Předmět: Speciální problémy dopravních staveb I Téma 1: Zeminy, zlepšené zeminy, zemní práce
Modernizace výuky na Fakultě stavební VUT v Brně v rámci bakalářských a magisterských studijních programů
1
Zeminy Definice: Zemina = sypká nebo slabě zpevněná, snadno rozpojitelná hornina. Zeminy vznikly z pevných hornin zvětráváním a rozpadnutím působením větru, vody a změnami teploty. K tomuto jevu dochází buď na místě, nebo je rozvolněný materiál přemísťován (vodou, větrem, ledovcem) a vznikají nánosy (spraš, sprašová hlína). Mechanické vlastnosti i chemické složení těchto “nánosů” je různorodé.
Základní rozdělení zemin Nesoudržné zeminy (sypké): zrna nejsou vázána žádnými silami (nebo jen malými), pevnost ve smyku je zajištěna pouze třením mezi jednotlivými částicemi (zrny). Soudržné zeminy: Zdrojem pevnosti ve smyku jsou molekulární a chemické vazby mezi částečkami zeminy. Jde o zeminy, které jsou schopny plastických deformací. Částice soudržných zemin mohou mít velikost zrn < 0,002 mm. Nasáváním vody mohou bobtnat a vysoušením se smršťovat. V suchém stavu jsou křehké, ve vlhkém stavu jsou tvárné a lepivé.
Obr.1 Jemnozrnná zemina tuhé konzistence – běžně v malých hrudkách Materiály zemního tělesa jsou horniny a zeminy, jejichž názvosloví a pojmenování, geologické zařazení a popis stanoví ČSN EN ISO 14688-1 “Geotechnický průzkum a zkoušení, pojmenování a zatřiďování zemin – Část 1: Pojmenování a popis” a ČSN EN ISO 14688-2 “Geotechnický průzkum a zkoušení, pojmenování a zatřiďování zemin – Zatřiďování zemin”. Většina inženýrských oborů si upravuje, doplňuje nebo zjednodušuje klasifikace zemin podle charakteristických vlastností, které jsou pro jednotlivé obory důležité. Pro dopravní stavby platí norma ČSN 72 1002 “Klasifikace zemin pro dopravní stavby”, kde je důležité hodnocení vhodnosti použití zemin do dopravních staveb na základě nejdůležitějších charakteristických vlastností.
Zkoušení zemin a zlepšených zemin Obecně lze zkoušení asfaltových pojiv rozdělit do dvou skupin:
2
- zkoušky konvenční (empirické), mezi něž patří stanovení zrnitosti, mezí konzistence (tj. nejvíce používané – vlhkosti na mezi tekutosti a plasticity, indexu plasticity), dále pak stanovení zhutnitelnosti (nejčastěji Proctorovou zkouškou), únosnosti (kalifornský poměr únosnosti CBR) a další méně často používané zkoušky jako jsou stanovení pevnosti v prostém tlaku, pevnosti v příčném tahu atd. - zkoušky funkční. Jde o nově vyvinuté metody, jejichž cílem je podrobit zeminu a materiály v konstrukci vozovky a podloží zkoušení v podmínkách jejich užívání a sledovat měřitelné veličiny charakterizující jejich podstatné užitné vlastnosti. Tyto metody byly převážně vyvinuty ve Spojených státech amerických. Po úspěšném ověření těchto metod v USA došlo k jejich postupnému zavádění do Evropy a v současné době se objevují i v nových evropských normách pro specifikace a zkoušení zemin a nestmelených směsí a materiálů do vozovek pozemních komunikací. Klasifikační zkoušky k pojmenování a popisu zemin • • • • • • •
Vlhkost, Objemová hmotnost, Zdánlivá hustota pevných částic, Zrnitost, Konzistenční meze (vlhkost na mezi tekutosti a plasticity, index plasticity), Relativní ulehlost sypkých zemin, Namrzavost.
Chemické vlastnosti zemin a podzemní vody • • • • •
Obsah organických látek Obsah uhličitanů Obsah síranů Hodnota pH (acidita a alkalita) Obsah chloridů
Zkoušky stlačitelnosti zemin • • •
Oedometrická zkouška se stupňovitým zatěžováním Zkouška bobtnání v pedometru Zkouška prosedavosti v pedometru
Zkoušky pevnosti zemin • •
Konsolidovaná triaxiální zkouška Konsolidovaná krabicová a kruhová smyková zkouška
Zkoušky zhutnitelnosti a únosnosti zemin • •
Zkouška zhutnitelnosti (Proctorova, vibrační) Kalifornský poměr únosnosti (CBR), okamžitý index únosnosti (IBI)
Zkoušky propustnosti •
Zkouška propustnosti s konstantním a proměnným sklonem
Funkční zkoušky • •
Stanovení míry namrzavosti zemin a zlepšených zemin Cyklická triaxiální zkouška
3
Konvenční (empirické) zkoušky zemin a materiálů •
zrnitost (podle ČSN CEN ISO/TS 17892-4) tato vlastnost je základem k pojmenování zeminy a určení charakteru chování v závislosti na velikosti pevných částic přítomných v zemině. Podle zrnitosti se určuje vhodnost zeminy nebo materiálu do jednotlivých směsí a také do dalších zkušebních postupů. Při makroskopickém posuzování zrnitosti se zemina rozprostře na ploše a velikosti částic ve vzorku se porovnají se zrnitostní šablonou podle tab. 1. Běžně se však používá promývací zkouška přes sadu sít od 0,063 mm do 63 (200) mm, ze které se provede stanovení obsahu jednotlivých frakcí zeminy. Důležitou hodnotou je množství částic propadlých sítem 0,063. Podle této hodnoty se hodnotí např. citlivost zeminy na promrzání apod. Tabulka 1. Velikosti zrn pro jednotlivé skupiny zemin. velikost zrn v mm označení zeminy pod 0.002 jíl 0.002-0.06 prach 0.06-0.2 jemný písek 0.2-0.6 střední 0.6-2.0 hrubý 2.0-6.0 drobný štěrk 6.0-20 střední 20-60 hrubý 60-200 kameny nad 200 balvany
Základní názvy pro zeminy jsou: jíl, prach, hlína, písek, štěrk, kameny, balvany. Klasifikace se provádí na základě trojúhelníkového diagramu. Existuje několik verzí této klasifikace. Nejnovější je uvedena v ČSN EN 14688-2. Tato univerzální metoda je však méně srozumitelná a v některých případech zkresluje zatřídění zeminy, proto je zde uveden postup podle zavedené ČSN 72 1001.
