Zdroje. K135, osobní stránky Vaníček: Mechanika zemin, ČVUT Verruijt: Soil Mechanics Časopisy: Geotechnika, Tunel

Transkript

1 Zdroje K135, osobní stránky Vaníček: Mechanika zemin, ČVUT Verruijt: Soil Mechanics Časopisy: Geotechnika, Tunel Konzultace: - po výuce, - em Pruska@fsv.cvut.cz - po dohodě Fakulta stavební, Thákurova 7, místnost B508

2 Definice Geotechnické společnosti Českého svazu stavebních inženýrů: Geotechnika jako významná oblast stavebnictví zkoumá vlastnosti zeminového a horninového prostředí, interakci tohoto prostředí s novými stavebními objekty, resp. jejich využitelnost jako konstrukčního materiálu.

3 Inženýrské obory geotechniky geologie, inženýrská geologie a hydrogeologie - geomechanika jako zvláštní obor mechaniky - mechanika zemin - mechanika skalních hornin mechanika sněhu a ledu

4 Inženýrské obory geotechniky nauka o zakládání staveb nauka o způsobu výstavby podzemních staveb geotechnika životního prostředí (environmentální geotechnika)

5 Problémy mechaniky zemin 1. Problémy stability se zabývají úplnou a náhlou ztrátou únosnosti zeminy nebo stability zemního tělesa. 2. Problémy deformace a)deformace pružná (elastická) a trvalá (plastická). U zemin nejčastěji uvažujeme deformaci celkovou. b) Změna objemu deformace zeminy je závislá na čase

6 Horniny jsou přírodní minerální seskupení různého složení a struktury, které vznikly působením geologických procesů. Horniny nezpevněné nebo slabě zpevněné se označují jako zeminy Zpevněné horniny jsou horniny skalní nebo poloskalní. Na charakter zemin a jejich chování má vliv zvětrávání, způsob transportu a ukládání, sedimentace. denudace tvorba sedimentů

7 Rozdělení hornin VYVŘELÉ USAZENÉ hlubinné, - výlevné - žilné METAMORFOVANÉ

8 Zemina Zemina vzniká rozkladem hornin, v mechanice zemin se nepracuje s půdou, ta se pokládá za organickou zeminu.

9 4 základní procesy Denudace (různé typy zvětrávání- fyzikální, chemické) Transport a ukládání Sedimentace (přeměna ve skalní horninu) Pohyb zemské kůry (pozvolné či náhlé zemětřesení)

10 Vznik zemin HORNINY Vyvřelé Přeměněné Sedimentární Mechanické zvětrávání (hrubozrnné z.) Chemické zvětrávání (Jemnozrnné z.) 1- Klimatické vlivy Telota a deště 2- Odprysky (Vůlivem napětí v masivu) 3- Zvětrávání Gravitace, vítr, voda led 4- Organická činnost (kořeny, hmyz, červi) 1- Oxidace 2- Vymývání 3- Hydrolýza 4- Rozpouštění Zemina Vznikly na místě rozpadu horniny (in situ ). Residuální zeminy mají have geomorfologické vlastnosti blízké matečné hornině Residuální Zeminy UTVÁŘENÍ ZEMINY Transportované zeminy 1- Gravitací Deluvia 2- Vodou Aluvia 3- Větrem Váté 4- Ledem Ledovcové

11 Zeminy dle vzniku Reziduální zeminy (eluvia) vznikly zvětráním a nebyly transportovány Transportované zeminy Deluvia gravitační projevy na svazích (svahové z.) Aluvia zeminy transportované vodou

12 Detrakce ledovcová abraze Ledovcová zemina

13 Váté zeminy

14 Reziduální zeminy

15 Rozdělení zemin podle vzniku podle velikosti zrn podle namrzavosti podle soudržnosti podle rozpojitelnosti podle vhodnosti do násypu podle vhodnosti do podloží vhodnépro stavební účely podle zhutnitelnosti

