VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ LUMÍR MIČA ZEMNÍ KONSTRUKCE MODUL CF01- M01 STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA
Zemní knstrukce Mdul CF01-M01 Lumír Miča, Brn 2007-2 (175) -
Obsah OBSAH 1 Úvd...5 1.1 Cíle...5 1.2 Pžadvané znalsti...6 1.3 Dba ptřebná ke studiu...6 1.4 Klíčvá slva...6 2 Rzdělení zemních knstrukcí...7 3 Getechnický průzkum...12 3.1 Dpravní stavby...13 3.2 Vdhspdářské stavby...15 3.2.1 Přehradní míst...15 3.2.2 Přehradní nádrž...16 3.3 Eklgické stavby...17 3.4 Shrnutí...17 4 Materiál zemních knstrukcí...18 4.1 Zemina nezlepšená/zlepšená...20 4.1.1 Zrnitst...22 4.1.2 Hustta, bjemvá tíha...24 4.1.3 Knzistenční meze a diagram plasticity...24 4.1.4 Charakteristiky stavu zeminy...26 4.1.5 Struktura zemin...26 4.1.6 Tuhst defrmační charakteristiky...27 4.1.7 Pevnst...31 4.1.8 Prpustnst...34 4.2 Kamenitá sypanina...35 4.3 Druhtné surviny...36 4.4 Lehké materiály...37 4.5 Ostatní materiály...39 4.6 Shrnutí...40 5 Mdifikace vlastnstí zemin...41 5.1 Předknslidace...43 5.1.1 Předtížení...44 5.1.2 Vakuvání...48 5.2 Vertikální drény...50 5.3 Stabilizace...62 5.3.1 Hlubkvá stabilizace...62 5.4 Zhutňvání...73 5.4.1 Pvrchvé zhutňvání...73 5.4.2 Hlubkvé zhutňvání - Hlubkvé dynamické zhutňvání80 5.4.3 Zhutňvání hlubkvu vibrací...89 5.5 Vyztužvání...92 5.5.1 Štěrkvé pilíře...93-3 (175) -
Zemní knstrukce Mdul CF01-M01 5.5.2 Vyztužvání zemin gesyntetiky... 110 5.6 Shrnutí... 141 6 Obecné zásady návrhu zemníh tělesa... 144 6.1 Getechnická kategrie... 144 6.2 Getechnické vlastnsti materiálů... 145 6.3 Stabilita a defrmace... 146 6.4 Návrh zemní knstrukce... 151 6.4.1 Observační metda... 152 6.4.2 Matematické mdelvání... 153 6.5 Shrnutí... 170 7 Literatura... 171 7.1 Seznam pužité literatury... 171 7.2 Seznam dplňkvé studijní literatury... 174 7.3 Odkazy na další studijní zdrje a prameny... 174-4 (175) -
Úvd 1 Úvd Při psaní skript zemních knstrukcích jsem se velmi dluh zamýšlel nad tím, jak definvat tut blast getechniky. Pdíváme-li na zemní knstrukce z blízka, tak zjistíme, že se prlínají skrz celu getechniku. Pracujeme zde se zeminu, hrninu resp. s geamteriálem. Prt musí mít stavební inženýr velmi dbré znalsti z mechaniky zemin a hrnin. Samtná zemní knstrukce se uplatňuje v zakládání staveb či v pdzemních stavbách. Zde se však jedná nepřímu vazbu. Uděláte-li si průřez dbrnu literatuře, pak můžete samzřejmě namítnut, že infrmace, které jsu v těcht učebních textech jsu i tam. T je sice pravda, ale na druhu stranu se však nejedná pdrbné infrmace a čitatel si udělá puze hrubý braz daném prblému. A t byl z jedním důvdů, prč se autr rzhdl napsat tyt učební texty, prtže v sučasné dbě neexistuje ucelený text v České republice. Dalším důvdem je i ta skutečnst, že tyt knstrukce jsu tak trchu pmíjeny i když jejich rzsah přesahuje statní stavby a dá se s velku pravděpdbnstí usuzvat, že jejich mnžství bude v buducnu stále narůstat. Je ptřeba neustále dbudvávat dpravní infrastrukturu neb v důsledku klimatických změn dchází k záplavám a jedním z patření jsu prtipvdňvé hráze, pldry. Z další blastí, i když při prvním náhledu se zdá, že t se zemními knstrukcemi nemá nic splečnéh, jsu skládky kmunálníh dpadu. Pdívámeli se na daný prblém z jiné strany, tj. kam s ním, tak zjistíme, že musíme zbudvat skládku, cž není nic jinéh než zemní knstrukce. V předlžených učebních textech nejsu samzřejmě vyčerpána všechna témata, která se vztahují k zemním knstrukcím. Cílem autra je však pstupně tut prblematiku rzšiřvat, cž v rámci elektrnických textů je mnhem snadnější než je tmu u tištěných textů. Předkládaná skripta jsu určena především pr psluchače bru Knstrukce a dpravní stavby, i když v jedntlivých kapitlách je ve stručnsti pjednán i statních brech vdní stavby, eklgické stavby. Samzřejmě ppsané technlgie, návrhvé pstupy, lze využít i při navrhvání statních stavebních knstrukcí pzemních staveb bčanské bjekty, haly apd. 1.1 Cíle Cílem těcht skript je předlžit čtenářům publikaci, která shrnuje sučasné pznatky z tét blasti, a t d vlastnstí, přes navrhvání až p technlgickrealizační tázky. Předkládané studijní pry jsu rzděleny d pěti samstatných kapitl. První kapitla nemá žádnu dbrnu náplň a je jen puze úvdníkem k zemním knstrukcím. Druhá kapitla seznamuje čtenáře s rzdělením resp. klasifikací zemních knstrukcí dle různých kritérií. Třetí kapitla, i když jen velmi stručně, se věnuje gemateriálům, které se pužívají v zemních knstrukcích. Čtvrtá kapitla, nejrzsáhlejší, se zabývá jedntlivými technlgiemi, které se uplatňují v tmt bru. Účelem tét kapitly je pdat čtenářům infrmace jejich aplikvatelnsti, navrhvání a samtné technlgii prvádění. Pslední kapitla se zabývá v becné rvině navrhváním zemních kn- - 5 (175) -
Zemní knstrukce Mdul CF01-M01 strukcí. I když dílčí návrhy jsu již sučástí čtvrté kapitly, je cílem páté kapitly kmplexní phled na navrhvání a psuzvání zemních knstrukcí. 1.2 Pžadvané znalsti Mezi pžadvané znalsti patří základy gelgie, mechaniky zemin a stavební mechaniky získané během studia na vyské škle. 1.3 Dba ptřebná ke studiu Dba ptřebná ke studiu předmětu Zemní knstrukce je cca 52 hdin 1.4 Klíčvá slva gemateriál, úprava-zlepšvání-vyztužvání zemin, návrhvé pstupy, technlgie výstavby. - 6 (175) -
Rzdělení zemních knstrukcí č. 2 2 Rzdělení zemních knstrukcí Zemina jak stavební materiál služí lidem již dnepaměti. Buď ji pužívali pr výstavbu svých bydlí, neb se z ní vytvářeli pevnění klem těcht bydlí. Zemina však nebyla využívána jen jak stavební materiál, ale také jak knstrukční materiál. I v sučasnsti se můžeme stále ještě setkat s řadu staveb s dávné dby, kde základním knstrukčním matriálem je zemina. Jsu t například stavby, jejichž půvd se váže na nábženské představy dané dby například první pyramidy byly pstaveny z hlíny. Jiným příkladem je výstavba chranných neb přehradních hrází. První takvé stavby můžeme nalézt v Číně na Žluté řece, kde tvřily chranu prti pvdním. Zárveň z dchvaných záznamů vyplývá, že způsb ukládání zeminy d těcht hrází si v ničem nezadá s dnešními pžadavky. V histrických pramenech můžeme rvněž nalézt, že lidé se již v dávných dbách snažili zlepšit vlastnsti zeminy. Dkladem th je například pužití ráksu v zemních knstrukcích, cž vlastně předchází sučasnému vyztužvání pmcí gesyntetik či celvých pásků. Pužití zeminy jak knstrukčníh materiálu není jen tázku histrie, ale je důležitu sučástí dnešní dby. Důkazem th je i Česká