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

Transkript

1 Zdroje osobní stránky Vaníček: Mechanika zemin, ČVUT Verruijt: Soil Mechanics Časopis Geotechnika, Tunel

2 Mechanika zemin 1. Vznik zemin, fáze zeminy, půdně mechanické vlastnosti, obsah pevné fáze (složení - velikost částic), mineralogické složení, tvar zrn, 2. Křivka zrnitosti, indexové vlastnosti zemin, klasifikační systémy 3. Voda v zemině, propustnost zemin, síly mezi kapalnou a pevnou fází, struktura zemin, Darcyho zákon, proudový tlak

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

4 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 Gravtace, vítr, voda led 3- 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

5 4 základní procesy Denudace (různé typy zvětrávání- fyzikální, chemické) Transport a ukládání Sedimentace (přeměna ve skalní horninu) Pohyb zemské kůry (pozvolné či náhlé zemětřesení)

6 Vznik zemin Cyklus tvorby zemského povrchu v geologickém času

7 Zvětrávání Fyzikální redukuje velikost částic, zvyšuje povrchovou plochu a pórovitost, např změna teploty, vliv ledu apod. Chemické závisí na přítomnost vody, je nutná hydratace (povrchová absorpce vody), rozlišujeme hydrolýzu, výměnu kationtů, oxidaci, rozpouštění atd. Klima vliv podnebí, topografie, biologických faktorů

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

9 Detrakce ledovcová abraze Ledovcová zemina

10 Váté zeminy

11 Reziduální zeminy

12 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

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

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

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

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

17 Kaolinit Se významně podílí na smršťování a bobtnání zemin

18 Disperzní struktura Umělý stav pomocí chemických látek, výslednice všech sil je záporná, kontakt stěna - stěna

19 Flokulace Sedimentace v moři, výslednice všech sil je kladná, kontakt hrana - stěna

20 Aplikace U jemnozrnných zemin voda velice ovlivňuje jejich vlastnosti Příklad Quick jíly (sensitivní) vlhkost větší než 100% a cementaci vnitřních vazeb. Při porušení vnitřních vazeb vyplavením solí dojde k jejich plnému ztekucení během okamžiku. Jílové částice Voda

21 Zeminy jako 3 fázové prostředí Zrna Vzduch Voda

22 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

23 Frakce zeminy (velikost zrn)

24 Křivka zrnitosti 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.

25 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

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

27 Zkoušky pro určení křivky Hustoměrná metoda Na základě Stokesova zákona určím zastoupení částic

28 Zrnitostní křivka

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

30 Určení dx

31 Číslo křivosti Charakteristiky křivky

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

33 Vzájemné poměry fází

34 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 ) n = p 100% Celkový objem vzorku ( V ) Objem vody ve vzorku ( Vw ) Celkový objem po rů ( V ) p s

35 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

36 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

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

38 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

39 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

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

41 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

42 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 zákonγ = 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

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

44 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 Měrná tíha pevných částic: γ ρ = ρ s s = s g V s s

45 Vlastnosti

46 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

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

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

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

50 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 %

51 Příklad průměr1 zrnazrnitostní zbytek 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

52

53 Zrnitostní křivka

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

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

56 Číslo křivosti Charakteristiky křivky

57