Obr.2 Klasifikace zemin podle trojúhelníkového diagramu
4
•
vlhkost na mezi tekutosti (wL) Mez tekutosti je vlhkost, při které zemina přechází ze stavu tekutého do stavu plastického. Stanovuje se pomocí kuželové zkoušky (podle ČSN CEN ISO/TS 17892-12). Zkušební vzorek je získán z přirozené zeminy nebo ze zeminy, u které byl odstraněn materiál zachycený při prosévání na sítě o průměru oka 0,4 mm (nebo jemu nejbližším). Kužel, který vniká po dobu 5 s do vlhké zeminy má dva tvary 60g/60° a 80g/30° (hmotnost kuželu/vrcholový úhel).
Obr. 3 80 g/30°
Příklad
penetračního
přístroje
s kuželem
• vlhkost na mezi plasticity (wp) Mez plasticity je nejnižší vlhkost zeminy, při které je zemina plastická. Stanovení meze plasticity se obvykle provádí souběžně se stanovením meze tekutosti. Z pasty, připravené proplavením zeminy přes síto 0,4 mm a poté oddělení přebytečné vody, musí být odebrán zkušební vzorek o hmotnosti cca 20 g a musí být umístěn na rovnou desku. Ten je rozdělen na dva dílčí vzorky o hmotnostech cca 10 g. Hnětou se mezi prsty a následně se formují mezi ukazováčkem a palcem každé ruky do válečků o průměru zhruba 6 mm. Zpracují se až na průměr 3 mm a stanoví se vlhkost (wp).
Obr. 4 Meze konzistence zemin • stanovení zhutnitelnosti běžně se provádí stanovení zhutnitelnosti zemin v závislosti na vlhkosti zhutněné zeminy a objemové hmotnosti suché zeminy. Nejlépe tuto vlastnost vystihuje obrázek 5. Se vzrůstající vlhkostí se zvyšuje i objemová hmotnost zhutněné zeminy až do okamžiku, kdy objem vody začne nahrazovat pevné částice. Při určité vlhkosti se pak začne snižovat objemová hmotnost a právě v okamžiku změny mluvíme o maximálním zhutnění zeminy za optimální vlhkosti. Pro zhutnění v laboratoři se dnes nejčastěji používá Proctorova metoda hutnění zeminy rázem s kruhovou základnou pěchu určité hmotnosti. Nové evropské metody umožňují použít i vibrační zhutňovací energii, která vhodněji simuluje vibrační zhutňování zemin válci na stavbě.
5
Obr. 5 Zhutnitelnost zemin
Zemina dovezená do laboratoře se nejdříve vysuší, po vysušení se vzorek rozdělí na několik dílčích vzorků, z nichž se každý přivlhčí jiným množstvím vody. Tyto se pak zhutní pomocí pěchu do Proctorovy formy (malé Ø100 mm, velká Ø150 mm). Z hmotnosti zhutněné zeminy ve formě a známých rozměrů formy se vypočítá objemová hmotnost vlhké zeminy, která se na základě zjištěné vlhkosti přepočítá na objemovou hmotnost suché zeminy. Ta se pak vynese do grafu pro jednotlivé vlhkosti dílčích vzorků (obrázek 5). Body v grafu se proloží křivka a z vrcholu křivky se odečte hodnota max. objemové hmotnosti při optimální vlhkosti. Porovnáním objemové hmotnosti zhutněné zeminy ve vrstvě na stavbě s objemovou hmotností zjištěnou z Proctorovy zkoušky se stanoví míra zhutnění. Např. u podloží násypu je tento poměr 92 %. Obr. 6 Příklad zhutňovacího přístroje podle Proctora •
stanovení únosnosti – kalifornský poměr únosnosti CBR
tato metoda byla původně vyvinuta jako zkouška funkční, simulující statické zatížení na danou plochu zhutněné zeminy. V současné době se zkouška provádí velmi často jako konvenční parametr únosnosti. Hodnota CBR stanovená z laboratorní zkoušky je základním parametrem pro návrh netuhých vozovek. Obrázek 7 ilustruje princip zkoušení zhutněné zeminy nebo zlepšené zeminy zhutněné v předepsané formě. Zkouška poměru únosnosti zemin (ČSN EN 13286-47) srovnává pevnost zkoušené zeminy s pevností vztažného drceného materiálu (vyjadřuje se proto v %). Zkouška se provádí tak, že ocelový trn o průměru 50 mm se zatlačuje do povrchu zeminy zhutněné v CBR-formě (zemina je nejčastěji zhutněna při optimální vlhkosti podle výsledku Proctorovy zkoušky) Rychlost penetrace ocelového trnu je 1,27 mm/min. Hodnota CBR v % je pak poměr síly, kterou je nutno vyvinout k zatlačení trnu do výše uvedené hloubky k známé síle potřebné k zatlačení trnu do vztažného materiálu.