16 Rozdělení podle těžitelnosti Třída I: těžba je prováděna běžnými výkopovými mechanismy (buldozery, rypadla, ručně prováděné výkopy) Třída II: pro těžbu a rozpojování zemin a hornin je nutné použít specielní rozpojovací mechanismy (rozrývače, skalní lžíce, kladiva) Třída III: k rozpojení jsou nutné trhacípráce

17 Rozdělení podle rozpojitelnosti 7 tříd lehko rozpojitelné měkké konzistence lehko rozpojitelné tužší konzistence středně rozpojitelné soudržné, těžko rozpojitelné lehko rozpojitelné rozrušovacími nebo trhacími pracemi těžko rozpojitelné trhacími pracemi velmi obtížně rozpojitelné trhacími pracemi

18 Lehko rozpojitelné měkké konzistence: ornice, hlína, písčitá hlína, písek kyprézeminy, písek, štěrkopísek s drobnými zrny, stavební odpad

19 Lehko rozpojitelné tužší konzistence ornice, hlína, písčitá hlína, písek Ulehlé zeminy se štěrkovými zrny, písčitý štěrk se zrny do 10 cm

20 Středně rozpojitelné: Pevné tvrdé konzistence, ornice, hlíny, Písčité hlíny, Ulehlé zeminy, hrubý písčitý štěrk, hrubý štěrk

21 Soudržné, těžko rozpojitelné: Pevné a tvrdé konzistence, jíl, jílové hlíny, Prachové hlíny, štěrk cm, zeminy s balvany, poloskalní navětralé materiály břidlice, opuky, zvětralé vápence.

22 Lehko rozpojitelné rozrušovacími nebo trhacími pracemi: hrubý štěrk, středně hrubý a hrubý štěrk s jílovitými a hlinitými tmely, písčité a jílovité břidlice, navětralé žuly, ruly andezity a pískovce

23 Těžko rozpojitelné trhacími pracemi: horniny s balvany nad 0,1 m 3, zčásti zdravé skalní materiály žuly, ruly andezity a pískovce

24 Velmi obtížně rozpojitelné trhacími pracemi Zdravé skalní masivy křemence, křemité žuly, ruly, čediče a podobně

25 Vhodnost zemin pro stavební účely NEVHODNÉ jemnozrnné zeminy Písčitoštěrkovité s velmi malou příměsí kamenité a balvanité frakce PODMÍNEČNĚ NEVHODNÉ kamenivo, balvany s nedostatečnou výplní mezer a dutin

26 Vhodnost zemin pro stavební účely PODMÍNEČNĚ VHODNÉ spraše, Sprašové hlíny VHODNÉ zeminy dobře zrněné, mezery jsou vyplněny jemnozrnnou frakcí

27 Zeminy jako 3 fázové prostředí Zrna Vzduch Voda

28 Struktura zemin MAKROSTRUKTURA - Velké měřítko, sledujeme texturu zeminy - vrstvičky zemin, trhliny a místa oslabení MIKROSTRUKTURA - malé měřítko, sledujeme strukturu ojedinělých zrn - hlavně jílovitých minerálů a jejich spojování

29 Jílové částice v elektronickém mikroskopu Jíl (30000x) Písek (2000x)

30 Složení jílových minerálů Jílové minerály se skládají ze dvou odlišných prvků křemíku a hliníku Čtyřstěn křemíku Osmistěn hliníku

31 Jílové minerály Vrstvy čtyřstěnů a osmistěnů tvoří jednotlivé jílové minerály, jejich vazby ovlivňují chování jílů

32 Druhy jílových minerálů Kaolinit (barvy, farmacie) Illit Montmorillonit Bentonit (stavebnictví)

33 Quick clays Quick jíly (sensitivní) vlhkost větší než 100% a cementaci vnitřních vazeb. Při porušení vnitřních vazeb vyplavením solí dojde k jejich plnému z t e k u c e n í b ě h e m okamžiku. Jílové částice Voda

34 Tekuté písky Pozor na nakypřené písčité a prachovité zeminy pod hladinou vody mohou se chovat jako tzv. tekuté písky (vliv dynamického namáhání)

35 Metody pro identifikaci a popis zeminy Zrnitostní analýza Stanovení tvaru částic Stanovení minerálního složení Stanovení obsahu jemnozrnné frakce Stanovení barvy zeminy Stanovení pevnosti v suchém stavu Stanovení dilatance

36 Metody pro identifikaci a Stanovení plasticity popis zeminy Stanovení obsahu písku, prachu a jílu v zeminách Stanovení obsahu uhličitanů Stanovení obsahu organických látek Obsah vulkanických látek Stanovení konzistence

37 Klasifikace zemin vždy na základě laboratorních (fyzikálně indexových) zkoušek. nejběžnější pojmenování je na základě velikosti částic.