republika, kde dchází rčně k zhutňvání stvek miliónů metrů kubických nejrůznějších gemateriálů. Největší pdíl připadá na stavby dpravní a vdhspdářské. Násypy, zásypy, bsypy a pdsypy tvří v brech inženýrskéh stavitelství asi 80% z celkvéh mnžství zhutňvaných gemateriálů, zbylá prcenta připadají na bry pzemníh stavitelství. Aplikace zeminy jak knstrukčníh materiálu samzřejmě s sebu nese ptřebu stále většíh pznání jejíh chvání. Z tht phledu můžeme vidět, že br mechanika zemin prdělal d svéh zalžení (K. Terzaghi /1883-1963/ zakladatel mderní mechaniky zemin) výrazný pkrk a v sučasné dbě jsu stavebním inženýrům k dispzici pznatky, které umžňují vybudvání eknmické a splehlivé knstrukce. Velkým přínsem je i rzvj mžnstí v mdelvání zemních knstrukcí, kdy vznikají mderní numerické metdy, které se snaží c nejreálněji pstihnut chvání zemin. V sučasné dbě je asi nejrzšířenější metda knečných prvků (MKP neb angl. FEM např. http://www.plaxis.cm/; ), existují však i další metdy, které se snaží mdelvat zeminu jak partikulární látku (PFC http://www.hcitasca.cm/pfc.html ) či jak diskrétní blky (UDEC - http://www.hcitasca.cm/udec.html ). Tyt metdy jsu zatím v praxi méně rzšířené v důsledku své nárčnsti při praktickém pužití. V nepslední řadě nelze pminut technlgicku tázku, která rvněž hraje významnu rli u zemních knstrukcí. S rzvjem technickéh pznání dšl k významnému psunu i v tét blasti. T se prjevil například ve vzniknu nvých způsbů zlepšvání zemin, pkládání gemateriálů apd. Na závěr je však nutn připmenut, že aby dšl k rzvji v jedntlivých blastech (vlastnsti, psuzení a technlgie), je nutné, aby mezi nimi neustále existvala zpětná vazba brázek 2.1. Nyní můžeme přistupit k základní definici zemní knstrukce. Definice - 7 (175) -
Zemní knstrukce Mdul CF01-M01 Zemní knstrukce je takvá knstrukce, kde základním knstrukčním materiálem je zemina/hrnina, a t jak bez zlepšení, tak se zlepšením. Zemní knstrukce je takvá knstrukce, kde základním knstrukčním materiálem je zemina/hrnina, a t jak bez zlepšení, tak se zlepšením. Chvání gemateriálu Technlgie Výpčet <Obr. 2.1> Klběh mezi gemateriálem, výpčtem a technlgií A c si představit pd knstrukcemi, které mají v názvu navíc slv zemní? Jak již byl řečen, největší uplatnění těcht knstrukcí je v dpravních, vdhspdářských a eklgických stavbách. Prt jedním z kritérií jejich rzdělení je dle typu stavby. Rzdělení zemních knstrukcí dle tht kritéria viz brázek 2.2. Dalším z kritérií může být například manipulvatelnst s materiálem. T znamená, zda knstrukce vznikla debráním či nasypáním materiálu. Rzdělení zemních knstrukcí dle tht kritéria je patrné z brázku 2.3. Samzřejmě lze jistě najít další kritéria jejich rzdělení neb dplnit již uvedené. V rganizačních diagramech ( brázek 2.2 a brázek 2.3 ) jsu uvedeny termíny či názvslví, které jsu spjaty se brem zemní knstrukce. Řada těcht termínů je určitě studentům stavebnictví dbře známa. Jsu však mezi nimi termíny, které jsu méně frekventvané. A prtže je důležité při vzájemné kmunikaci znát, c který termín vyjadřuje, budu v následujícím textu termíny uvedené v diagramech detailněji ppsány ppř. dplněny brázkem. - 8 (175) -
Rzdělení zemních knstrukcí č. 2 Rzdělení zemních knstrukcí dle typu stavby zemní knstrukce dpravní stavby (silnice, železnice) vdní stavby statní stavby násyp zářez, dřez přehradní sypaná hráz skládka prstý prstý chranná hráz dkaliště vrstevnatý vyztužený atd. výsypky ze zlepšené zeminy ktvami, hřebíky ulžiště vyztužený gabiny ze spraše a sprašvé hlíny z vátéh písku z kamenité a balvanité slžky z ppílku a ppela <Obr. 2.2> Rzdělení zemních knstrukcí dle typu stavby zemní knstrukce knstrukce vzniklé debráním materiálu knstrukce vzniklé nasypáním zeminy dřez násypvé těles hráze valy statní zářez stavební jáma silniční přehradní chranné / branné zemník železniční rybniční prtihlukvé vysýpka skládky prtipvdňvé atd. regulační atd. <Obr. 2.3> Rzdělení zemních knstrukcí dle manipulvatelnsti s materiálem Násyp - knstrukce vzniklá nasypáním gemateriálu a jeh následným zhutněním brázek 2.4. Základní rzdělení je na: Prstý z jednh druhu gemateriálu (nezlepšenéh - vhdnéh aneb velmi vhdnéh) Vrstevnatý (sendvičvý) střídání dvu typů gemateriálů (pddajnéh a ztužujícíh) Vyztužený kmbinace gemateriálu a výztužnéh prvku (především gesyntetikum) Vylehčený zde se již nemusí přím jednat gemateriál. V České republice je t např. LIAPOR (na přírdní bázi jíl) aneb EPS (extrudvaný plystyrén) - 9 (175) -
Zemní knstrukce Mdul CF01-M01 Někdy se lze setkat i s dělením typů násypů pdle materiálu, ze kteréh jsu knstruvány. Např. v nrmě ČSN 73 6133/1998, která se zabývá návrhem zemníh tělesa pzemních kmunikací, je samstatným typem násypu násyp ze spraše, vátéh písku, ppílku, ppele apd. NASYPANÝ MATERIÁL ROSTLÝ MATERIÁL <Obr. 2.4> Grafické znázrnění násypu Zářez / Odřez vzniká debráním rstléh materiálu ze dvu stran / jedné strany br. 2.5. Základní rzdělení je na: Prstý debrání materiálu bez ddatečných patření. Sklny svahů zářezu / dřezu musí být prvedeny tak, aby nedšl k jejich nestabilitě. Vyztužený v případě, že nelze prvést prstý zářez/dřez (mezený prstr, přitížení pvrchu zářezu apd.), je nutn navrhnut prvky, které zajistí jeh stabilitu. Ke zvýšení stability lze pužít celvé pruty (tzv. hřebíky) či tyčvé neb pramencvé ktvy. Prtže se jedná lkální prvky musí se dle typu materiálu zářezu dplnit patřičnými plšnými prvky (KARI síť se stříkaným betnem, železbetnvé prahy atd.). ODTĚŽENÝ MATERIÁL ROSTLÝ MATERIÁL ODTĚŽENÝ MATERIÁL ROSTLÝ MATERIÁL zářez dřez <Obr. 2.5> Grafické znázrnění rzdílu mezi zářezem a dřezem Sypaná přehradní hráz svým výsledným tvarem se pdbá násypu. Ve skutečnsti se jedná mnhem kmplikvanější knstrukci, prtže její hlavní náplní je zadržet vdní masu. Tmu dpvídá i její knstrukce (těsnící jádr, stabilizační část atd.) - brázek 2.6. - 10 (175) -