6
CBR = (p / p standard) x 100 (%) Z hodnoty CBR se často odvozuje modul pružnosti materiálu podloží. V literatuře (zejména USA) lze najít převodní vztah k modulu pružnosti podloží E ≅ 10 x CBR nebo E = 17,6 x CBR0,64. Je třeba si uvědomit, že se jedná o vztahy obecné, které se nehodí pro každý zhutněný materiál v podloží vozovky, proto se v nových EN objevila zkouška stanovení modulu pružnosti v cyklickém zatěžovacím přístroji (viz. kap. Funkční zkoušky).
Obr. 7 Laboratorní zkouška CBR
Další zkoušky zemin, méně často používané •
propustnost (charakterizuje součinitel propustnosti kmin, kmax a/nebo hydraulickou vodivost pro vodu, proudící nasycenou zeminou, existují 4 nejvíce používané metody k určení součinitele propustnosti: 1. polní zkoušky (čerpací zkoušky nebo zkoušky propustnosti vrtu) 2. empirická korelace podle čáry zrnitosti, 3. vyhodnocení oedometrické zkoušky, 4. klasická zkouška na propustoměrech v laboratoři. Pozn. Pro hodnocení může být použita kombinace uvedených metod.
•
relativní ulehlost sypkých zemin – používá se pro charakterizování smykové pevnosti a stlačitelnosti nesoudržných zemin při působení statického a dynamického zatížení tím, že zavádí vztah mezi číslem pórovitosti zeminy in situ a mezními hodnotami suché objemové hmotnosti, které se nazývají maximální a minimální objemová hmotnost suché zeminy. Vyjadřuje se stav ulehlosti přirozeně odvodněné sypké zeminy.
•
namrzavost – má zásadní význam pro návrh podloží vozovky, zejména v místě možného promrzání (hloubka promrzání). Veškeré pozemní stavby mohou být vystaveny účinku zdvihu mrazem vlivem promrznutí namrzavých zemin, do kterých má voda možnost přístupu. Nebezpečí zdvihu vlivem mrazu může být stanoveno podle klasifikačních vlastností (zrnitosti, kapilární vzlínavosti a/nebo obsahu jemných částic – v ČR tzv. Scheibleho kritérium) nebo speciálních laboratorních zkoušek. Scheibleho kritérium: zemina je namrzavá, pokud množství částic menších jak 0,002 mm je větší jak 3 % (viz obr. 8)
•
obsah organických látek – zkouška se používá ke klasifikaci zemin. Obsah organických látek je určován ze ztráty po žíhání (je často označován jako LOI – loss on ignition), která je stanovena žíháním zkušebního vzorku při řízené (regulované) teplotě. V některých případech je možné obsah organických látek určit ze ztráty hmotnosti způsobené peroxidem vodíku (H2O2), která dává přesnější údaje o obsahu organických látek.
7
Obr. 8 Hodnocení namrzavosti zrnitostním (Scheibleho) kritériem
Hodnocení vhodnosti použití klasifikovaných zemin do dopravních staveb Dle normy ČSN 72 1002 Klasifikace zemin pro dopravní stavby se dělí zeminy do 4 skupin s určením do násypu a do 10 skupin podle vhodnosti do podloží (tabulka 2). Tato norma zatím platí, bude ale zrušena a zatřídění zemin se bude provádět podle nově připravované normy ČSN 73 6133 Navrhování a provádění zemního tělesa pozemních komuniikací. Zařazení zemin mezi málo vhodné a nevhodné ještě není důvodem k jejímu vyměnění. Zeminy lze zlepšovat mechanicky nebo pojivy. Zařazení zeminy do příslušné skupiny záleží na následujících vlastnostech: • • • •
granulometrické složení (obsah jemných částic) → trojúhelníkový diagram, základní fyzikální vlastnosti - vlhkost, mez tekutosti, plasticity atd. mechanické vlastnosti zemin jako je zhutnitelnost (Proctor), CBR namrzavost zemin
Násypy Zásadně do násypu nesmí být použita zemina jejíž mez tekutosti wL> 60 %, nebo maximální objemová hmotnost ρd<1500 kg/m3. Zeminy zařazujeme do čtyřech základních skupin: 1. až 2. nevhodné až málo vhodné zeminy: jíl, písčitý jíl, jílovitá hlína, hlína, prachovitá hlína, jílovitý písek. 3. až 4. velmi vhodné zeminy: písek dobře zrněný, písek hlinitý, písek jílovitý, písčitý štěrk, štěrk dobře zrněný, štěrk hlinitý, štěrk jílovitý. Podloží Rozdělení zemin podle vhodnosti do podloží je od zemin s plynulou čárou zrnitosti, stabilní jílovou a prachovou složkou, (tyto zeminy jsou stabilní i za nepříznivých podmínek, dobře se zhutňují na vysoké objemové hmotnosti a jsou velmi dobrým podložím) až po zeminy, které se nedají zlepšit a vyjímečně je možné je použít pro podloží vozovek přechodného charakteru: I. plynulá čára zrnitosti, stabilní dobrý písčitohlinitý tmel, velmi vhodné i pro stabilizované podkladní vrstvy, např. písek se štěrkem, štěrk s příměsí hlinitého písku. V. dobře se zhutňují, mají jemnozrnný charakter, obvykle mírně namrzavé, dají se stabilizovat, ještě jsou vyhovujícím podložím, např. jílovitý písek, jílovitý písek se štěrkem. X. velké objemové změny, nedají se zlepšovat ani mechanicky ani chemicky, obvykle se odstraňují, např. jíl, prachovitá hlína.
