliti na dve i to tako da je 20 % < wL < 35 % - niska plastinost (L), 35 % < wL < 50 % - srednja plastinost (I). Oznake gore oznaenih grupa NP, L, I i H prikazane su na odgovarajuim poljima na Slici 2.8 i Slici 2.9 u okvirima Kasagrandeovog dijagrama plastinosti. GRANICA PLASTINOSTI PL , koja se esto zove i granicom valjanja, odreuje se standardizovanim opitom, koji izgleda prilino nestandardan. Naime, kae se da uzorak tla ima vlanost na granici plastinosti ako se od njega valjanjem na krutoj podlozi mogu napraviti valjii prenika oko 3 mm i duine oko 70 mm tako da se pri tome na njemu mestimino pojavljuju pukotine.


12

Oba gore kratko opisana opita (za LL i PL) imaju relativno dugu istoriju upotrebe to je, uz relativnu jednostavnost, jedan od glavnih razloga za njihov sadanji opstanak u geomehanikoj laboratorijskoj praksi jer se mogu korelirati sa nedreniranom smiuom vrstoom. Ako bi ponovo smiljali mehaniku tla kao tehniku disciplinu, opiti za odreivanje granica teenja i granica plastinosti bi verovatno izgledali drugaije. INDEKS PLASTINOSTI definie interval IP = LL - PL. Najznaajniji ili najvei deo mehanike sitnozrnog tla bavi se podrujem u granicama vlanosti tla u ovom rasponu od LL do PL. Karakteristino je da se nedrenirana smiua vrstoa preraenog uzorka tla u ovom intervalu vlanosti menja za oko 100 puta, ili sasvim orijentaciono, smiua vrstoa preraenog uzorka tla sa vlanou na granici plastinosti je za dva reda veliine vea od smiue vrstoe istog sitnozrnog tla u preraenom stanju sa vlanou na granici teenja. INDEKS KONZISTENCIJE je pokazatelj kojim se numeriki definie stanje konzistencije izrazom:

LC

P

w wI I= (2.32)

tako da se pomou ovog indeksa mogu definisati sledea konzistentna stanja: IC < 0 teno stanje

0 < IC < 1.00 plastino stanje

1 < IC < 1.25 polutvrdo stanje

IC > 1.25 tvrdo stanje Podrazumeva se da bi tlo sa IC < 0 bilo predmet izuavanja mehanike fluida, jer se tlo ponaa kao, manje ili vie, gusta ili retka tenost. U intervalu IC = 0 do 1, koji se najee ima u vidu kada se razmatra ponaanje sitnozrnog tla, mogu se blie opisati empirijski kriterijumi za orijentacionu terensku ocenu indeksa konzistencije, od koje u najveoj meri zavisi nedrenirana smiua vrstoa, kao to sledi: IC = 0.00 - 0.25 Vrlo meko konzistentno stanje, moe se utisnuti pesnica. IC = 0.25 - 0.50 Meko konzistentno stanje, moe se utisnuti palac. IC = 0.50 - 0.75 Srednje plastino konzistentno stanje, moe se utisnuti palac sa veim naporom. IC = 0.75 - 1.00 Tvrdo-plastino konzistentno stanje, ne moe se utisnuti palac, ali moe vrh zaotrene olovke. IC = 1.00 - 1.25 Polutvrdo konzistentno stanje, tlo se praktino ne deformie pod optereenjima koja se mogu naneti rukom, ili zailjenim predmetom. IC > 1.25 Tvrdo tlo, praktino nedeformabilno za tipina optereenja od graevina uobiajenih dimenzija.


13

INDEKS TEENJA LI je alternativni pokazatelj konzistentnog stanja koji se, takoe, ponekad koristi umesto indeksa konzistencije i definisan je izrazom:

1 CP

w PLLI II= = (2.33)

