1

FIZIKALNE LASTNOSTI ZEMLJIN IN HRIBIN I. ZEMLJINE

Wg Vg

Ww Vw

Vv

Ws Vs

Dvofazni ali trofazni sistem 1. Poroznost:

gws

gg

s

ww

s

v eeeVV

eVVe

VVe +==== ,,,

e ... količnik por (realno od 4 do 0.4)

gwg

gw

wv nnn

VV

nVVn

VVn +==== ,,,

n ... delež por (teoretično od 1 do 0, realno od 0.8 do 0.3)

een

nne

+=⇒

−=

11

2

2.0 Zasičenost

nn

ee

VVS ww

v

wr ===

Sr ... stopnja zasičenosti (v praksi 0 oziroma ≅1 ali 0 oziroma 100%) 3.0 Zrnavost – granulometrični sestav MIT Klasifikacija

od do vrsta zemljine

oznaka delitev

60 mm 20 debel 20 6 srednji 6 2

gramoz G droben

2 0.6 debel 0.6 0.2 srednji 0.2 0.06

pesek S droben

0.06 0.02 debel 0.02 0.006 srednji 0.006 0.002

melj M droben

0.002 0.0006 debela 0.0006 0.0002 srednja 0.0002 0.00006

glina C drobna

Količnik enakomernosti: 10

60

ddCu =

Količnik ukrivljenosti: 6010

230

dddCc =

3

4. Vlažnost, konsistenca, lezne meje:

100100100(%)s

wr

ss

ww

s

w eSVV

WWw

γγ

γγ

===

w... vlažnost zemljine (od 10 do 200 %)

≈wγ 10 kN/m3

≈sγ 27 kN/m3

Lw ... meja židkosti

Pw ... meja plastičnosti

Sw ... meja krčenja Indeks plastičnosti: PLP wwI −=(%)

4

Indeks konsistence: PL

L

P

LC ww

wwI

wwI−−

=−

=

0<CI ... židko (ž.k.) 0=CI ... na meji med židko in gnetno (plastično)

konsistenco

310 << CI ... lahko gnetna (plastična) konsistenca (l.g.k.)

32

31 << CI ... srednje gnetna (plastična) konsistenca (s.g.k.)

132 << CI ... težko gnetna (plastična) konsistenca (t.g.k.)

1=CI ... na meji med gnetno (plastično) in poltrdno konsistenco

1>CI ... poltrdna (p.k.) ali trdna (t.k.) konsistenca

5. Gostota:

rwsrws nSn

eeS

VW γγγ

γγγγ +−=

++

== )1(,1

,

γ ... prostorninska teža zemljine(od 15 do 23 kN/m3) Količnik relativne gostote:

minmax

max

minmax

max

eeee

VVVVDr −

−=

−−

= , 10 << rD

Suha prostorninska teža:

)1( wVW

VWs

D +==γ

5

wr

s

s

wr

s

ww

ss

ww

s

w

SweeSe

VV

WWw

γγ

γγ

γγ

γγ

=⇒====

wr

s

sD

wr

s

ss

Sw

Sww

γγ

γγ

γγγγγ

+=⇒

+

+=

11

6

AC Klasifikacija zemljin Debelozrnate zemlj. Koherentne zemljine gramozi peski melji organske gline

Šota

GW SW ML OL CL Pt

GP SP MI OI CI GU SU MH OH CH GC SC GFc SFc GFs SFs

Debelozrnate zemlj. Koherentne zemljine gramozi peski melji organske gline

Šota

GW SW ML OL CL Pt

GP SP MH OH CH GC SC GM SM

Osnova za klasifikacijo nekoherentnih (debelozrnatih ali sipkih) zemljin je granulometrični sestav: čisti peski ali gramozi (SW, SP, SU in GW, GP, GU) so, če je p0.06 < 5%, dobro granulirani gramozi (GW) so, če je 31 << cC in 4>uC , dobro granulirani peski (SW) so, če je 31 << cC in 7>uC , vrsti GC in SC, če je glinasto vezivo v zmerni količini (5 do 12%). Osnova za klasifikacijo koherentnih (drobnozrnatih) zemljin sta meja židkosti in indeks plastičnosti, pri organskih zemljinah pa še barva (črna) in vonj (smrad).