Rzdělení zemních knstrukcí č. 2 <Obr. 2.6> Přehradní sypaná hráz Skládka jedná se typ knstrukce, která služí k ukládání dpadu (kmunálníh, txickéh atd.). Skládka ve své pdstatě je ve většině případů tvřena zaizlvaným zářezem, d kteréh se umísťuje dpad. V případě, že je překrčena kapacita skládky, je mžné zbudvat bvdvé hrázky (charakter násypu) - brázek 2.7. NASYPANÁ ZEMINA PROSTOR SKLÁDKY ROSTLÁ ZEMINA <Obr. 2.7> Skládka Odkaliště je prstr, kde se prvádí dkalvání (usazváním) kalů vzniklých při úpravě uranvé rudy a dalších rud či elektrárenských vedlejších prduktů (ppílku, ppele, strusky atd.). Výsypka prstr, kam se ukládají nadlžní ppř. pdlžní zeminy. Rzeznává se vnější (mim prstr lmu) a vnitřní (ve vyrubaných prstrách dbývanéh lmu). Pdle způsbu ukládání zemin rzeznáváme buldzervu, rypadlvu, plavenu a zakládačvu. Úlžiště jedná se typ knstrukce, která služí k ukládání dpadu (txickéh, radiaktivníh apd.). Ve většině případů mluvíme hlubinném úlžišti. Kntrlní tázky Vyjmenujte zemní knstrukce dpravních staveb Vyjmenujte zemní knstrukce vdhspdářských staveb Vyjmenujte zemní knstrukce eklgických staveb Jak rzdělujeme zářez? C t je vyztužený zářez? Jak se liší zářez d dřezu? Je pvlen přetěžení paty zářezu? Jak se liší zářez d dřezu? - 11 (175) -
Zemní knstrukce Mdul CF01-M01 3 Getechnický průzkum Cílem tét kapitly není pdrbný ppis GP, ale nastínění (připmenutí) čtenářům, na c je ptřebné se sustředit při zpracvávání pdkladů pr GP resp. c je úklem GP. Pdrbnější infrmace pak může čtenář získat např. v následujících publikacích (Záruba, Mencl, 1974; Hrák, Pspíšil&Paseka, 2004). Getechnický průzkum (GP) je prces nutný pr zajištění pdkladů pr uspkjivý návrh a realizaci zemní knstrukce. Na základě getechnickéh průzkumu je mžné definvat vlastnsti zemin na lkalitě a t jak pr jejich pužití přím v pdlží neb ve frmě vytěžené zeminy, která se pužije v nvě budvané zemní knstrukci. Základním úklem getechnickéh průzkumu je bjasnit a zhdntit inženýrsk-gelgické a hydrgelgické pměry na řešeném území, ppřípadě vytipvat ptenciální lkality, ze kterých je mžné pužít zeminu či hrninu pr zemní knstrukce, které se budu stavět v její blízksti. GP je nutné směřvat již d jeh pčátku tak, aby c nejvhdněji ppsal danu lkalitu a značil prblematická místa, která by měla být pdrbena důkladnějšímu przkumání v dalších fázích průzkumu. Z tht důvdu členíme getechnický průzkum dle míry pdrbnsti d následujících etap: rientační průzkum předběžný průzkum pdrbný průzkum dplňkvý průzkum getechnické sledvání stavby Orientační průzkum je určen ke stanvení základních dat inženýrskgelgických (IG) pměrech lkality pr územně plánvací dkumentaci a zhdncení její vhdnsti pr předpkládaný technický záměr. Prvádí se v rámci zpracvání studie a jeh výsledky služí pr rzhdnutí umístnění bjektu a vytipvání prblematických míst vyžadujících detailnější zkumání. Výsledky rientačníh průzkumu vychází z rešerše archivních a prezentvaných údajů či z využití výsledků základníh gelgickéh průzkumu a dřívějších průzkumných prací, které lze získat na Gefndu České republiky. Z hlediska průzkumných prácí se využívá zvláště nepřímých metd gefyzikální prspekce či letecké snímkvání. Předběžný průzkum je zaměřen na bjasnění IG, hydrgelgických (HG) pměrů a technické realizvatelnsti stavebníh záměru. Výsledky jsu pdkladem pr zpracvání dkumentace pr územní rzhdnutí. Naplní tét fáze průzkumných prací je dplnění infrmací z rientačníh průzkumu z nvě dstupných pdkladů, ppis IG pměrů dle přirzených či umělých dkryvů a gedynamických jevů. Dále sem patří dkryvné práce, dběry vzrků zeminy a pdzemní vdy. Odběr vzrků by měl dpvídat rzsahu psuzvané lkality tak, aby reprezentvaly hrninvé prstředí, které bude dtčen nvě budvaným bjektem. Předmětem pdrbnéh průzkumu je stanvit c nejkmpletnější data IG a HG pměrech, které jsu pdkladem pr psuzení jedntlivých bjektů. - 12 (175) -
Getechnické průzkum č. 3 V tét fázi jsu prváděny dkryvné práce se systematickým dběrem vzrků hrnin a vdy pr labratrní zkušky. Výsledkem je suhrnný braz IG a HG pměrech zájmvéh území splu s gemechanickými vlastnstmi vyskytujících se hrnin. Dplňkvý průzkum, jak již vyplývá z názvu, dplňuje výsledky pdrbnéh průzkumu a dále řeší dílčí prblémy, který vyplynu p dknčení pdrbnéh průzkumu neb nastanu během prvádění stavby. Jedná se dplnění údajů, které se týkají změny v prjektu (změna způsbu prvedení apd.) aneb nečekávané změny IG pměrů během výstavby, ppř. dplnění infrmací pr technlgii zemních a skalních prací či speciálních metd zakládání. Je především sučástí nárčnějších knstrukcí či prblematičtějších míst. Getechnické sledvání stavby se týká skutečnsti, že ani nejpdrbnější průzkum nezajistí dknalý ppis zkumané lkality, prtže průzkumné práce nemhu zcela pstihnut nehmgenitu gelgickéh prstředí. V rámci tét fáze se prvnávají dsavadní výsledky s realitu na lkalitě a případné dlišnsti se řeší pmcí dplňkvéh průzkumu. Dá se říci, že tat činnst spadá pd tzv. getechnický dzr. Mezi další náplně getechnickéh sledvání stavby je pzrvání chvání navržené knstrukce getechnický mnitring. 3.1 Dpravní stavby Dpravní stavby svým charakterem patří převážně mezi linivé stavby. T má za následek, že díl prchází různrdými IG a HG pměry. Dalším specifikem dpravních staveb je, že hrninvé prstředí je sučástí knstrukce (násyp, zářez), a prt má zde velmi mimřádný význam getechnika. Aby byl mžné realizvat splehlivu knstrukci, je nutné si především všímat následujících údajů: Stabilita území resp. stabilita zemníh tělesa Únsnst pláně případně její změny Vhdnst výkpku pr sypaninu ppř. vyhledat vhdné zemníky Dále se nesmí pminut u násypu únsnst pdlží a v případě nevyhvující únsnsti navržení sanačních patření (viz. Kapitla 5). Z hlediska pužitelnsti zemin/hrnin se psuzuje vhdnst d pkladu vzvky, aktivní zóny pdlží, sanačních vrstev a d násypu jak sypanina. Z hlediska jedntlivých etap průzkumných prací pr dpravní stavby jsu základní pžadavky shrnuty v následujících bdech: Orientační průzkum: Účel: Pr zpracvání studie Pr rzhdnutí vedení trasy Vytipvání prblematických míst Getechnické zkušky a měření: Gefyzikální - 13 (175) -
Zemní knstrukce Mdul CF01-M01 Předběžný průzkum: Účel: Pr dkumentaci územním rzhdnutí (DÚR) Psuzení trasy z hlediska IG, HG pměrů a realizvatelnsti a t: Zhdncení pužitelnsti hrnin z trasy sypanina, materiál d vzvky apd. Rzpjitelnst hrnin (3 třídy), vrtatelnst Režim pdzemní vdy Getechnické zkušky a měření: Terénní zkušky a měření - dynamická či statická penetrace, presimetrická měření apd. Labratrní zkušky určují se ppisné vlastnsti Gefyzikální průzkumné práce rientační Hydrgelgická měření - pzrvací vrty (sezónní záměry) Psudky: Orientační výpčet stability svahů zářezu (metda mezní rvnváhy) Pdrbný průzkum: Účel: Pr dkumentaci pr stavební pvlení (DSP) Získání c nejúplnějších infrmací IG, HG pměrech a t: Objasnění základvých pměrů (gemechanické vlastnsti). Dplnění infrmací : Technlgických vlastnstech hrnin Pdzemní vdě režim, chemismus Getechnické zkušky a měření: Terénní zkušky a měření vrtné práce, Labratrní zkušky určují se gemechanické vlastnsti Gefyzikální průzkumné práce rientační Hydrgelgická měření - pzrvací vrty (min. 1 hydrlgický rk) ppř. hlubka hladiny pdzemní vdy Psudky: Orientační výpčet sedání a u nárčnějších úseků psuzení stability pmcí sfistikvanějších metd (metda knečných prvků) Dplňkvý průzkum: Účel: - 14 (175) -
