Smyková pevnost zemin Pevnost materiálu je dána největším napětím, který materiál vydrží. Proto se napětí a pevnost udává ve stejných jednotkách – nejčastěji kPa). Zeminy se nejčastěji porušují snykem. Se smykovou pevností zemin to není až tak jednoduché, zemina je třífázová, smykovou pevnost má však pouze pevná fáze. Smyková pevnost se udává pomocí totálních či efektivních parametrů.
Význam pevnosti ve smyku • Bezpečnost jakékoli geotechnické konstrukce je závislá na pevnosti zeminy. Pokud selže základová zemina, poruší se každá konstrukce postavená na zemině. Pochopení smykové pevnosti je základem pro úspěšné řešení většiny geotechnických úloh
Stabilita svahů
Stabilita svahů
Porušení základů – silo Transcosna, Kanada 18.10.1913
Smyková pevnost zemin ovlivňuje návrh všech základů, opěrných konstrukcí, výkopů, náspů a svahů Smyková pevnost je určena a) Smykovými zkouškami laboratorními či in-situ b) Aproximačně na základě obsahu vody, frakce, hustoty a penetračních zkoušek
Tření je obecně závislé na: • dilatanci a kontraktanci • soudržnosti • rychlosti posunu • odporem výstupků proti ulomení • velikostí normálového zatížení
Smyková pevnost zemin • Je dána jejím odporem proti smykovému napětí, tj. je to velikost odporu zeminy k deformaci vyvolané souvislým posunem jejich jednotlivých zrníček • Smyková pevnost zemin závisí primárně na vzájemném působení částic zemin. Porušení smykem vzniká tehdy, pokud díky napětí mezi částicemi zemin dojde k jejich posunu či koulení
Smyková plocha v zeminách • Je idealizována jako přímka či křivka, ve skutečnosti je dána kontaktem částic zemin.
Smyková pevnost zemin • Na smykovou pevnost zemin mohou působit dva vlivy: - soudržnost mezi částicemi zeminy (složka závislá na napětí v zemině) - úhel vnitřního tření zeminy popisující odpor proti tření (nezávislý na napětí v zemině)
Soudržnost zemin • Soudržnost c je míra sil spojujících částice zeminy - Suchý písek nemá soudržnost - Mokrý písek má určitou soudržnost - Jíl má soudržnost
Úhel vnitřního tření zemin • Úhel vnitřního tření zemin ϕ je mírou odporu zeminy k tření
Mohr – Coulombova teorie porušení zeminy • Tato teorie říká, že se zemina poruší kritickou kombinací normálového a smykového napětí a ne pouze normálovým či smykovým napětím
Coulombův vzorec smykové pevnosti τ = c + σ ⋅ tgϕ σ normálové napětí τ smykové napětí c soudržnost zeminy ϕ úhel vnitřního tření zeminy
Smyková pevnost hrubozrnných zemin • Počáteční pevnost τo vlivem zaklínění pórů zanedbám • Mohu zanedbat vliv vlhkosti • Musím uvažovat ulehlost
Smyková pevnost jemnozrnných zemin • Z důvodu malé propustnosti pro nasycené zeminy • V praxi zjednodušení
Vliv času na smykovou pevnost jemnozrnných zemin
Vliv historie zatížení
Určení smykové pevnosti • 1) Měříme nárůst normálového napětí v jednom směru
Určení smykové pevnosti • 2) přímé zavedení smykového napětí
Laboratorní zkoušky Zásadně na neporušených vzorcích ty máme jen z jemnozrnných zemin, hrubozrnné zeminy jen v terénu • Čelisťové přístroje – krabicová zkouška • Triaxiální smykové přístroje - pravý - nepravý • Zkouška v jednoosém tlaku
Krabicová smyková zkouška Vzorek zeminy se poruší ve směru, který je dán konstrukcí přístroje a ne ve směru nejmenší smykové pevnosti. Je možné měřit jak vrcholové, tak i residuální parametry (při vysoké orientaci částic)
Schema krabicového přístroje ČSN 72 1030 krabice 60 x 120 mm
Vrcholová a reziduální pevnost A všesměrné uspořádání částic B vysoká orientace částic τf maximální vrcholová pevnost většinou platí τ = τf τr reziduální pevnost ustálený odpor zemin
Dilatance, kontraktance
Vyhodnocení zkoušky Konsolidovaná odvodněná zkouška => efektivní parametry cef, ϕef Vyrovnám pomocí MNČ přímkou a na ose pro τ odečítám c, sklon přímky určí ϕ (zásadně počítám a neodměřuji)
Triaxiál Přístroj, zavádějící do vzorku napětí různé velikosti v třech osách (x,y,z). Pokud je napětí v rovině (osy x,y) stejné, jedná seo tzv. nepravý triaxiál.