7

8

9

PREPUSTNOST ZEMLJIN k (cm/s) ... koeficient vodoprepustnosti Meja med manj in bolj prepustnimi zemljinami je pri k = 10-7 cm/s Edometer ⇒ preizkus s spremenljivim hidravličnim padcem:

102

10 ln η

∆

=HH

tAhAk

Permeameter ⇒ preizkus s konstantnim hidravličnim padcem:

10ηHAt

hQk∆∆

∆=

CTTT o1,025.025.1 1

110 =−=η

Zrnavost ⇒ Hazen ali USBR:

3.220

210 36,0)(16.1)/( dkalimmdscmk ==

Približne vrednosti koeficienta prepustnosti:

vrsta zemljine k v cm/s čisti gramozi 100 – 1 debel pesek, peščeni gramozi 1 – 10-2 drobni peski, peščeni melji 10-2 – 10-3

melji, zaglinjeni melji 10-3 – 10-5

gline < 10-6

10

V koherentnih zemljinah se vodoprepustnost spreminja v odvisnosti od spremembe efektivnih napetostnih stan oziroma s spremembo poroznosi zemljin. Pogosto velja naslednja sovisnost:

)exp( 21 ekkk =

Koeficient vodoprepustnosti določamo tudi na terenu s črpalnimi preizkusi (v tleh pod nivojem talne vode), z nalivalnimi preizkusi (v plasteh nad talno vodo) in z disipacijskimi preizkusi pri CPT raziskavah. (a) črpalni preizkusi: Enačba Dupuita:

)()ln(ln

lnln 21

22

12

0

20

2

hhrrQ

krR

hHkQ

−−

=⇒−−

=π

π

Empirični obrazec Disserensa:

HDAytfA

yy

tAk

20 0625.0,),(ln ===

11

(b) nalivalni preizkusi:

25,4log423.02 >=

DH

DH

HQk

( ) ( )

+−+

−=

4ln

4ln

)(4 2112

DHDHtt

Dk

12

13

DEFORMABILNOST ZEMLJIN Edometer ⇒ Modul stisljivosti Mv ali Eoed: Valjasti vzorec višine cca 2 cm in premera cca 10 cm je v edometru oklenjen z jeklenim obročem, zgoraj in spodaj je omejen s prepustno porozno ploščo. Vertikalna obremenitev vzorca povzroča stiskanje vzorca (izcejanje vode). Konstrukcija takšnega aparata omogoča raziskavo odnosov med napetostmi in deformacijami v posebnih pogojih. Napetostno stanje je osnosimetrično, deformacijsko pa linearno (preprečene bočne deformacije):

==== 321 , σσσAPq ?

0, 321 =∆

==≡∆

=rr

hhh εερε

Pri vsaki bremenski stopnji, ki je praviloma za faktor dva večja od predhodne, opazujemo časovno spremembo višine vzorca (posedek ρ ali specifično vertikalno deformacijo 1ε ali poroznost e) valjastega vzorca do sekundarne faze konsolidacije (časovna sovisnica mora preiti v logaritmično premico).

14

15

Preiskati moramo obnašanje vzorca za vsa pričakovana napetostna stanja v temeljnih tleh (nično ⇒ prvotno ⇒ pričakovano; za naraščanje in po potrebi za zmanjševanje obtežbe temeljnih tal). Rezultat edometrske preiskave je krivulja stisljivosti )( ,σρρ = oziroma )( ,σee = , iz katere lahko izračunamo za pričakovano spremembo vertikalnih efektivnih napetosti v temeljnih tleh modul stisljivosti.

)1(,'

,,,αααβ

σσσσσ ee

hh

EM oedvzzzzz +∆∆

−=∆∆

=≡⇒−=∆

Modul stisljivosti v gramoznih in peščenih zemljinah ocenimo iz rezultatov terenskih raziskav (SPP, CPT, presiometer) ali tudi posredno iz količnika relativne gostote rD .

16

17

Triosna drenirana preiskava ⇒ Kompresijski in strižni modul (K in G)

Preiskava odnosov med napetostmi, deformacijami in časom na vsaj 3 prizmatičnih vzorcih (pravi triosni aparati) ali na vsaj 3 valjastih vzorcih (klasični triosni aparati). V klasičnih triosnih aparatih tlačno obremenjujemo valjaste vzorce (premera d = 3.6 cm in višine h ≅ 7 cm ali premera d = 10 cm in višine h ≅ 20 cm) s tlakom kapljevine in še dodatno v smeri osi vzorca. Napetostno in deformacijsko stanje v vzorcu je osnosimetrično. Pri izbranemu napetostnemu stanju opazujemo vertikalne premike (skrčke) vzorca in spremembo prostornine vzorca toliko časa, da je dosežena primarna faza konsolidacije.

3231 , σσσσ =+=AP

22

,,,

1331

3200

1

εεεεεε

εεεε

−=⇒+=

=∆

=∆

=

vv

v VV

hh

18

Preiskati moramo obnašanje vzorcev za vsa pričakovana napetostna stanja v temeljnih tleh (nično ⇒ prvotno ⇒ pričakovano; za naraščanje in po potrebi za zmanjševanje obtežbe temeljnih tal).