8
Tabulka 2. Zatřídění zemin podle vhodnosti do násypu a podloží Č.
Název zeminy
Symbol
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
štěrkovitá hlína štěrkovitý jíl písčitá hlína I písčitá hlína II písčitý jíl I písčitý jíl II hlína s nízkou plasticitou hlína se střední plasticitou jíl s nízkou plasticitou jíl se střední plasticitou hlína s vysokou plasticitou hlína s velmi vys.plasticitou hlína s extr.vys.plasticitou jíl s vysokou plasticitou jíl s velmi vys.plasticitou jíl s extra vys.plasticitou písek dobře zrněný písek špatně zrněný písek s příměsí jemnozrn. zem. písek hlinitý písek jílovitý štěrk dobře zrněný štěrk špatně zrněný štěrk s příměsí jemnozrn. zem. štěrk hlinitý štěrk jílovitý
F1 MG F2 CG F3 MS1 F3 MS2 F4 CS1 F4 CS2 F5 ML F5 MI F6 CL F6 CI F7 MH F7 MV F7 ME F8 CH F8 CV F8 CE S1 SW S2 SP S3 S-F
19 20 21 22 23 24 25 26
Násypy 1 2 3
4
Podloží I II III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
S4 SM S5 SC G1 GW G2 GP G3 G-F G4 GM G5 GC
Tabulka 3. Obecné označení zemin a orientační hodnoty geotechnických vlastností
do 60 do 60 do 60 nad 60 do 60 nad 60 do 30 35-50 do 35 35-50 50-70 70-90 nad 90 50-70 70-90 nad 90 -
Proctor Standard Wopt ρd,max (%) (kg/m3) 1550-1900 10-25 1550-2000 12-30 1750-2000 10-25 1600-1950 12-30 1650-2000 12-30 1550-1850 15-35 1600-1800 12-20 1500-1750 15-25 1600-1950 10-30 1550-1900 15-35 1400-1700 15-33 1380-1650 20-35 1350-1550 22-38 1380-1700 17-37 1360-1650 19-39 1330-1500 20-40 -
CBR (%) Při 95% Při wopt saturaci 8-18 5-10 5-10 3-7 5-25 4-15 3-15 2-5 5-30 5-20 2-20 0-4 3-20 2-7 2-15 1-6 3-20 1-8 2-20 0-6 3-7 0-4 2-6 0-3 2-5 0-2 2-7 0-3 1-7 0-3 1-6 0-3 -
5-15
-
1700-2100
8-16
8-70
6-25
15-35 15-35 do 5 do 5 5-15 15-35 15-35
-
1730-2050 1760-2000 1800-2150 1750-2100 1700-2000
8-18 8-20 6-16 8-19 10-23
6-50 4-30 20-90 10-60 5-30
4-15 2-12 6-60 4-40 3-20
Č
Název zeminy
Sym.
f (%)
WL (%)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Štěrkovitá hlína Štěrkovitý jíl Písčitá hlína I Písčitá hlína II Písčitý jíl I Písčitý jíl II Hlína s nízkou plasticitou Hlína se střední plasticitou Jíl s nízkou plasticitou Jíl se střední plasticitou Hlína s vysokou plasticitou Hlína s velmi vys. plasticitou Hlína s extra vys.plasticitou Jíl s vysokou plasticitou Jíl s velmi vys. plasticitou Jíl s extra vys. Plasticitou Písek dobře zrněný Písek špatně zrněný Písek s příměsí jemnozr.zeminy Písek hlinitý Písek jílovitý Štěrk dobře zrněný Štěrk špatně zrněný Štěrk s přím.jemnozr. zeminy Štěrk hlinitý Štěrk jílovitý
F1MG F2CG F3MS1 F3MS2 F4CS1 F4CS2 F5ML F5MI F6CL F6CI F7MH F7MV F7ME F8CH F8CV F8CE S1SW S2SP
35-65 35-65 35-50 50-65 35-50 50-65 nad 65 nad 65 nad 65 nad 65 nad 65 nad 65 nad 65 nad 65 nad 65 nad 65 do 5 do 5
S3S-F S4SM S5SC G1GW G2GP G3G-F G4GM G5GC
19 20 21 22 23 24 25 26
Zatříděním zemin mezi málo vhodné a nevhodné se jejich použití pro dopravní stavby zcela nevylučuje, za předpokladu odpovídajících opatření jako je např. : • zabudováním zemin do vrstevnatého násypu,
9
• •
úprava vlastností zeminy (např. zlepšení cementem, vápnem), vyztužení násypu geotextilií.