Getechnické průzkum č. 3 Pr dkumentaci pr zadání stavby (DZS) resp. realizace stavby (RDS) Dplnění infrmací IG, HG pměrech Getechnické zkušky a měření viz. Pdrbný průzkum Psudky: Psuzení prblematičtějších míst pmcí sfistikvanějších metd (metda knečných prvků) Getechnické sledvání stavby: Účel: Prvádí se u hlubkých zářezů, vyských násypů či míst se sanačními patřeními a zakládání mstních bjektů Prvnávají se dkumentvané infrmace se skutečnstí Getechnický dzr přizvání infrmací prvedené stavbě apd. Getechnický mnitring: C sledujeme časvý průběh sedání, disipace pórvých tlaků, přetváření knstrukcí Čím sledujeme gedetická měření, mechanická měřidla či elektrnická zařízení Pdrbnější infrmace getechnickém průzkumu dpravních staveb lze získat v Technických pdmínkách (TP 76, 2001) neb předpisu ČD S4 Železniční spdek. 3.2 Vdhspdářské stavby Z vdhspdářských staveb jsu nejvýznamnější přehrady. Z hlediska zemních knstrukcí jsu t pak sypané hráze. Nelze však pminut i další typy knstrukcí, jak jsu prtipvdňvé hráze, kanály apd. Jedná se velmi rzsáhlá díla, která jsu nárčná na kvalitu pdlží, ale i materiál pr hráz. Prt je nutné velmi pdrbně przkumat předmětnu lkalitu a tak vytvřit pdklady pr zajištění splehlivsti knstrukce, pněvadž destrukce tét knstrukce by měla nejen nedzírné následky eknmické, ale ve většině případů by byly hrženy lidské živty. Při vyšetřvání IG a HG pměrů je nutné se sustředit na pdmínky v místě přehrady (tzv. přehradní míst) a zátpvé blasti (tzv. přehradní nádrž). 3.2.1 Přehradní míst Metdy průzkumu: U dkryvných prací se pužívá především jádrvéh vrtání, kde je pžadvaný vyský výns jádra, ve vrtech se prvádí měření a zkušky. Velké uplatnění mají průzkumné štly a šachty, ve kterých se prvádějí přímá pzrvání. HG - 15 (175) -
Zemní knstrukce Mdul CF01-M01 průzkum je charakterizván řežimním pzrváním, čerpacími zkuškami, vdními tlakvými zkuškami atd. Psuzení IG pměrů: Při psuzvání IG pměrů se zaměřujeme na následující pdmínky: neprpustnst hrninvéh prstředí bční zavázání hráze stabilita únsnst stlačitelnst vhdná sypanina První pdmínka závisí na genezi hrninvéh prstředí (ulžení, plchy nespjitsti). Např. v pleistcénu dcházel k překládání kryta, a tím dcházel k ukládání štěrkpísků, které zde vytvřily terasy a ty byly následně překryty mladšími pkryvnými útvary, čímž může být narušena prpustnst hrninvéh prstředí. Obdbu jsu krasvá území. Nemusí t být však jenm přirzený vývj, ale i vliv lidské činnsti (stará báňská díla či lžiska survin). Tyt faktry však mají vliv také na stabilitu. Stabilita se psuzuje nejen u vlastní hráze, ale i údlních bků, kde dchází k zavázání hráze. Stabilita bků je nejnepříznivější během výstavby, p vybudvání hráze je samtná hráz stabilizuje. Z hlediska předpsledních dvu bdů se u sypaných hrází klade větší důraz na betnvé knstrukce, které by měly spčívat na zdravých, neprpustných hrninách. Vlastní těles hráze se ukládá na čištěnu základvu spáru, která se zhutní zpravidla stejným způsbem jak u vrstev vlastní hráze. 3.2.2 Přehradní nádrž Metdy průzkumu: Hlavní důraz je kladen chvání buducích břehů. Za tímt účelem se prvádí mapvání. Odkryvné práce se uskutečňují hlavně mělké vpichy, mělké šachtice, rýhy a rtační vrtání a situují se d míst, kde lze čekávat defrmace neb nestabilitu břehů. Psuzení IG pměrů: Při psuzvání IG pměrů se zaměřujeme na následující pdmínky u břehů: Neprpustnst Stabilita Mdifikace a dále na: zanášení nádrže změna hydrlgie v klí zatpení lžisek Při zanedbání zajištění neprpustnsti djde k únikům vdy z nádrže d klí. Prt je nutné zjistit, zda se zde nachází prpustné pkryvné útvary či plhy - 16 (175) -
Getechnické průzkum č. 3 předkvartetníh pdkladu aneb pískvce, zkrasvatělé vápence, uhelné slje apd. Velmi důležitá je stabilitní tázka, pněvadž napuštěním nádrže dchází významně ke změně pčátečních pdmínek v hrninvém prstředí. Dchází také ke klísání hladiny vdy v nádrži a vlnbití (pdemílání břehů). Nelze ani pminut mdifikaci terénu abraze. Vlivem abraze dchází k přetváření břehů a změně gemetrie nádrže, cž má vliv na přilehlé klí. 3.3 Eklgické stavby V nepslední řadě nelze vynechat blast týkající se skladvání dpadů a t d neškdných p velmi nebezpečné. Snahu člvěka je tyt látky kamžitě dstranit, ale ne vždy je t mžné, a prt je člvěk přinucen jej buď dčasně neb trvale skladvat. Skladvání dpadníh materiálu se ve většině případů se děje frmu řízené skládky. Řízené skládka je ve své pdstatě zemní knstrukce, prtže pr skladvání se využívají terénní deprese či využívají puštěné těžební jámy, lmy neb dly. V sučasné dbě se dává přednst tzv. převýšeným skládkám na neprpustném a stabilním pdlží. Cílem getechnickéh průzkumu je psudit neprpustnst pdlží a přilehléh klí, hydrgelgických pměrů, stabilitu území či depnie a v nepslední řadě tázku rekultivace skládky. Prvtním bdem průzkumu lkality jsu hydrgelgické pměry, které mají být před zhtvením skládky, a vypracvání mnitringu případných úniků kntaminantů d pdlží. S tím samzřejmě suvisí věření vhdnsti pdlží a klí z hlediska neprpustnsti. Dále je se nutné zaměřit na vyhledání mál únsných blastí a návrh případných sanačních patření. Rvněž se nesmí pminut nalezení vhdných zemin (zemník) pr zakrytí skládky p uknčení její funkce. Pr věření těcht pdmínek se prvádějí dkryvné práce, terénní zkušky a další technické práce, jak již byl uveden v předchzích kapitlách. 3.4 Shrnutí Kapitla 3 shrnuje základní pznatky a zdůrazňuje činnsti, které není mžné pminut při prvádění getechnikéh průzkumu pr jedntlivé typy zemních knstrukcí. Čtenář si tak získá základní přehled, c by měl být náplní jedntlivých etap getechnickéh průzkumu. Kntrlní tázky Vyjmenujte etapy průzkumu Definujte rientační průzkum Definujte předběžný průzkum Definujte pdrbný průzkum Definujte dplňkvý průzkum - 17 (175) -