38 Klasifikace zemin Snaha o jednotnou klasifikaci mezinárodně nejrozšířenější klasifikace USCS (Unified Soil Classification System)

39 Klasifikace zemin ČSN Základová půda pod plošnými základy (od roku 2100 neplatná) Modifikace USCS (Unified Soil Classification System)

40 Klasifikace zemin EN ISO Geotechnický průzkum a zkoušení Pojmenování a zatřiďování zemin, platná od června 2003, není závazná Část 1: Pojmenování a popis (ISO :2002) Část 2: Zásady zatřiďování a kvantifikace popisných vlastností EN ISO

41 Zrna zeminy Zemina obsahuje částice od 1x10-3 až po 1x10 3 mm. Tvar částice se nahrazuje náhradním průměrem d (předpokládá se koule) Podle náhradního průměru rozeznáváme frakce zeminy

42 Frakce zeminy (velikost zrn) dle ČSN

43 Frakce zemin dle EN ISO

44

45 Křivka zrnitosti - definice Je součtová čára, jejíž každý bod udává kolik procent z celkové hmotnosti vzorku činí hmotnost všech zrn menších než určitý průměr zrna d v mm.

46 K čemu křivka zrnitosti slouží Pro klasifikaci zemin Pro určení propustnosti zemin Pro určení namrzavosti zemin Určení vhodnosti zeminy do drenáží Určení vhodnosti zeminy do betonu

47 Zkoušky pro určení křivky Sítový rozbor (prosévací) Pro zrna > 0,06 mm Výsledkem jsou zbytky na sítech, propady v % musím dopočítat

48 Zkoušky pro určení křivky Hustoměrná metoda - na základě Stokesova zákona určím zastoupení částic

49 Zrnitostní křivka

50 Charakteristiky křivky Důležité u nesoudržných zemin Číslo nestejnozrnitosti d x průměr zrn připadající x% propadu zrn

51 Určení dx

52 Rozsah čísla nestejnozrnitosti C u < 5 stejnozrnná zemina C u = 5 15 středně nestejnozrnná zemina C u > 15 nestejnozrnná zemina C u = 6 C u = 4 pro písky pro štěrky

53 Charakteristiky křivky Číslo křivosti (charakterizuje přibližně tvar křivky zrnitosti) C C = 1 3 Zeminy s hodnotami C c v rozsahu 1 až 3 a číslu nestejnozrnitosti C u > 5 považujeme za dobře zrněné

54 KRITERIUM NAMRZAVOSTI podle zrnitosti zemin ČSN

55 ČSN skupina F zeminy jemnozrnné (8 tříd F1 až F8) skupina S zeminy písčité (5 tříd S1 až S5) skupina G zeminy štěrkovité (5 tříd G1 až G5)

56 Symboly jemnozrnné zeminy F (fine soil) jíl C (clay) hlína M (mould) hrubé zeminy písek S (sand) štěrk G (gravel) velmi hrubé zeminy kameny Cb (cobbles) balvany B (boulders)

57 Trojúhelníkový diagram

58 UPŘESNĚNÍ NÁZVU ZEMINY a) soudržné zeminy Casagrande zjistil, že vlastnosti zemin jsou podmíněny polohou v diagramu I P. w L, který dostal název diagram plasticity a vešel jako klasifikační základ pro soudržné zeminy do většiny klasifikačních systémů Čára A má rovnici I p = 0,73 (w L 20)

59 Nad čarou A se nachází zeminy s výrazně plastickými vlastnostmi-jíly Podle hodnoty w L přidáme k základnímu symbolu doplňující symbol vyjadřující plasticitu zkoumané zeminy L, I, H, V, E