Technické geotextilie Technická geotextilie je materiál ze 100 % syntetických vláken, nejčastěji polypropylén, polyetylén, polyester atd. vkládající se u vozovek do konstrukce násypového tělesa a na podloží. Funkce geotextilie : • separační zamezuje promíchání a prohnětení rozdílných zemin vlivem dynamických účinků pojezdu vozidel. • zpevňovací umožňuje přenášet tahová napětí • drenážní odvádí vodu z pórů podloží a tím umožňuje jeho konsolidaci • filtrační zamezuje vyplavování jemných částic zemin prouděním vody • izolační izoluje proti mrazu Druhy geotextilií : - netkané - pouze vrstva vláken ležících na sobě Netkané geotext.se používají při zakládání násypů, stavbě dočasných vozovek atd. Hlavní funkcí netkaných geotextilií při zakládání násypů zabránění pronikání jílovitých a prachovitých částic z podloží do hrubozrnného materiálu násypů. Při kolísání hladiny podzemní vody na úrovni paty násypu zabraňuje vyplavování jemných částic zeminy. - tkané - provázáním vláken Při neúnosnosti podloží je potřeba použít tkané geotext., která zabezpečí mimo drenážní a filtrační funkce i funkci výztužnou a je schopna přenášet tahová napětí. Další možnosti použití tkaných geotextilií: -
vyztužování násypových těles opěrné konstrukce - gabiony vyztužování a zpevnění svahů
10
Zlepšené zeminy Pro posouzení zlepšených zemin se konvenční zkoušky doplňují některými speciálními zkouškami, které podle nových EN hodnotí vhodné vlastnosti a složení zemin pro kvalitní zlepšení pojivem. •
stanovení okamžitého indexu únosnosti (IBI) – účelem zkoušky je posoudit okamžitou únosnost provedené zlepšené úpravy. Principem a postup je shodný se stanovením kalifornského poměru únosnosti jen s tím rozdílem, že se neaplikuje doba zrání a při zkoušení se nepřitěžuje kruhovým závažím simulujícím u CBR hmotnost nadložních vrstev.
Obr. 9 Stanovení okamžitého indexu únosnosti IBI •
obsah uhličitanů – za účelem určení obsahu uhličitanů a stanovení stupně cementace zeminy nebo materiálu. Závisí na reakci vlhké zeminy s kyselinou chlorovodíkovou (HCl), při níž se uvolňuje oxid uhličitý. Zjednodušeně se předpokládá, že jediným přítomným uhličitanem v zemině je uhličitan vápenatý (CaCO3). Měří se jako ztráta hmotnosti zkoušené zeminy při působení HCl.
•
hodnota pH – na výluhu zeminy se používá ke stanovení acidity (kyselosti) a alkality (zásaditosti). Podle hodnoty pH lze orientačně určit množství pojiva tak, aby dostatečně kvalitně proběhla hydraulická reakce ve zlepšené zemině. EADES a GRIM TEST 14
12
hodnota pH
10
8
6
4
2
0 0
1
2
3
4
5
6
7
obsah příměsi CaO v zemině [% ]
Obr. 10 Příklad zvýšení alkality při zlepšování zeminy vápnem
11
Funkční zkoušky zemin a zlepšených zemin Popisované metody stanovení funkčních vlastností se vztahují k určité poloze zhutněné zeminy, zlepšené zeminy stabilizované zeminy (materiálu) v konstrukci vozovky: -
namrzavost zemin a zlepšených zemin přímou metodou,
-
odolnost proti mrazu a vodě,
-
pevnost v příčném tahu s měřením modulu pružnosti,
-
modul pružnosti a trvalé deformace nestmelených zemin a materiálů.
Tyto vlastnosti jsou dle potřeby stanovovány na přirozeném častěji na rekonstituovaném zkušebním tělese zeminy nebo upravené zeminy. Stanovení namrzavosti zemin a zlepšených zemin přímou metodou Principem funkční zkoušky je simulace prostředí v podloží vozovky při vysoké hladině podzemní vody a možnosti promrzání vozovky nejčastěji v jarních nebo podzimních měsících roku. Zhutněná zemina v podloží vozovky je zespodu saturována podzemní vodou, přibližně stejné teploty okolo 4°C a zárove ň je z horní strany přes vrstvy vozovky namáhán mrazem. Mrazový efekt je u této funkční zkoušky zjednodušeně modelován konstantním vodnotepelným režimem s prochlazováním vzorků teplotou -4°C. Míra namrzavosti zemin se určuje vyhodnocením parametru β (součinitel namrzavosti). β = ∆h/ (∆Im)0,5 ∆ h = naměřený zdvih zkoušeného vzorku (mm) Im = index mrazu (oC.h) Nenamrzavá zemina β < 0,25 Mírně namrzavá a namrzavá β = 0,25 – 0,5 Nebezpečně namrzavá zemina β > 0,5
Obr. 11 Zkušební přístroj na stanovení namrzavosti přímou metodou a detail ledových vrstviček způsobujících mrazové zdvihy zhutněných vzorků Odolnost proti mrazu a vodě U stmelených směsí používaných do konstrukčních vrstev vozovek, tedy v konstrukci nad zemní plání, se pro hodnocení citlivosti na vznik mrazových zdvihů používá zkouška pevnosti v prostém tlaku doplněná před vlastním zkoušením dobou zrání vzorků a mrazovými cykly simulujícími střídání vodnotepelného režimu v konstrukci vozovky. Mrazový cyklus obsahuje zmrazení zkušebních válcových těles na teploty okolo -20°C po dobu 6 hodin a pak ná sleduje 18 hodinové rozmrzání při teplotě 20°C. Tento cyklus zmrazování a rozmrazování se op akuje 7 až 13x v závislosti na klimatické oblasti, ve které je stmelená vrstva navržena. 12
Pevnost v tlaku, tahu, příčném tahu s měřením modulu pružnosti Modul pružnosti stmelených směsí tvaru zkušebních válců lze stanovit při zkouškách pevnosti v tlaku a tahu a novém postupu popsaném evropskou normou pevnosti v příčném tahu. Celý postup je popsán v ČSN EN 13286-43. V průběhu zkoušky se zaznamenává křivka závislosti síly na přetvoření, která umožní stanovení modulu pružnosti materiálu (obr. 12)
Obr. 12 Průtahoměr pro zkoušku v tlaku nebo v tahu
Modul pružnosti následovně:
E c nebo E t =
1,2 Fr
π D2 ε3
Obr.13 Grafické vyjádření pevnostního diagramu kde
Ec
je
modul pružnosti v tlaku v MPa;
Et
modul pružnosti v prostém tahu v MPa;
Fr
maximální síla při porušení zkušebního tělesa v N;
D
průměr zkušebního tělesa v mm;
ε3
podélné přetvoření zkušebního tělesa při síle F = 0,3 Fr.
