Predmet: Tehnička mehanika
ODREĐIVANJE PARAMETARA
ČVRSTOĆE SMICANJA
(Seminarski rad)
UVOD
Tlo je materijal koji se sastoji od tri komponente: čvrstih čestica(pijesak,
glina, šljunak...), zatim tekuće(voda...) i plinovite(zrak...) faze u porama između
čestica. Današnje mogućnosti izračunjavanja i mjerenja daju nam raznolikost kod
biranja načinja ispitivanja, uvid u ponašanje tla pod raznim uvijetima i zašto.
Kod deformiranja tla u geotehnici jedan od problema je formiranje klize plohe i
klizanja jednog dijela tla. Stoga proizlazi da je jedno od najvažnijih inženjerskih
svojstava posmična čvrstoća tla.
Posmična čvrstoća je vrijednost posmičnog naprezanja u trenutku sloma,
duž klizne plohe unutar mase tla. Vrlo je važnorazlikovati vršnu i rezidualnu
posmičnu čvrstoću tla. Za potrebe projektiranja vršna čvrstoća je značajna samo
u slučajevima malih deformacija, kada je naprezanje znatno manje od onog koje
bi izazvalo slom u tlu. U slučajevima kada se očekuje da bi posmično naprezanje
moglo doseći vršnu posmičnu čvrstoću mjerodavna je vrijednost rezidualne
posmične čvrstoće kako bi se spriječila pojava progresivnog sloma u tlu.
Posmična čvrstoća tla u laboratoriju se određuje u uređaju za izravni
posmik. Kod ispitivanja treba se odlučiti je li za problem odlučujuća vršna ili
rezidualna čvrstoća, zatim, koja je brzina posmika i slično.
Cilj ovog završnog rada je određivanje parametara čvrstoće smicanja u
uređaju za izravni posmik, prikaz ostalih parametara koji se dobivaju na temelju
rezultata ovog pokusa.
OPĆI DIO
U općem dijeluzavršnog rada biti će obrađena i prikazana osnovna svojstva
tla poput trofaznog karaktera i strukture tla, objasnit će se postupak klasifikacije
tla, te posmična čvrstoća. Poznavanje ovih teoretskih poglavlja iz mehanike tla
neophodno je kako bi se razumio praktični dio rada.
OSNOVNA SVOJSTVA TLA
Tlo je nastalo kao rezultat triju procesa:
-
raspadanje stijena(može biti mehanička i kemijska),
-
transport produkata raspadanja(voda, vjetar, gravitacija...) i
-
sedimentacija transportiranih čestica(veličina čestica, ioni u vodi)
Konačni proizvod nakon procesa sedimentacije pojavljuje se
tlo
.
Tro
komponenti
karakter tla
Uzimajući u obzir način sedimentacije čestica tlajasno je da se ono sastoji
od čestica različite krupnoće i međuprostora – pora. Pore su u tlu ispunjene
plinom i/ili tekućinom. Plin je najčešće zrak, a tekućina je redovito voda, ali
može biti i nafta ili slično. Iz tog razloga govori se o trokomponentnom
karakteru tla. Radi jednostavnijeg definiranja odnosa između komponenta uvodi
se „model tla“ prikazan na
Slici 2.1
pomoću kojeg se kvantificiraju jedinični
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.
Strukture koherentnih(Slika 2.2 a,b,c) i nekoherentnih(Slika 2.2 d,e,f) materijala
tla međusobno se bitno razlikuju. Kod nekoherentnog tla je gravitacija glavni
čimbenik koji utječe na formiranje strukture tla. Kod koheretnih tala uz
gravitaciju važan utjecaj imaju i molekularne sile.Uzmimo da su zrna
krupnozrnatog tla kuglice pravilnog oblika i iste veličine (uniformni pijesak).
Zrna se mogu posložiti tako da je svako zrno točno iznad onog ispod njega pa bi
se formirala struktura s maksimalnim koeficijentom poroznosti (n=0,48), kao što
je prikazano na
Slici 2.2 a
. Ako se zrna slože tako da ona gornja budu u
udubinama između zrna u donjem redu, koeficijent poroznosti bio bi daleko
manji od prijašnjeg primjera(n=0,26),
Slika 2.2 b
.Treći slučaj je da se u zbijenu
strukturu u prazne pore dodaju manja zrna, tako dobijemo vrlo gustu
strukturu(n
˂
0,26), Slika 2.2 b. U ovom je slučaju poroznost najmanja (n
˂
0,26).
a)
rahlab)
zbijenac)
vrlo
gusta
d) saćasta e) pahuljasta f) složena
Slika 2.2 Struktura tla
Maksimalni koeficijent pora za promatrano tlo označava se sa
e
max
, a minimalni
sa
e
mi n
. Prirodno tlo koje se sastoji od zrna različitih veličina, obično ima
manjevrijednosti graničnih poroznosti i manji raspon između njih. Za prirodne ili
laboratorijski pripremljene uzorke pijeska,
e
mi n
i
e
max
najviše zavise od
zaobljenosti zrna
R
i koeficijenta jednoličnosti
C
U
.
KLASIFIKACIJA TLA
Za klasifikaciju tla potrebno je poznavati raspodjelu veličina čvrstih
čestica tj.
granulometrijski sastavi Atterbergove granice
. Granulometrijski
sastav tla određuje se sijanjem, suhim ili mokrim, na nizu sita standardnih
veličina otvora, te vaganjem ostataka na svakom situ i onoga što je prošlo kroz
najfinije sito. Za čestice manje od 0,06mm granulometrijski sastav se određuje
areometriranjem.