19

Za spremembo napetostnega stanja:

αβσσσ ,

1,1

,1 −=∆ in αβ

σσσ ,3

,3

,3 −=∆

izračunamo modula K in G po enačbah:

constoo

oo

v

K=

∂∂

=∆∆

=∆

∆+∆=

τεσ

εσ

εσσ ,

0

,,3

,1 2

3

constoo

o

o

o

v

G=

∂∂

=∆∆

=∆−∆∆−∆

=,1

,3

,1

3 σγτ

γτ

εεσσ

S krogci so označene oktaedrske napetosti in deformacije.

)(32,

32

3131 σστ

σσσ −=

+= oo

( ) ( ) ( ) ( )222222 631

,3

zxyzxyxxzzzzyyyyxxo

zzyyxxo

σσσσσσσσστ

σσσσ

+++−+−+−=

++=

)3(32,

332

131

vovo εεγ

εεεε −==

+=

( ) ( ) ( ) ( )222222 632

,3

zxyzxyxxzzzzyyyyxxo

zzyyxxo

εεεεεεεεεγ

εεεε

+++−+−+−=

++=

20

21

22

Triosna nedrenirana preiskava ⇒ Strižni distorzijski modul (Gd) Preiskava poteka na podoben način, kot poteka drenirana preiskava. Bistvena razlika med nedrenirano in drenirano preiskavo je, da so v primeru nedrenirane preiskave preprečene volumenske deformacije vzorca (zaprte drenaže) in da je takšna preiskava bistveno hitrejša.

3231 , σσσσ =+=AP

202

,,0,

1331

3200

1

εεεεε

εεεε

−=⇒=+=

==∆

=∆

=

v

v VV

hh

Za spremembo napetostnega stanja:

αβσσσ 111 −=∆ in αβ

σσσ 333 −=∆

izračunamo modula Kd in Gd po enačbah:

∞⇒=∆

∆=

=∆∆+∆

=)0()0(

23 0

31

εσ

εσσ o

vdK

constoo

o

o

o

dG=

∂∂

=∆∆

=∆∆−∆

=,1

31

3 σγτ

γτ

εσσ

23

Relacije med posameznimi deformacijskimi parametri:

)3(223,

39

GKGK

GKKGE

+−

=+

= ν

5.0,3 == ddd GE ν

)1(2,

)21(3 νν +=

−=

EGEK

)1(23,ν+

==EEGG dd

)1)(21()1(

34

ννν+−

−=+=≡

EKGEM oedv

24

TRDNOST ZEMLJIN

Coulombov strižni zakon:

ϕστ tan+= c Vrhunska strižna odpornost:

fff c ϕστ tan+= Rezidualna strižna odpornost:

rrr c ϕστ tan+=

25

Drenirana strižna trdnost:

,,, tanϕστ += c Določamo jo z direktnimi strižnimi preiskavami (translatorni oziroma rotacijski aparati), s hitro konsolidirano triosno preiskavo in na terenu (SPP, CPT).

26

Nedrenirana strižna trdnost:

uuuuuu cc =⇒=+= τϕϕστ 0,tan Določamo jo z enoosnimi tlačnimi preiskavami, z nedrenirano konsolidirano triosno preiskavo, s krilno sondo in na terenu (SPP, krilna sonda, CPT).

Vpliv prekonsolidacije na strižno odpornost:

27

28

Kje, kdaj in kako uporabljamo podatke o fizikalnih lastnostih zemljine? Deformacijski parametri: izračun napetostnih stanj v temeljnih tleh in zemljinskih objektih, izračun posedkov temeljnih tal oz. objektov, (začetni ali distorzijski, konsolidacijski ali volumenski (sferni), končni, absolutni ter diferenčni) Prepustnost: časovni razvoj posedkov (konsolidacija), znižanje talne vode Trdnostni parametri: mejna napetostna stanja v temeljnih tleh in zemljinskih objektih, stabilnostne analize (vkopi, nasipi, deponije, ...), dopustna obtežba temeljnih tal, nosilnost temeljnih tal, (v začetnih – nedreniranih pogojih, po končani konsolidaciji – drenirani pogoji) zemeljski pritiski (aktivni, pasivni, mirni) – obtežba na podporne konstrukcije, nosilnost zemeljskih sider Vse fizikalne lastnosti (poroznost, konsistenca, gostota, ... deformacijski, prepustnostni in trdnostni parametri) se časovno spreminjajo v odvisnosti od sprememb napetostnih stanj v temeljnih tleh oziroma zemljinskih objektih. So spremenljivke, niso konstantne vrednosti. Praviloma so fizikalne lastnosti zemljin definirane na efektivna napetostna stanja (medzrnski tlaki), le izjemoma na totalna napetostna stanja.

29