60

61 b) nesoudržné zeminy u nesoudržných zemin z čísla nestejnozrnitosti a čísla křivosti, upřesníme W dobře zrněné C u > 5, C c = 1 3 P špatně zrněné nejsou splněné podmínky pro W

62 Evropská norma EN ISO Geotechnický průzkum a zkoušení Pojmenování a zatřiďování zemin Norma umožňuje předběžné pojmenování a popis na základě určení vlastností a chování zemin in situ přesnější pojmenování na základě laboratorních zkoušek (především zrnitosti a konzistenčních mezí, ale také na základě stanovení mineralogického složení a organických příměsí)

63 Velikost zrn je základním parametrem pro pojmenování zemin. Zeminy se rozdělují podle frakce na zeminy: - velmi hrubozrnné - hrubozrnné - jemnozrnné

64

65 Smíšené zeminy Zeminy smíšené se skládají z hlavních a druhotných frakcí Hlavní frakce Hlavní hmotnostní frakce předurčuje inženýrské vlastnosti zeminy. V názvu je hlavní frakce uváděna velkými písmeny (včetně rozlišení hrubozrnný, střednězrnný, nebo jemnozrnný materiál označení jedním velkým písmenem). Názvy frakcí zemin mají vždy dvě písmena. V případě hlavní frakce je první písmeno velké, druhé malé např. jemnozrnný prach FSi.)

66 Druhotné frakce Druhotné a další frakce nejsou určující, ale ovlivňují inženýrské vlastnosti zemin. Druhotné frakce, jako přídavná jména, musí být napsány malými písmeny společně s názvem popisujícím hlavní frakce v pořadí jejich významu: hrubě písčitý jemný štěrk (coarse sandy fine gravel) csafgr

67 jemně štěrkovitý hrubozrnný písek (fine gravelly coarse sand) fgrcsa prachovitý jemný písek (silty fine sand) sifsa jemně štěrkovitý, hrubozrnně písčitý prach (fine gravelly, coarse sandy silt) fgrcsasi

68 Klasifikace na základě zrnitosti se provádí dle následujícího diagramu:

69 Fáze v zemině Pevná fáze (zrna) Kapalná a plynná (voda a vzduch v pórech)

70 Vzájemné poměry fází

71 3 poměry objemů (1) Číslo p=orovitosti e (dáno desítkově, 0.65) e = Celkový objem po rů ( V ) Celkový objem pevné fáze ( V ) (2) Pórovitost n (dána procentně, 65%) pro e = 1 je n = 50% n = Vs e e = V (1 + e) 1+ e s (3) Stupeň nasycení S r (dán desítkově, 0,25) S = p Celkový objem po rů ( V p ) n = 100% Celkový objem vzorku ( V ) Objem vody ve vzorku ( Vw ) Celkový objem po rů ( V ) p s

72 3 poměry objemů (1) Číslo p=orovitosti e (dáno desítkově, 0.65) e = Celkový objem po rů ( V ) Celkový objem pevné fáze ( V ) p s

73 Stupeň nasycení - saturace Dělení zemin dle S r : vysušené - S r = 0,0 suché - S r = 0 až 0,22 zavlhlé - S r < 0,25 vlhké - S r = 0,25 až 0,80 velmi vlhké - S r > 0,80 vodou nasycené - S r = 1,0 Saturace je důležitá při určování stability svahů a podzemních stavbách

74 Stupeň nasycení saturace (2) Stabilita svahů je významně ovlivněna povrchovou vodou.

75 Pórovitost Pórovitost písků bývá %, tedy nižší než u hlín a jílů, kde je %, i když póry v písku jsou větší. Aplikace: změny objemu při posunu zrn e = 0.91, Kontraktance e = 0.65, Dilatance

76 Pórovitost (2) Zemina Číslo pórovitosti Pórovitost [%] Obj. tíha suché zem. e max e min n max n min γ dmin γ dmax Stejnozrnný písek 1,0 0, ,0 18,5 Prachovitý písek 0,90 0, ,7 20,0 Hrubozrnný písek 0,95 0, ,4 21,7 Štěrk 0,85 0, ,0 22,9