13
se
vypočítá
Stanovení modulu pružnosti zkouškou v příčném tahu V průběhu zkoušky se zaznamenává použitá síla F, změna v délce horizontálního průměru AB a průměru CD, který svírá s horizontálou úhel 60° (viz obr . 14). Vypočítá se Poissonovo číslo a modul pružnosti materiálu.
Legenda
F síla AB horizontální průměr CD průměr CD svírající s horizontálou úhel 60° Obr. 14 Podstata zkoušky při stanovení pevnosti v příčném tahu, pohled na dva průtahoměry Výpočet modulu pružnosti Vypočítá se hodnota ∆φ0 a ∆φ60. Pomocí následujících vzorců se vypočítá Poissonovo číslo ν a modul pružnosti Eit:
ν =
1 + 0,40 Ξ 1,73 − 1,07 Ξ
Eit = ( 0,273 + ν + 0 ,726 ν 2 ) ×
kde
ν
je
0,3 Fr 1 × H ∆φ 0
Poissonovo číslo;
Ξ
je hodnota ∆Φ60 / ∆Φ0;
Eit
modul pružnosti stanovený zkouškou v příčném tahu v MPa;
F
síla působící na zkušební těleso během zkoušky v N;
Fr
maximální síla při porušení v N;
H
délka zkušebního tělesa v mm;
∆Φ0
změna velikosti horizontálního průměru AB při síle F = 0,3 Fr;.
∆Φ60 F = 0,3 Fr.
změna velikosti průměru CD svírajícího s horizontálou úhel 60°p ři síle
14
Modul pružnosti a trvalé deformace nestmelených zemin a materiálů Cyklická triaxiální zkouška patří mezi funkční zkoušky a umožňuje laboratorní zkoušení chování zhutněných materiálů umístěných ve vrstvách vozovky pozemních komunikací v podmínkách simulujících namáhání při zatížení dopravou. Opakované pojezdy vozidel jsou modelovány cyklickým zatěžováním zhutněného vzorku materiálu mnohačetnými krátkodobými impulsy. Zkouška umožňuje stanovení trvalých deformací a modulu pružnosti zhutněných nestmelených materiálů při vystavení různým úrovním zatížení. V cyklickém triaxiálním přístroji se aplikují na válcový vzorek známé hodnoty napětí dle obrázku 15. Takto modelovaný stav napjatosti odpovídá reakci na pojezd jednotlivého kola vozidla v místě přímo pod kolem. Svislé napětí σ1 představuje reakci na svislé zatížení od dopravy a boční napětí σ3, tzv. komorový tlak, vyjadřuje odpor okolního materiálu vůči svislému dopravnímu zatížení. V reálné vozovce působí boční tlaky různé velikosti a platí vzájemný vztah σ1 > σ2 > σ3. Zkoušení za těchto podmínek umožňuje pravý triaxiální přístroj. Pro potřeby běžného silničního laboratorního zkoušení uvažujeme rovnost bočních tlaků σ2 = σ3, vztah mezi napětími tedy zjednodušujeme na σ1 > σ2 = σ3. Průběh zkoušky je patrný z obrázku 4.2. Zatížením se materiál deformuje plasticky (trvale) a elasticky (pružně), jejich sečtením získáme deformaci celkovou. Pružná deformace po odlehčení vymizí, vypovídá nám o pružném chování materiálu. Závislost deformací na počtu cyklů znázorňuje obrázek 16.
Obr. 15 Napětí aplikované na vzorek v cyklickém triaxiálním přístroji
15
Obr. 16 Vývoj trvalých a pružných deformací v průběhu zatěžování Metody měření Rozlišujeme 2 zkušební metody, které se liší použitím komorového tlaku: Metoda A: metoda proměnlivého komorového tlaku Komorový tlak i svislé zatěžování jsou cyklovány ve fázi. Zkoušení za těchto podmínek lépe vystihuje skutečný pojezd vozidla, kolo působí nejen přímo pod sebe, ale namáhá i své okolí. Dochází tedy i k situaci, kdy boční napětí ze směru od kola je větší než vertikální napětí, je tedy vhodné použít cyklický proměnlivý komorový tlak. Metoda B: metoda konstantního komorového tlaku Komorový tlak je stálý a svislé zatěžování cykluje. Umístění materiálu v konstrukci vozovky pozemní komunikace je pro způsob namáhání zásadní. Zatížení vozovky je roznášeno pod určitým úhlem, s rostoucí hloubkou se zvětšuje roznášecí plocha zatížení a napětí s hloubkou klesá. Ve spodních vrstvách už výkyvy bočního tlaku nejsou tolik výrazné a lze tedy uvažovat komorový tlak konstantní.
Obr. 17 Volba úrovně napětí dle umístění ve vozovce
16
Stanovení modulu pružnosti: Metoda B: (σ3r=0)
Metoda A:
Obr. 18 Cyklický triaxiální přístroj v silniční laboratoři PKO, triaxiální zkušební komora
Zkoušení zemin a zlepšených zemin in situ Kontrola míry zhutnění zemin a sypanin Pro zjištění míry zhutnění zeminy na stavbě dle normy ČSN 72 1006 slouží přímé a nepřímé metody kontroly zhutnění.