Zemní knstrukce Mdul CF01-M01 Definujte inženýrsk gelgické sledvání stavby Vyjmenujte činnsti spadající d inženýrsk gelgickéh sledvání stavby C je nejdůležitějším úklem inženýrskgelgickéh průzkumu pr zemní práce? C je vyžadván d průzkumu pr dpravní stavby/ Je vhdné vést kmunikaci v zářezu v mál pevných hrninách? Nakreslete jak by měly být v údlích uklněny plchy diskntinuit vůči svahu C je prvním, hlavním kritériem při výběru trasy? Je vhdné prvést zářez v patě svahu pstiženém sesuvem? Je vhdné prvést zářez v hrní části svahu pstiženém sesuvem? Je vhdné prvést násyp v patě svahu pstiženém sesuvem? Je vhdné prvést násyp v hrní části svahu pstiženém sesuvem? C patří mezi důležité infrmace IG pměrech u skládek? Které lkality vylučíme při výběru pr umístnění skládek? Jaké předpklady by měla mít vhdná lkality pr prvedení skládky?. 4 Materiál zemních knstrukcí Nejdůležitějším prvkem zemní knstrukce je tedy gemateriál hrnina / zemina. Abychm však mhli správně navrhnut zemní knstrukci, musíme znát její chvání. Abychm mhli ppsat chvání zeminy musí znát její vlastnsti. Z mechaniky zemin / skalních hrnin máme již v pdvědmí, že se jedná mechanické vlastnsti (pevnst, stlačitelnst, prpustnst apd.) a technlgic- - 18 (175) -
Materiál zemních knstrukcí č. 4 ké vlastnsti (brusnst, namrzavst apd.). Jedná se velmi důležité infrmace pr ppis chvání zemní knstrukce. Nesmíme však pminut, že krmě těcht vlastnstí hrají významnu rli v tét blasti i další vlastnsti ppisné a fyzikální vlastnsti, které mnhu být již přím ukazateli parametrů mechanických vlastnstí. Dkladem th je stále větší snaha najít krelační závislsti mezi ppisně-fyzikálními a mechanickými vlastnsti. Názrným příkladem je například stanvení parametru knstitučníh mdelu Cam-Clay λ (4.1) pmcí indexvých zkušek: ( w w ) γ ln70 L P S λ = 0. 63 I P (4.1) Z tét skutečnsti nám zárveň vyplývá, že nemusíme prvádět nárčnější edmetrické zkušky, ale puze prvedení relativně jedndušších labratrních zkušek. Rvněž si musíme uvědmit, že pr správný ppis chvání zeminy je nejdříve nutné pchpit fyzikální pdstatu a následně se zabývat mechanickým chváním. Předmětem těcht skript však není pdrbný ppis tét blasti, která je sučástí mechaniky zemin a skalních hrnin a lze ji nalézt v řadě dbrných publikací, které se dané prblematice věnují pdrbněji. Prt se při studiu th předmětu, předpkládá u psluchačů znalst mechaniky zemin případně skalních hrnin. Mezi materiály zemní knstrukce nepatří jen zemina / hrnina. V sučasné dbě, kdy existuje celá řada výrbních technlgií, které krmě finálníh výrbku prdukují sekundární prdukty, je snahu tyt sekundární prdukty využít. Jedná tzv. druhtné surviny mezi které patří ppílek/ppel, hlušinvá sypanina, recyklvatelné materiály a vyskpecní struska. Krmě těcht materiálů však vznikají i gemateriály, pmcí kterých řešíme specifický prblém zemní knstrukce. Ve většině případů se již nemusí jednat materiál jehž základem je zemina/hrnina. Názrným příkladem je snaha eliminvat sedání vyských násypů na velmi mál únsném pdlží. Jednu z mžnstí je pužít lehčí materiál než je vlastní zemina či hrnina. Nejznámějšími lehkými materiály je tzv. keramzit (LIAPOR) aneb extrudvaný/expandvaný plystyrén (EPS). Jiným příkladem je stabilitní tázka, kdy pr její zvýšení se pužívá tzv. gesyntetik. Z hlediska terminlgie pr gemateriály zemních knstrukcí rzlišujeme následující názvslví, definice: Definice Zlepšená zemina vlastnsti zeminy pr pužití v zemní knstrukci jsu nedstačující, prt je musíme upravit. Dle ČSN 73 6133 se jedná tzv. nevhdné či mál vhdné zeminy. Kamenitá sypanina jedná se materiál vytvřený z měkkých resp. tvrdých skalních hrnin. Druhtné surviny materiál vzniklý jak sekundární prdukt při výrbě či těžbě primárníh prduktu. Dle ČSN 73 6133 sem patří ppílek/ppel, hlušinvá sypanina, recyklát a vyskpecní struska. Lehké materiály materiál, který výrazně nižší bjemvu hmtnst než zemina/hrnina. D tét skupiny patří např. keramzit, plystyren apd. - 19 (175) -
Zemní knstrukce Mdul CF01-M01 Ostatní materiály materiály pžívající se pr zlepšení vlastnstí zeminy/hrniny. Můžeme sem zařadit gesyntetika, kvvé výztužné prvky (pásky, hřebíky, síťviny atd.) 4.1 Zemina nezlepšená/zlepšená Zeminy jsu nezpevněné neb slabě zpevněné hrniny, které se vyskytují v pvrchvých pkryvných útvarech zemské kůry a které vznikly degradací mateční hrniny a buď zůstaly na místě neb byly přemístěny. Způsb jejich přemístění má samzřejmě vliv na jejich vlastnsti a rzdělení dle jejich geneze je následující: Eluviální nedšl k jejich transprtu a přecházejí plynule d pdlžní hrniny, ze které vznikly. Jejich vlastnsti jsu značně prměnlivé - například dluhdbá pevnst jílvých a hlinitých eluvií bývá nižší než kamžitá, cž může způsbit sesuvy svahů zářezů teprve za určitu dbu p výstavbě. Deluviální jedná svahvé sedimenty, které vznikly gravitačním phybem na svazích. Vlastnstmi, především hetergenitu, se blíží eluviu. Aluviální zeminy vzniklé naplavením v inundační blasti. Patří sem hlinité a písčité sedimenty pleistcénníh a hlcenníh stáří. Vlastnsti jsu dvislé d matečné hrniny, rychlsti vdy v kamžiku sedimentace, délky transprtu atd. Jsu charakteristické aniztrpními vlastnstmi. Elické na jejich transprtu a ulžení se pdílí vítr. Mezi nejznámější zeminu patří spraš, která je výsledkem delšíh transprtu vytříděnéh prachu. Glaciální ledvcvé sedimenty pleistcénníh stáří (chladné bdbí). Jde hetergenní směs vytvřenu transprtem různých zemin při phybu ledvce. Organgenní jde zeminy bhaté na rganické zbytky neb pzůstávající z rganických zbytků živčišnéh neb rstlinnéh půvdu. Z hlediska klasifikace zemin se zaměřením pr dpravní stavby se v České republice vychází z nrmy ČSN 72 1002 (1993) Klasifikace zemin pr dpravní stavby. Zatřídění zemin je bdbné jak v nrmě ČSN 73 1001 Základvá půda pd plšnými základy, ale s tím rzdílem, že třídy F3 a F4 jsu dále rzděleny dle bsahu jemných částic a meze tekutsti na dvě pdtřídy (viz. Tabulka 4.1). Tabulka 4.1: Rzdělení tříd F3 a F4 dle ČSN 72 1002 Třída Symbl Název Obsah f (%) Mez tekutsti F3 MS 1 Hlína písčitá I 30 50 60 MS 2 Hlína písčitá II 50-65 > 60 F4 CS 1 Jíl písčitý I 35 50 60-20 (175) -