77 Pórovitost (4) A) e = 0.91 Ucpání Malá částice nemůže projít skrz pór B) e = 0.65

78 Obsah vody v zemině Vlhkost (hmotnostní) w (dána procentně ) Hmotnost vody ve vzorku ( M v) w = 100% Hmotnost vzorku vysušeného ( M ) Pro některé organické zeminy w>100% až do 500 % Pro quick jíly (sensitivní), w>100% Hustota vody (závisí na teplotě) s

79 Hustota (měrná hmotnost) udává množství látky čili míru setrvačnosti tělesa. Hustota je všude stejná. Hustota, tíha Hmotnost (Hmota) zákl. fyz. veličina, učuje se vážením (porovnání tíhových účinků) Tíha je síla, gravitace působící na těleso. Hodnota není stejná pro g všechna místa (Newtonův druhý zákon γ = ρ g = ρ F = ma) γ = Objemová tíha se používá častěji než hmotnosti (např. výpočet tíhy nadloží) Hustota, ρ = Hmotnost Objem Tíha Hmotnost g Objemová tíha, γ = = Objem Objem : gravitační zrychlení Voda, m sec kn m 3 2

80 Hmotnosti zeminy a. Objemová hmotnost suché zeminy ρ = d Hmotnost pevných částic( M s ) Celkový objem vzorku ( V ) b. Objemová hmotnost zeminy v přirozeném uložení (0%<S<100%, Nenasycená) ρ = Hmotnost vzorku ( Ms + Mw) Celkový objem vzorku ( V ) c. Objemová hmotnost plně nasycené zeminy (S=100%, V a =0) ρ sat = Hmotnost pevných částic + vody ( Ms + Mw) Celkový objem vzorku ( V ) d. Objemová hmotnost zeminy pod hladinou vody ' ρ = ρ sat ρ w

81 Hmotnosti zeminy 2 Objemová tíhy zeminy pod hladinou vody: γ' = γ sat γ w Archimedův zákon: Vztlaková síla působící na ponořené těleso je rovna tíze kapaliny vytlačené tělesem. Hustota pevných částic (měrná hmotnost pevných částic): M s ρ s = Vs Měrná tíha pevných částic: γ s = ρs g

82 Vlastnosti

83 Zeminy nesoudržné charakteristiky Index ulehlosti I d I d <0 u nezhutněných zmrzlých písků I D = e e max max e e min I d >1 narušená eluvia žuly, která nebyla přemístěna e - číslo pórovitosti min nejtěsnější uložení max nejkypřejší uložení

84 Rozsahy I d Id Stav 0 1/3 kyprý 1/3 2/3 středně ulehlý 2/3 1 ulehlý

85 Zeminy soudržné - charakteristiky I c stupeň konzistence Charakterizuje číselně konzistenšční stav I C = w w L L w w P

86 Stupeň konzistence - rozsahy Ic konzistence > 1 pevná tvrdá 1 0,5 tuhá 0,5 0,05 měkká < 0,05 kašovitá - tekutá

87 I P určuje plasticitu zeminy Index plasticity I = w w P L P Plasticita Symbol Mez tekutosti nízká L w L 35 % střední I w L = % vysoká H w L = % velmi vysoká V w L = % extrémně vysoká E w L 90 %

88 Příklad průměr 1 zrna Zrnitostní zbytek na sítu celkem křivka propad 30 g zeminy [mm] [g] [g] propad [%] d ,67 d ,64 d 60 0,5 1,55 C u 0,25 5,69 C c 0,125 6,24 0,044 40,60 0,014 26,50 0, ,20 0, ,60

89

90 Zrnitostní křivka

91 Charakteristiky křivky Číslo nestejnozrnitosti d x průměr zrn připadající x% propadu zrn < 5 stejnozrnné > 15 nestejnozrnné

92 Charakteristiky křivky Číslo nestejnozrnitosti d x průměr zrn připadající x% propadu zrn < 5 stejnozrnné > 15 nestejnozrnné

93 Číslo křivosti Charakteristiky křivky

94