17
Přímé metody: Stanovení objemové hmotnosti na stavbě a porovnání s objemovou hmotností zjištěnou v laboratoři metodou Proctor standard nebo Proctor modifikovaný při wopt u soudržných zemin (relativní ulehlosti ID u nesoudržných zemin). Poměr se vyjadřuje jako míra zhutnění – uvádí se v % Na stavbě se objemová hmotnost zhutněné zeminy stanoví vyříznutím vzorku pomocí vyřezávacího kroužku (metoda, která se používal dříve – objemová hmotnost se určí z váhy zeminy v kroužku a z rozměrů kroužku) nebo se vyhloubí jamka, jejíž objem se stanoví membránovým objemoměrem příp. vysypáním normovým pískem a hmotnost odebrané zeminy vážením v laboratoři.
Obr. 19 Stanovení objemové hmotnosti zhutněné zeminy na stavbě membránovým objemoměrem
Obr. 20 Požadavky na míru zhutnění podloží a tělesa násyp (SZ – soudržná zemina, NZ – nesoudržná zemina) 18
Pro nesoudržné zeminy se provádí porovnání s indexem relativní ulehlosti ID (podle ČSN 72 1018) Nepřímé metody: Statická zatěžovací zkouška
Obr. 21 Statická zatěžovací zkouška
Zatlačení desky y v mm
Kontaktní napětí p pod deskou v MPa 0,000 0,200 0,400 0,600 0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000
1.zatěž.cyklu s 1.cyklus regrese Odlehčení 2.zatěž.cyklu s 2.cyklus regrese
Obr. 22 Vyhodnocení statické zatěžovací zkoušky Statická zatěžovací zkouška slouží ke kontrole zhutnění zemin a nestmelených podkladních vrstev. Provádí se zatlačováním kruhové desky (∅ 300 mm) tlakem vyvozeným ruční hydraulickou pumpou (viz obr. 21). Zkouška se provádí ve dvou zatěžovacích cyklech s tím, že rozhodující je výsledná hodnota modulu přetvárnosti Edef,2 z druhého zatěžovacího cyklu a poměr modulů Edef,2/ Edef,1, který charakterizuje míru dohutnění materiálu mezi prvním a druhým zatěžovacím cyklem.
19
•
Rázová zatěžovací zkouška
Slouží taktéž ke kontrole hutnění, avšak pouze jako doplněk statické zatěžovací zkoušky. V předpisech nejsou uvedeny mezní hodnoty pro rázovou zatěžovací zkoušku (složité vyhodnocení odezvy dynamického rázu, která je závislá na řadě faktorů jako je vlhkost zeminy, zrnitost atd.), proto je zapotřebí nejprve provést zkoušku statickou + na stejném místě taktéž zkoušku rázovou, čímž se provede “nakalibrování“ a na dalších místech se již provádí pouze zkouška rázová (podstatně rychlejší než statická). V případě pochyb však vždy rozhoduje statická zatěžovací zkouška.
Obr. 23 Rázová zatěžovací zkouška lehkou dynamickou deskou • •
Dynamická kontrolní metoda měřičem zhutnění - kompaktometrem, umístěn na hutnících válcích Radiometrické měření - Troxler
•
Penetrační zkouška např. dynamickým kuželovým penetrometrem
Vodní režim v podloží vozovky Na základě znalosti indexu konzistence nebo hladiny podzemní vody hpv, kapilární vzlínavosti hs, hloubky promrzání dpr je možné stanovit vodní režim v podloží vozovky. Existují tři základní vodní režimy v podloží vozovky: difúzní, pendulární, kapilární
difúzní: Ic >1; pendulární: 0,7 ≤ Ic ≤ 1; kapilární: Ic < 0,7;
hpv ≥ dpr + 2 hs dpr + hs < hpv < dpr + 2 hs hpv ≤ dpr + hs – nejméně příznivý
20
Obr. 24 Charakteristiky pro stanovení vodního režimu Stroje pro stavbu silnic – základní přehled Rýpadla : - používají se pro těžbu a nakládání zemin, hloubení jam a rýh. - mají nejčastěji hydraulické ovládání, zřídka lanové - podle obsahu lopaty se dělí na - lehká - do 1m3 - těžká - nad 1m3 - speciální - s kolovým nebo pásovým podvozkem - s výškovou lopatou, s hloubkovou lopatou, s drapákem
Obr. 25 Typy rypadel Nakladače : - se používají k nakládání sypkých hmot a těžbu v lehkých zeminách - převážně kolové, někdy též pásové - objem radlice 0,5 - 5 m3
21
Obr. 26 Nakladač Dozery : - slouží k plošnému přesunu zeminy stejně jako skrejpry - možno též použít k odstraňování porostů, pařezů, humusu, svahování - hydraulicky ovládaná radlice - podle možnosti natáčení radlice – buldozery, angldozery, tiltdozery - většinou na pásovém podvozku - ekonomická přepravní vzdálenost je 60 m - mohou být vybaveny laserovým nivelačním zařízením - dozer může hrnout zeminu do svahu o sklonu 25o ze svahu o sklonu 30o
Obr. 27 Buldozér Skrejpry : - slouží k těžbě, rozvozu a rozprostření zeminy - hydraulicky ovládané
22
- skrejpr rozpojí zeminu břitem a ta je pak ve směru pohybu vtlačována do korby - elevátorový skrejpr plní korbu lopatkovým elevátorem - po rozpojení a naložení se zemina převáží na uzavřené korbě - vyprazdňování korby se provádí pomocí výtlačné stěny, vyklápěním korby nebo zpětným chodem elevátoru - korba má obsah 2 - 30 m3 - těžení zeminy po spádu - spád menší jak 16o - výjezdy do svahu do 10o - ekonomická rozvozní vzdálenost je 200 - 1200 m pro skrejpry s obj. do 10 m3 1500 - 2000 m pro skrejpry nad 15 m3 - metoda push - pull spřáhnutí