Materiál zemních knstrukcí č. 4 CS 2 Jíl písčitý II 50-65 > 60 Dalším důležitým faktrem nrmy ČSN 72 1002 jsu kritéria, která pdmiňují pužití zemníh materiálu v zemní knstrukci pr dpravní stavby. Dle tét nrmy se zeminy zařazují pdle dvu hledisek, a t: Vhdnsti Zhutnitelnsti Zařazení dle vhdnsti nám vypvídá, zda je mžné pužít zeminu v pdlží či násypu bez zlepšení aneb se zlepšením ppřípadě prvést jiná technlgická patření (střídání vrstev, úprava svahu apd.). Dle tht kritéria jsu zeminy rzděleny d 4 skupin při uptřebení v násypu. Terminlgicky pak hvříme mál vhdné, nevhdné, vhdné a velmi vhdné zemině. Z hlediska pdlží tat nrma rzděluje zeminy d deseti skupin a značí se římskými číslicemi d I. d X. Pdrbný ppis jedntlivých skupin a jejich zařazení viz nrma ČSN 72 1002/1993. Tat specifikace zemin vznikla na základě kritérii, která jsu uvedena v následujících bdech: Granulmetrické slžení Fyzikální vlastnsti Pevnst Zhutnitelnst Stupeň namrzavsti Obecně však může říct, že za nevhdnu zeminu pr pužití v násypu se pvažuje ta, u níž je maximální bjemvá hmtnst ρd,max určená při zkušce Prstr standard (dále jen PS) menší než 1500 kg.m -3. Tent pžadavek však nemusí být splněn vždy, pněvadž d zemníh tělesa se velmi čast pužívají materiály pr jeh vylehčení a zde pžadujeme nízku bjemvu hmtnst, která je menší než pdmínka rzlišení vhdné či nevhdné zeminy. O nevhdné zemině rvněž hvříme v případě, že mez tekutsti w L je větší než 60% aneb index knzistence I C < 0.5. U pdlží se pak jedná zeminy, které spadají d skupiny VII. a vyšší. Nejsu t však jediné pžadavky či restrikce, které nám pjednávají vhdnsti zeminy. V pdmínkách in.situ se můžeme setkat se zeminami s větším bsahem vdu rzpustných slí (> 10%) neb s bjemvě nestabilními zeminami / hrninami, které při běžných klimatických pdmínkách mění svůj bjem (bbtnání a smršťvání). Jedná se zeminy, u kterých je labratrně zjištěn, že bjemvé změny při běžných klimatických pdmínkách jsu větší než 3%. Vzhledem ke gelgické rzmanitsti České republiky se můžeme dále setkat se zeminami rganickéh půvdu (rašelina, humus atd.). U těcht zemin si musíme hlídat bsah rganických látek, který nesmí překrčit 5%. V nepslední řadě existuje také pdmínka eklgické či zdravtní nezávadnsti pužívaných materiálů, přičemž závadné materiály musíme vylučit z pužití v zemní knstrukci. Psuzení zdravtní nezávadnsti se řídí záknem č.125/1997 Sb. Druhé hledisk, zhutnitelnst, se týká zpracvatelnsti zeminy d zemní knstrukce (násyp, zásyp apd.), ppř. dhutnění rstlé zeminy. Zhutnitelnst ze- - 21 (175) -
Zemní knstrukce Mdul CF01-M01 miny závisí na jejím granulmetrickém slžení, tvaru a pevnsti zrn a na pdílu jemných částic a jejich vlastnstech, především vlhksti. Pr zařazení zeminy pdle zhutnitelnsti se rzhdujeme pmcí dvu parametrů D 400 a E 95, kde D 400 vyjadřuje míru zhutnění, která je dsažitelná při racinálním mnžství energie (E = 400 N.m.kg -1 labratrní pdmínky; energie nutná k zhutnění zeminy dpvídající účinnsti aplikvanéh válce 4 6 pjezdy) a E 95 energie ptřebná ke zhutnění zeminy na pžadvanu míru zhutnění dle ČSN 72 1006. Na základě těcht dvu parametrů se klasifikuje zhutnitelnst zeminy d čtyř skupin. D první skupiny jsu zatříděny ty zeminy u nichž je hdnta E 95 < 200 a D 400 > 1. Opakem je čtvrtá skupina. Zemina zatříděná d tét skupiny je z hlediska zhutnitelnsti nevyhvující, cž znamená, že míru zhutnění 95% PS lze dsáhnut za extrémně vyské energie zhutnění aneb vůbec. Zatřídění se řídí nrmu ČSN 72 1002/1993, tabulku 2 na straně 8 tét nrmy. O nezlepšené zemině mluvíme tedy v případě, že není nutn prvádět ddatečná patření tzn., že využijeme jejích přirzených vlastnstí tak, abychm ji mhli pužít v zemní knstrukci. Musíme-li však prvést úpravu vlastnstí, hvříme zlepšené zemině. Ke zlepšení zeminy může djít dvěmi hlavními způsby. První způsb vychází z úpravy granulmetrie půvdní zeminy, tj. k tét zemině přimícháme jinu vhdnu zeminu. Prvedeme-li tent způsb úpravy, hvříme mechanickém zlepšení. Názrným příkladem mechanické stabilizace je nasypávání hrubzrnnéh neb velmi hrubéh materiálu na mál únsné pdlží čímž dchází k jeh prpenetrvání d nevhdnéh materiálu a tím ke zlepšení pdlží. V případě sypkých zemin (písky) se bdbně jak u betnvých knstrukcí využívá rzptýlených vláken. Na rzdíl d betnu se pužívají textilní vlákna (délka vláken se phybuje v rzmezí 10 mm až 100 mm). Ve své pdstatě je t jednduchý pstup, ale vyžaduje mít k dispzici kvalitní zeminu a prt se v praxi dává přednst druhému způsbu a t zlepšení pmcí pjiv. I zde můžeme hvřit, že dchází ke granulmetrické změně půvdníh materiálu na bázi chemické reakce mezi materiály. Pr stabilizaci zemin pjivy se pužívá vápn (nehašené, vápenný hydrát, vápenné mlék), cement, hydraulická silniční pjiva apd. Rzhdnutí pužitém pjivu záleží na výsledcích labratrních rzbrů. Každý typ pjiva je nutné s upravvanu zeminu vyzkušet. Např. ČSN 73 6133 uvádí, že při rzhdvání, zda pr úpravu pužít vápn či cement, je určující index plasticity I P zeminy. Je-li čísl plasticity I P 10 % je výhdnější pužít příměs vápna, při čísle plasticity I P 6 % je dpručen pužít cement. Zeminy u nichž je čísl plasticity v intervalu I P (6;10)% není výrazný rzdíl mezi pužitím vápna či cementu. 4.1.1 Zrnitst O zrnitsti zemin můžeme najít celu řadu pdrbnějších infrmací - např. Vaníček (2001), Pwrie (2002) atd. V těcht skriptech budu uvedeny jen pznatky, které mají vztah k zemním knstrukcím. Zrnitstní skladba zeminy nám může již na začátku rzbru využitelnsti zeminy výrazně napvědět předpkládaných vlastnstech. Rzsah veliksti částic tvřících zeminu je veliký, d balvanů až jílvitým částicím brázek 4.1. - 22 (175) -
Materiál zemních knstrukcí č. 4 jíl prach písek štěrk kameny balvany 0.006 0.02 0.2 0.6 6 20 0.002 mm 0.06 mm 2 mm 60 mm 200 mm <Obr. 4.1> Velikst částic Zastupení jedntlivých částic v zemině vyjadřujeme pmcí křivky zrnitsti. Dle křivky zrnitsti můžeme usuzvat stlačitelnsti, pevnsti, prpustnsti apd. brázek 4.2 zkumané zeminy. B C A D <Obr. 4.2> Křivky zrnitsti zeminy Z brázku 3.3 můžeme usuzvat u jedntlivých křivek zrnitsti případném chvání zeminy v zemní knstrukci. U křivky zrnitsti (3.4 A), která svým rzlžením vytváří diagnálu v rastru, se dá předpkládat, že bude mít velmi malu stlačitelnst, velmi vysku pevnst a malu prpustnst. Tent předpklad vychází z plynuléh rzlžení jedntlivých zrn, kdy póry mezi větší zrny jsu plynule a pstupně vyplňvány zrny menšími. U křivky zrnitsti nad diagnální křivku je stlačitelnst a pevnst dvislá d mnžství a pvahy jílvé frakce, prpustnst bude velmi malá. Křivky pd diagnálu budu vykazvat malu stlačitelnst, vysku pevnst a bude velmi vysku prpustnst. Bude-li mít křivka zrnitsti tvar jak křivka D na brázku 3.4, pak hvříme stejnzrnné zemině, která z hlediska zemní knstrukce není vhdná, prtže se špatně zhutňuje a při dynamických účincích ztrácí stabilitu. Využití těcht zemin je pr zpětné filtry, případně drenáže. Z křivky zrnitsti můžeme usudit dle dmax maximální zhutňvací tlušťce vrstvy /(1/3 1/5)d max / aneb u zemin s vyským číslem nestejnzrnnsti (10-15) může djít k ddělení hrubší frakce d jemnzrnnější, c se prjeví nepříznivě ve filtrační stabilitě. Na základě křivky zrnitsti se dá usuzvat její náchylnsti k namrzání (Schaibleh kriterium) aneb vhdnsti či nevhdnsti pr těsnící neb stabilizační část zemní hráze dle ČSN 73 6824. - 23 (175) -