Ukoliko je LI > 1 vlanost prirodnog tla je vea od granice teenja tako da se ponaa kao tenost. Ukoliko je indeks teenja negativan, vlanost tla je manja od granice plastinosti i zato je sitnozrno tlo u polutvrdom ili tvrdom stanju. GRANICA SKUPLJANJA wS = SL sa fizike take gledita je vlanost koja je dovoljna da vodom popuni sve pore kada je sitnozrno tlo neoptereeno spoljnim naponima, (u uslovima normalnog atmosferskog pritiska), dostiglo minimalnu zapreminu pri suenju. Drugim reima, to je najmanja vlanost pri kojoj se neoptereeno tlo moe potpuno zasititi vodom. 1.4 JEDINSTVENA KLASIFIKACIJA U prirodi postoje veoma raznolike vrste tla. Zato je uoena potreba da se definie neki sistem pomou kojeg bi se pojedine vrste tla svrstavale u grupe, klase ili kategorije, sa slinim osobinama. Postoji vie razliitih klasifikacionih sistema, ali prednost treba dati onoj sistematizaciji koja je u svetu najrasprostranjenija, jer ona omoguava komunika-ciju izmeu inenjera i relativno brzu razmenu najvanijih tehnikih informacija. Za potrebe mehanike tla u graevinarstvu i graevinske geotehnike najpogodnija je tzv. "jedinstvena klasifikacija". Ovaj klasifikacioni sistem se zasniva na predlogu koji je dao Kasagrande (Casagrande 1948), i u prvobitnom obliku poznat je kao AC klasifikacija (Airfield Clasification). U pojedinim zemljama primenjuju se razliite varijacije ovog klasifikacionog sistema, ali je osnovni princip veoma slian, a esto identian sa izvornim. Osnovni princip: svaki tip tla se moe opisati sa dva slova, dve oznake, a mogu se upotrebiti i dvojni simboli prema emi prikazanoj u Tabeli 2.5.


14

Tabela 2.5. Oznake koje se koriste za formiranje klasifikacionih simbola. PRIMARNA OZNAKA OPISNA OZNAKA

Krupnozrna tla sa G (ljunak) W dobra preko 50 % zrna S (pesak) U jednolina graduiranost veih od 0,075 mm P slaba

F praine primese C gline Sitnozrna tla sa M (praina) L niska preko 50 % zrna C (glina) (I) (srednja) plastinost manjih od 0,075 mm O (organsko tlo) H visoka Vlaknasta struktura Pt (treset)

Tabele jedne verzije jedinstvene klasifikacije prikazane na Slici 2.8 i Slici 2.9 sadre rezime svih relevantnih laboratorijskih kriterija sa odgovarajuim simbolima i opisima. Domai standardi su JUS U.B1.001/1990 i JUS U.B1.003/1990 i oni definiu i terenske kriterijume za identifikaciju tla. JUS se malo razlikuje od verzije prikazane na Slici 2.8 i Slici 2.9, jer ne sadri polje koje definie materijale srednje plastinosti koji su pripojeni materijalima niske plastinosti kao to je prikazano na Slici 2.7. Krupnozrna tla se klasifikuju prema veliini zrna, obliku granulometrijske krive izraene koeficijentom jednolinosti CU i koeficijentom zakrivljenosti CZ, ukoliko je sadraj primesa sitnozrnih frakcija relativno mali. Iz Tabele 2.5 se vidi da se krupnozrna tla, a to su ona sa prvim slovom G ili S, klasifikuju drugim slovom, opisnom oznakom koja proistie iz granulometrijskog sastava (W ili U ili P), ili na osnovu koliine primesa sitnijih frakcija (F ili C), ukoliko one postoje. Na primer, kriva (1) na Slici 2.1 je dobro granulisan ljunak, simbol je GW, jer je vie od 50% zrna vee od 2 mm, ima manje od 5% zrna manjih od 0,075 mm, CU > 4 i CZ je izmeu 1 i 3. Ako, meutim, uslov za CZ nije ispunjen i tlo sadri preko 12% zrna manjih od 0.075 mm, takav ljunak bi se klasifikovao kao GF ili GC, zavisno od plastinosti primesa sitnih estica. Na Slici 2.1 kriva (2) opisuje GP, kriva (3) je SF, a kriva (4) je SU. Sitnozrna tla, tj. ona koja sadre preko 50% zrna manjih od 0,075 mm, kakva su na primer prikazana krivama (5) i (6) na Slici 2.1, ne klasifikuju se primenom pokazatelja granulometrijske kompozicije. Prvo slovo klasifikacionog simbola je C ili M ili O, a drugo slovo je ili L ili (I) ili H. Oba slova, koja zajedno ine klasifikacioni simbol sitnozrnog tla, proistiu iskljuivo iz pokazatelja granica konzistentnih stanja prema Kasagrandeovom dijagramu plastinosti prikazanom na Slici 2.7 ili Slici 2.8.