Granulometrijski sastav uobičajeno se prikazuje
granulometrijskim
dijagramom
;postotkom mase ili težine prolaza kroz sito, tj. udjelom čvrstih
čestica koji su manji od date dimenzije. Pri tome se na apscisi redovito prikazuje
veličina zrna, u logaritamskom mjerilu, a na ordinati postotak prolaza. (Slika 2.3
Granulometrijski dijagram)
Klasifikacija tla je postupak svrstavanja materijala tla u grupe sličnih
svojstava. U ovom završnom radu korištena je USCS klasifikacija (Unified Soil
Classification System) prema BS-u (British Standard), prikazana u
Tablici 2.3
USCS klasifikacija tla.
Za karakterizaciju granulometrijskog sastava tla definiraju se dva koeficijenta:
-
koeficijent jednoličnosti
C
u
=
D
60
D
10
(2.9)
-
koeficijent zakrivljenosti
C
c
=
(
D
30
)
2
D
10
∙ D
60
(2.10)
Karakteristični promjeri zrna
D
10
,
D
30
i
D
60
određuju se tako da se u granulometrijskom
dijagramu povuče horizontalna linija na odgovarajućim postocima (10%, 30% i 60%) te se
očitaju vrijednosti promjera zrna u milimetrima. Ako je koeficijent jednoličnosti
C
u
jednak 1
znači da su sva zrna jednakog promjera, ako su pak u uzorku promjeri zrna u širokom
rasponu,
C
u
je jako velik. Dakle, što je koeficijent jednoličnosti veći to je materijal manje
jednoličan.
Za klasifikaciju sitnozrnatog tla služe
Atterbergove granice
; niz
empirijskih, laboratorijskih pokusa oblikovanih za potrebe određivanja
ponašanja glina pri određenoj vlažnosti. Atterberg je svojevremeno odredio čitav
niz takvih granica od kojih su se za upotrebu zadržale samo neke. Njih je kasnije
doradio i standardizirao za upotrebu A. Cassagrande. Ovi pokusi u postojećim
standardima nazivaju se klasifikacijski pokusi, a rezultati pokusa su granica
tečenja, granica plastičnosti, granica stezanja i indeksni pokazatelji. Služe da se
na indirektan način pobliže definiraju svojstva glinovitih komponenti tla.
Granice plastičnih stanja su:
Granica stezanja (shrinkage limit) - oznaka w
s
Granicu stezanja definira vlažnost na prijelazu iz polučvrstog u čvrsto konzistentno stanje, tj.
određena je sadržajem vlažnosti pri kojemu se postignuti volumen uzorka ne smanjuje
daljnjim sušenjem.
Granica plastičnosti (plasticity limit) - oznaka w
p
,
Granica plastičnosti definirana je sadržajem vode na prijelazu iz plastičnog u polučvrsto
konzistentno stanje tla.
Granica tečenja (liquid limit) - oznaka w
L
,
Granica tečenja je mjera potencijalne kohezivnosti tla, a definirana je sadržajem
vode (vlažnosti) na prijelazu koherentnog tla iz tekućeg u plastično konzistentno
stanje. Što su čestice tla sitnije, potrebno je više vode da se postigne njihova
određena međusobna pokretljivost, a time i vlažnost kojom se definira granica
tečenja. Visoka vrijednost granice tečenja je prema tome pokazatelj
sitnozrnatosti tla. Poznavanjem gore spomenutih granica koherentan materijal
možemo klasificirati u određene skupine prema plastičnosti. Za klasificiranje
materijala prema plastičnosti, potrebno je odrediti indeksne pokazatelje, kao što
su indeks plastičnosti, indeks konzistencije, te indeks tečenja.
količinom vlage u trenutku kad materijal ima granična svojstva. Stanja
plastičnosti granice među njima prikazane su na slici( 2.4.).uz izražen sadržaj
vlage na osi apscisa.
Sva tla će se slomiti prilikom smicanja. Posmična čvrstoća je kombinacija
kohezije i kuta unutarnjeg trenja. Kohezija (c) je posljedica veze između čestica;
značajna je u glinama, dok je nema u čistim pijescima i šljuncima. Kut
unutarnjeg trenja (φ) je posljedica trenja među česticama; viši je u šljuncima i
pijescima nego u glinama i prahu.
Pod pojmom čvrstoća u području geotehnike općenito se podrazumijeva
posmična čvrstoća zbog toga što do slučaja sloma kod građevina izgrađenih od
zemljanih materijala, te ostalih objekata temeljenih na tlu, dolazi prekoračenjem
posmične čvrstoće tla.Posmična čvrstoća je vrijednost posmičnog naprezanja, pri
lomu, duž klizne površine unutar mase tla.
Dovoljno dobar opis ponašanja tla pruža Coulomb-ov zakon čvrstoće koji
u totalnim naprezanjima ima sljedeći oblik:
τ
f
= c + σ
n
·tgφ
(2.14)
U jednadžbi
2.13
je:
-
τ
f
posmična čvrstoća u trenutku sloma
-
σ
n
totalno normalno naprezanje na plohi sloma
-
c
kohezija određena za totalna naprezanja
-
φ
kut unutarnjeg trenja određen za totalna naprezanja
Do sloma u tlu dolazi kada Mohr-ova kružnica naprezanja dodirne
anvelopu sloma opisanu jednadžbom 2.14, kao što je grafički prikazano na Slici
2.5. uobičajeno se Coulomb-ov zakon čvrstoće naziva još i Mohr – Coulomb-ov
zakon posmične čvrstoće.
Slika 2.5. Mohr – Coulomb-ov zakon čvrstoće (Matešić, 2006)