Zemní knstrukce Mdul CF01-M01 4.1.2 Hustta, bjemvá tíha Pr návrh zemní knstrukce je ptřeba definvat nejen tuhst a pevnst materiálu, ale i její bjemvu tíhu. Objemvá tíha je vyjádřena jak pměr tíhy k jedntkvému bejmu a hustta jak pměr hmtnsti ku jedntkvému bjemu. Obecně je zapsán vztah mezi husttu a bjemvu tíhu rvnicí: γ = 9. 81 ρ (4.2) Obecně se lze rzlišit dvě základní hustty resp. bjemvé tíhy. Vyjádřen pr bjemvu tíhu, tak je t pměr tíhy částic k bjemu (bjemvá tíha suché zeminy γ d ) resp. pměr tíhy částic + vdy k bjemu (bjemvá tíha γ ). Objemvá tíha γ při plném stupni nasycení SR se nazývá bjemvá tíha nasycené zeminy - γ sat. Typické hdnty bjemvé tíhy jsu uvedeny v tabulce 4.2: Tabulka 4.2: Typické hdnty bjemvé tíhy (Budhu, 2000) Zemina γ d [kn.m -3 ] γ sat [kn.m -3 ] Štěrk 15-17 20 22 Písek 13-16 18 20 Hlína 14-18 18 20 Jíl 14-21 16-22 4.1.3 Knzistenční meze a diagram plasticity U jemnzrnných zemin v interakci s vdu dchází k jejich změnám d stavu tvrdéh až d kašvitéh. Prt byly stanveny hranice (meze) při jakých vlhkstech se knzistence zeminy mění. Z mechaniky zemin je známá mez tekutsti (w L ), mez plasticity (w P ) a mez smrštitelnsti (w s ), z kterých lze stanvit index plasticity (I P ). Index plasticity je parametr, který nám např. v zemní knstrukci rzhduje pužití vápna či cementu pr zlepšení stabilizací. Krmě těcht parametrů můžeme v zahraniční literatuře Budhu (2000), Pwrie ( 2002) tzv. index tekutsti (I L ), dle kteréh se dá usuzvat pevnsti zeminy. Index tekutsti je definván rvnicí (4.3) a jeh meze jsu dány v tabulce 4.3. I L = w w I P P (3.3) Tabulka 4.3: Ppis pevnsti dle I L Hdnta I L I L < 0 Ppis pevnsti zeminy Pltuhý stav vyská pevnst, lze čekávat křehký lm 0 < I L < 1 Plastický stav střední pevnst, zemina se defrmuje jak - 24 (175) -
Materiál zemních knstrukcí č. 4 plastická hmta I L > 1 Tekutý stav nízká pevnst, zemina se defrmuje jak viskózní tekutina Diagram plasticity br. 4.3 rvněž hraje pměrně významnu rli při předběžných úvahách vlastnstech sudržných zemin. Pr jeh využití je však nutné stanvit knzistenční meze w L a w P. V diagramu plasticity se většinu setkáme puze s čaru A, která služí ke klasifikaci zemin a je dán rvnicí: I P 0.73( w 20) = L (4.4) Zeminy v blasti nad čaru A vykazují zvýšenu plasticitu a pd čaru A jsu náchylné k rzbřídání. Dále se zde můžeme vynést čáru U, která tvří hranici přirzených zemin a je dána rvnicí: I P 0.9( w 8) = L (4.5) Čára U tvří hranici přirzených zemin. Jestliže je zjištěn, že vynášený bd v diagramu plasticity je nad čaru U, pak nejde přirzenu zeminu a musí být přijata zvláštní patření při jejím pužití v zemní knstrukci. Krmě těcht dvu čar můžeme v diagramu plasticity definvat blast bbtnavých zemin. PLASTICITA 60 50 40 30 20 10 NÍZKÁ STŘEDNÍ VYSOKÁ VEL. VYSOKÁ EXTRÉMNĚ VYSOKÁ L I H V E JÍL CI CL MI U CE A CH CV VELMI BOBTNAVÉ ZEMINY MV MH ME HLÍNA 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 <Obr. 4.3> Diagram plasticity Knzistenční meze jsu i předběžným vdíkem pr stanvení tuhsti resp. pevnsti zeminy pr ptřeby prjektu ve fázi předběžnéh návrhu či studie. Pmcí indexu tekutsti (rvnice 4.3) lze vyjádřit nedvdněnu pevnst cu rvnicí (4.6) neb v grafické frmě br. 4.4 : c u = 150e 4.6 I L (3.6) - 25 (175) -
Zemní knstrukce Mdul CF01-M01 I L 1 w L 0 w P 1.5 150 lg s u <Obr. 4.4> Závislst nedvdněné pevnsti na indexu tekutsti Schfield&Wrth (1968) Neb jak již byl uveden v úvdu tét kapitly, lze vyjádřit skln linie kritickéh stavu λ pmcí rvnice (3.1) neb index stlačitelnsti C c rvnicí: Cc = 1. 38I P 4.1.4 Charakteristiky stavu zeminy (3.7) U zemin, kde se výrazně pdílí na chvání zeminy jemnzrnná frakce, je definván u nás známý index knzistence I C (rvnice 4.8), ve Velké Británii je t index tekutsti I L (rvnice 4.3), u sypkých zemin je vyjádřen její stav indexem relativní ulehlsti I D (rvnice 4.9). Rzmezí jedntlivých stavů zemin jsu uvedeny v literatuře - např. Vaníček (2001). 4.1.5 Struktura zemin I c I D wl w = I e = e P max max e e min (3.8) (3.9) Mechanické chvání zeminy je významně vlivněn její strukturu. Z inženýrskéh phledu je nutné se velmi bezřetně zabývat strukturu, která vlivem vnějších sil, vdy a chemických účinků může měnit svje uspřádání. Jedná se tzv. metastabilní struktury, které jsu charakteristické pr prsedavé zeminy (náhlé sednutí zatížené zeminy p jejím prvlhčení) aneb senzitivní mřské jíly (sedimentvaly v mři a během hrtvrných prcesů byly vystaveny účinkům dešťvé sladké vdy, která vyluhvala Na + inty). Prsedavst zeminy se určuje ze zkušek stlačitelnsti zeminy. Stanvuje sučinitel pměrné prsedavsti im ( ε = i m > 0.01 prsedavá zemina), který - 26 (175) -
Materiál zemních knstrukcí č. 4 lze zjistit pmcí dvu pstupů - metdu jedné křivky neb metdu dvu křivek. V případě, že nejsu k dispzici tat měření a ptřebujeme stanvit prsedavst, je mžné ji určit pmcí grafu pdle Hltz-Hilfa brázek 4.5 v závislsti na mezi tekutsti w L a bjemvé tíze vysušené zeminy γ d. Zde je pět patrný význam indexvých zkušek. <Obr. 4.5> Stanvení prsedavsti zeminy (Hltz-Hilf, 1966) 4.1.6 Tuhst defrmační charakteristiky Vlivem změny napětí (zvyšvání, snižvání) dchází k přetvření elementu zeminy. A právě tuhst vyjadřuje závislst mezi změnu napětí a přetvření. Charakteristikami tuhsti je mdul pružnsti E aneb smykvý mdul G a bjemvý mdul K. Tyt parametry se stanví pmcí triaxiální neb smykvé krabicvé zkušky. Mdul E je gradient závislsti napětí a přetvření. Mdul E se vyjadřuje buď jak tečnvý E tan aneb sečnvý E sec. Definice těcht mdulů je patrná z brázku 4.6 a jsu vyjádřeny rvnicemi 4.10a a 4.10b. - 27 (175) -
Zemní knstrukce Mdul CF01-M01 σ σ 1 E tan E sec 1 ε ε <Obr. 4.6> Definice mdulů - E tan a E sec E = tan E sec dσ dε σ = ε (4.10a) (4.10b) Objemvý mdul K (rvnice 4.11) se v naší literatuře málkdy uvádí. Je t však důležitá charakteristika, která ppisuje, c se děje v zemině při bjemvých změnách brázek 4.7. kde p je střední napětí: a ε v je bjemvé přetvření. K = dp dε v σ x + σ y + σ z p = 3 (4.11) (4.12) - 28 (175) -