15

Slika 2.7. Kasagrandeov dijagram plastinosti Na primer, kriva (5) na Slici 2.1 bi opisivala prainu ako bi se uzimao u obzir samo granulometrijski sastav, jer ima najvie prainastih frakcija, meutim, ovakvo tlo se klasifikuje kao glina niske odnosne srednje plastinosti (CL ili CI) prema pokazateljima prikazanim takom (5) na Slici 2.7. Moda nije suvino ponoviti da, na primer, kriva (6) na Slici 2.1, ukazuje da tlo sadri najvie prainovitih frakcija, recimo oko 60% zrna izmeu 0,002 i 0,075 mm, pa se ipak ne klasifikuje kao praina, ak iako ima skoro dva puta manje glinovitih frakcija, tj. zrna manjih od 0,002 mm. Ako se na dijagramu plastinosti taka (6) za ovo tlo na Slici 2.7 se nalazi iznad "A linije", tlo se klasifikuje kao CH, glina visoke plastinosti.


16

Slika 2.8. Jedinstvena klasifikacija, laboratorijski kriterijumi i simboli


17

Ovde opisan AC sistem se pokazao kao veoma koristan za klasifikovanje tla u razliitim primenama kao to je graenje puteva, aerodroma, nasutih brana i temeljenje graevinskih objekata. U praksi se svakom klasifikacionom tipu tla mogu pripisati odreene tipine osobine i u takvom obliku mogu da poslue kao koristan pokazatelj pri projektovanju i graenju. Mnoga tla se mogu klasifikovati vizuelno, na terenu. Za taniju klasifikaciju potrebno je samo odrediti granulometrijski sastav i granice konzistentnih stanja wL i wP. Klasifikacija ne predstavlja zamenu za opite inenjerskih svojstava i analizu rezultata takvih ispitivanja. Za potpunu klasifikaciju tla za potrebe temeljenja graevinskih objekata i druge geotehnike radove neohodno je i tanije utvrivanje osobina kao to su smiua vrstoa sitnozrnog tla, relativna zbijenost krupnozrnog tla, kompresibilnost ili stiljivost, ugradljivost, vodopropusnost, i dr. Ispitivanja ovih karakteristika vre se odgovarajuim opitima koji su opisani u narednim poglavljima, a parametri koji se takvim ispitivanjima dobijaju zavise, izmeu ostalog, i od mikrostrukture tla. 1.5 REZIME Tlo je nastalo fizikim i hemijskim raspadanjem stena. Tlo se sastoji se od zrna izmeu kojih su upljine - pore. Tla u prirodi se mogu podeliti na rezidualna i transportovana. Neka tla mogu imati visok sadraj organskih materija. Zbog toga to je tlo viefazni sistem, ponaanje tla zavisi i od interakcije izmeu vrstih estica i fluida (vode i vazduha) u porama. Zbog zrnaste strukture, ukupna deformacija elementa tla je, u najveoj meri, posledica klizanja izmeu zrna, tako da je ponaanje tla izrazito nelinearno i ireverzibilno. Tla se dele na krupnozrna i sitnozrna. Tip datog tla se opisuje granulometrijskim sastavom i Aterbergovim granicama, tj. granicama konzistentnih stanja. Krupnozrna tla se klasifikuju pokazateljima granulometrijskog sastava. Aterbergove granice slue za blie definisanje sitnozrnog tla i indirektno odraavaju specifinu povrinu sitnozrnog tla i tip predominantnog minerala. Stanje tla opisuje se jedininom teinom i vlanou ili koeficijentom poroznosti i stepenom zasienja. Raspon pojedinih parametara vrstoe, deformabilnosti i vodopropusnosti zavisi od granulometrijske kompozicije, tipa minerala, oblika zrna i odnosa koliina vode i vazduha u porama. Stvarna vrednost naponsko-deformacionih parametara zavisi od uslova sredine u koje spadaju vlanost, zbijenost i nivo napona.

234 - mehanika tla-01-priroda tla i osnovni pokazatelji

Documents