Obr. 28 Skrejpry Grejdry : - používají se převážně k přesnému dorovnání konstrukčních vrstev vozovky a pláně, odřezávání tenkých vrstev, rozhrnování sypkých hmot a na dokončovací práce - ovládání je hydraulické - grejdry jsou vybaveny radlicí v délce 2 - 3,8 m - radlice je umístěna mezi přední nápravou a zadními nápravami na ozubeném kole - radlici je možno spouštět nahoru a dolu, natáčet, vysunovat do stran, naklánět do potřebného sklonu - mohou být vybaveny přední radlicí
23
Obr. 29 Grejdr Dampry : - dopravní prostředky - používají se k odvozu vytěžené zeminy, lomového kamene - od běžných nákladních vozidel se liší masivní konstrukcí, výkonnějším motorem - vývoj damprů směřuje k stále větší nosnosti - běžná tonáž je 45 t, v USA i 250 t - použití dampru vyžaduje, aby celá sestava strojů byla složena z přiměřených dopravních jednotek Zhutňovací stroje : Podle způsobu zhutňování rozeznáváme zhutňování : statické - tlakem - hladké válce s ocelovými běhouny - tlakem a hnětením, které je uplatňováno u válců ježkových, mřížových a pneumatikových, tlak je vyvozován vlastní hmotností těchto válců, běhouny je přenášen tlak do zhutňované vrstvy, vyvozují se smyková napětí, zhutnění je vlastně dosažení smykové pevnosti zeminy (rýhované válce - hlinité písky a štěrky; ježkové statické válce -jíly, hlinité zeminy, hlinité písky a hlinité štěrky) Druhy statických válců: Jednoosý vlečený s 1 běhounem, dvouosý s 1 běhounem, tandemový dvouosý s 2 běhouny, dvouosý s 3 běhouny Celková hmotnost 1 - 15 t Mezi základní charakteristiky statických válců s hladkým ocel. běhounem patří : - celková hmotnost válce - statické lineární zatížení = P/l (N/m) - počet poháněných běhounů - koeficient účinnosti běhounu cw = P/l*d vyjadřuje zhutňovací účinnost P - zatížení běhounu l - šířka běhounu d - vnější průměr běhounu
24
pneumatikové válce: hutnění tlakem a hnětením - možnost změny tlaku v pneumatikách - celková hmotnost 5 - 30 t - 5 - 11 kol (pneumatik) - pneumatiky mají tzv. izostatické zavěšení, které zaručuje rovnoměrné zatížení všech kol - vhodné pro zhutňování soudržných zemin, vhodné j též pro zhutňování asfaltových vrstev - méně vhodné pro nesoudržné materiály
Obr. 30 Pneumatikový válec se zaplachtováním kol vibrační - rázem - pěchovacími deskami - vibrací, realizované vibračními válci Princip vibračního zhutňování vychází ze skutečnosti, že vibrace snižuje vnitřní tření mezi jednotlivými zrny zhutňovaného materiálu. Vibrační válce mohou mít nižší statické lineární zatížení a přesto dosahují značný hloubkový účinek zhutňování. Koeficient účinnosti běhounu vibračního válce : cw = k*P/(l*d) k - dynamický součinitel, má hodnotu 1,5 - 1,8 Mezi základní charakteristiky - viz. statické + - frekvence vibrace a její změna v určitém rozsahu - amplituda vibrace
Druhy : - malé ruční, jednoběhounové samopojízdné - tandemové dvouosé - kombinované - hladký ocelový běhoun + 3 - 5 pneumatik Vhodné nejlépe pro nestejnozrnné nesoudržné zeminy. Kompaktometr - snímač frekvencí - průběžná kontrola (odrazy od zhutňované vrstvy)
25
Obr. 31 Vibrační válec Zemní těleso - vytyčení, budování násypů a výkopů - Tvar svahů musí být volen s ohledem na stabilitu - Vytyčení svahových laviček – doplnit obrázky - násyp, výkop Příčné profily se vytyčují z výškového bodu osazeného v konstantní vzdálenosti kolmo na osu silnice tak, aby kolík nebyl dotčen zemními pracemi. Výšky se přenesou nivelačním strojem od těchto výškových bodů. Vyšší násypy nebo zářezy se vytyčí pouze směrově a před zahájením zemních prací se vyznačí jejich paty nebo hrany výkopu. Kříže se osazují až po přiblížení zemních prací k niveletě pláně. Na obě strany příčného profilu se kolmo na osu osadí kříže v konstantní výšce nad niveletou. Od těchto pevných křížů se vložením přenosného kříže a kolíky vytyčuje úroveň nivelety, výšky okrajů zemního tělesa. Definice – pláň, zemní pláň, konstrukční pláň, aktivní zóna Pláň je horní plocha podloží. Až do úrovně zemní pláně hovoříme o zemních pracích. Zemní pláň je povrch zhutněné zeminy v podloží pod vrstvou vyměněného nebo zlepšeného podloží. Konstrukční pláň je pak horní plocha vyměněného nebo zlepšeného podloží, ne které se začíná s vlastní stavbou konstrukčních vrstev. Pokud se zemina v podloží nevyměňuje nebo nezlepšuje je konstrukční pláň totožná se zemní plání. Aktivní zóna podloží je horní 0,5 m vrstva zemního tělesa, v které se projevují účinky dopravního zatížení. Aktivní zóna má být z nenamrzavé zeminy.
26