Materiál zemních knstrukcí č. 4 σ istrpní dσ dε v ε v <Obr. 4.7> Definice bjemvéh mdulu - K Při namáhání dchází nejen k bjemvé změně, ale i ke změnu tvaru. V tmt případě mluvíme smykvém mdulu G. Smykvý mdul suvisí s smykvým přetvřením při půsbní smykvéh napětí. dτ G = dγ (4.13) Dále je si nutné uvědmit, že zemina je více fázvý systém, a prt i defrmační charakteristiky jsu dvislé, zda se jedná dvdněné či nedvdněné pdmínky. Prt i zde se rzlišuje efektivní a ttální charakteristiky tuhsti, přičemž si je nutné uvědmit, že smykvá pevnst je dána puze částicemi a tudíž smykvý mdul není závislý na zatěžvání při dvdněných či nedvdněných pdmínkách. Odvdněné pdmínky: Nedvdněné pdmínky: E = 2G(1 + ν ) = 3K (1 2ν ) (4.14) 1.5E E u = (1 +ν ) pr ν u = 0.5 (4.15) K u = Eu (1 2ν ) 3 u pr ν u = 0.5 K u (4.16) G = G u (4.17) V nepslední řadě nelze pminut ani Pissnv čísl ν. Je t pměr příčnéh ku pdélnému přetvření a při výpčtech jej uvažujeme knstantní, i když tmu ve skutečnsti tak nemusí být. I zde je nutn rzlišit dvdněné a nedvdněné pdmínky, pr které je definván Pissnv čísl. Pr dvdněné pdmínky se získá jeh velikst úpravu rvnice (4.14) na výsledný tvar: 3K 2G ν = 2G + 6K (4.18) - 29 (175) -
Zemní knstrukce Mdul CF01-M01 Typické hdnty mdulu E /, G a v / jsu uvedeny v tabulce 4.4. Tabulka 4.4: Typické hdnty E /, G a v / (Budhu, 2000) Zemina Ppis E / [MPa] * G [MPa] ν / Jíl Měkký 1-15 0.4 5 0.35 0.4 Tuhý 15 30 5 11 0.3 0.35 Pevný 30 100 11 38 0.2 0.3 Písek Kyprý 10 20 4 8 0.15 0.25 Středně ul. 20 40 8 16 0.25 0.3 ulehlý 40-80 16-32 0.25 0.35 * Jedná se sečnvý mdul při vrchlvém deviatrvém napětí pr ulehlu či pevnu zeminu, a maximální deviatrické napětí pr statní. Stlačitelnst zeminy je vlivněna její zatěžvací histrií. Z mechaniky zemin je znám, že byla-li zemina v minulsti vystavena většímu napětí pd kterým je v sučasné dbě, hvříme překnslidvané zemině. Tt maximální napětí nazýváme překnslidační a značíme σ c. Dalším důležitým parametrem, který se zadává d výpčtů, je tzv. překnslidační pměr - OCR, který dpvídá pdílu bývaléh maximálníh k sučasnému napětí ve vyšetřvaném místě. Ve svislých napětích jej můžeme vyjádřit rvnicí? σ OCR c = σ r (3.19) kde σ / r je sučasné napětí v zemině a σ / c maximální napětí, kterému byla zemina vystavena. Pr jeh stanvení ptřebujeme znát σ c. Tut prblematiku se zabýval Casagrande, který navrhl pstup pr stanvení σ c z edmetrické zkušky. Vynese-li se závislst čísla pórvitsti e na napětí vyjádřeném v lgaritmické míře, získáme křivku jak na brázku 4.8. Překnslidační napětí se stanvuje v následujících krcích: V bdě A závislsti e = f(lg σ / ) /míst s největší křivstí/ se vede tečna a rvnběžka s su σ /. Dále sestrjíme čáru, která půlí úhel vytyčený rvnběžku a tečnu. Hledaný bd, kterému dpvídá překnslidační napětí, získáme v průsečíku čáry půlící úhel a přímky dpvídající fázi nrmální knslidace (čára B). - 30 (175) -
Materiál zemních knstrukcí č. 4 <Obr. 4.8> Stanvení překnslidačníh napětí dle Casagrandeh 4.1.7 Pevnst Z hlediska napjatsti v zemním prstředí půsbí jak nrmálvá, tak smykvá napětí. Nrmálvé napětí se zjedndušen řečen pdílí na bjemvých změnách zeminy při jejím stlačvání. Smykvé napětí napak způsbují klaps zeminy a k prušení djde, jakmile smykvé napětí překrčí pevnst zeminy ve smyku. Pevnst zeminy je dvislá d pdmínek, za kterých je zemina namáhána. V mechanice zemin rzlišujeme tři základní definice pevnsti brázek 4.9 : Vrchlvá pevnst Kritický stav pevnsti Reziduální pevnst - 31 (175) -
Zemní knstrukce Mdul CF01-M01 <Obr. 4.9> Vrchlvá, kritická a reziduální pevnst ilustrvaná na pracvním diagramu smykvé krabicvé zkušky Vrchlvá pevnst je maximální velikst smykvéh napětí. Velikst dpvídajícíh úhlu vnitřníh tření je závislá na pčátečním stavu, tj. na ulehlsti resp. míře překnslidace materiálu. Čím je materiál ulehlejší resp. překnslidvanější, tím získáme vyšší hdntu úhlu vnitřníh tření ve vrchlvém stavu brázek 4.10. τ ε z expanze γ γ kmprese <Obr. 4.10> Vliv pčátečníh stavu zeminy na vrchlvu pevnst Vrchlvá pevnst zeminy je v naší literatuře definvána dvěma parametry, a t úhlem vnitřníh tření ϕ p a sudržnstí c p. Sučasný trend v mechanice zemin však ukazuje, že sudržnst ve smyslu adhezní fyzikální síly u zemin není reálným parametrem, pkud se samzřejmě nebavíme tzv. cementaci. Dkladem tét skutečnsti je fakt, že při malých napětích dchází k zakřivvání bálky prušení brázek 4.11. - 32 (175) -
Materiál zemních knstrukcí č. 4 <Obr. 4.11> Vliv dilatance na Mhr-Culmbvu bálku Z brázku 4.11 zárveň vyplývá, že vrchlvý úhel vnitřníh tření závisí na míře dilatance a pr vrchlvu hdntu platí, že pmcí vztahu: ϕ ϕ + ψ / P = / CS P (3.20) V rvnici (4.20) se vyskytuje úhel vnitřníh tření, který nazýváme kritickým - ϕ CS. Tímt úhlem je charakterizvána pevnst při kritickém stavu při přetváření zeminy. Jde pevnst, kdy se zemina přetváří za knstantníh smykvéh a nrmálníh napětí a bjemu. Pevnst dsažené při kritickém stavu na rzdíl d vrchlvé pevnsti není závislá na pčátečním stavu. Kritická smykvá pevnst narůstá se zvyšujícím efektivním nrmálním napětím a se snižující se bjemem. Pslední definicí smykvé pevnsti je reziduální pevnst, která nastává při velmi velkém přetvření. Ze všech pevnstí nabývá nejmenší hdnty, ppřípadě je rvna kritické pevnsti. Tat skutečnst je vlastní pískům na rzdíl d jílů, u kterých se reziduální pevnst dá uvažvat plviční hdntu kritické pevnsti. Reziduální pevnst má své pdstatnění uvažvat v případě, kdy dšl v zemní knstrukci k velkému psunu. U většiny knstrukcí prt tut pevnst nelze uvažvat při výpčtu. Reziduální stav nastává při phybech svahů, prt se při sanacích sesuvů vychází z reziduálních parametrů. Obdbně jak předchzích kapitlách jsu na závěr tét části uvedeny typické hdnty úhlů vnitřníh tření dpvídající jedntlivým stavům (tabulka 4.5). V předchzí části kapitly byly uvažvány dvdněné pdmínky zatěžvání. V praxi jsu však případy, kdy dchází k usmyknutí zeminy bez bjemvých změn. V tmt se již hvří nedvdněných pdmínkách a z hlediska pevnsti se jedná nedvdněnu pevnst - su, u nás značenu - c u. Tat pevnst má své pdstatnění v případech, kdy je nutn vyšetřit chvání knstrukce za krátkdbých pdmínek. V nrmě ČSN 73 6133 se hvří, že u krátkdbé stability násypu na měkkém jílvité pdlží a dčasných svahů zářezů se připuští řešení v ttálních (nedvdněných) parametrech smykvé pevnsti. Při řešení tét úlhy se dá uvažvat s nárůstem nedvdněné pevnsti s hlubku ulžení zeminy brázek 4.12. Tabulka 4.5: Typické hdnty úhlů vnitřníh tření (Budhu, 2000) - 33 (175) -