Deviátor napětí
Triaxiál pro velké vzorky
Vzorek ve tvaru válce se poruší ve směru, ve kterém má nejmenší pevnost, stav napjatosti ale většinou neodpovídá stavu napjatosti pod stavební konstrukcí. Úhel vnitřního tření závisí na stavu napjatosti a platí pro odpovídající stav přetvoření.
Vyhodnocení
Dráhy napětí Dráhy napětí znázorňují stav napjatosti a v souřadném systému σ,τ, spojují vrcholy Mohrových kružnic, používají se při konsolidované neodvodněné zkoušce CU
1 dráha napětí při nárůstu druhého hlavního napětí σmax 2 dráha napětí při poklesu menšího hlavního napětí σmin (komorového tlaku) 3 dráha napětí při poklesu menšího napětí σmin a nárůstu hlavního napětí σmax Výchozí stav je při rovnosti napětí
Typy zkoušek UU (unconsolidated – Undrained) nekonsolidované neodvodněné také někdy Q (Quick) nasycený vzorek, voda neodtéká, po rychlém vyvození komorového tlaku σmin vzorek rychle porušíme při napětí σmax
CD (consolidated – drained) Konsolidovaná odvnoněná V průběhu zkoušky ze vzorku odtéká voda (konsoliduje). Při pomalém zvětšování komorového tlaku σmin se i pomalu zvětšuje napětí σmax (druhé hlavní) až do porušení. Získáme efektivní parametry.
• CU (consolidated – undrained) konsolidované neodvodněné vzorek zeminy konsoliduje při komorovém tlaku σmin a při rychlém zvětšování napětí σmax (druhé hlavní napětí) se měří tlak vody v pórech zeminy u. Voda nemá možnost ze vzorku odtékat. Vyhodnocení zkoušky je přes dráhy napětí a parametry porušení – dopočítám efektivní smykové parametry
Zkouška v jednoosém tlaku
Pro měkké až tuhé soudržné zeminy Pevnost je dána soudržností c Úhel vnitřního tření ϕ = 0
Polní zkoušky V terénních podmínkách se používají zkoušky: - Čelistní - Vrtulkové - penetrační
Vrtulková zkouška Vhodná pro měkké až tuhé jemnozrnné zeminy Po zatlačení vrtulky do příslušné hloubky se moment Mmax při usmyknutí Vztah smykové pevnosti τf =c Soudržnost je určena vztahem: d – průměr, h výška vrtulky M max τf =c= π d 2 ⎛ d ⎞ ⎜ h + ⎟ 2 ⎝ 3 ⎠
Čelistní zkouška • Univerzální, vhodná pro všechny zeminy, velikost čelistní se volí podle zrnitostního rozboru zeminy
Penetrační zkoušky • Dynamická –určuji dynamický penetrační odpor • Statická vhodná pro klasifikaci, musím rozlišit typ zeminy – pod kuželem se vyčerpá únosnost zeminy a zemina zplastizuje , určuji specifický penetrační odpor
Výsledky CPT
Prosedavost • Prosedavost (propadnutí, kolaps) je způsobeno změnou struktury zeminy, nevyvolává ho zvětšení zatížení, popisuje se součinitelem poměrné prosedavosti im • Prosedají spraše (vlivem navlhčení se poruší vápnitý tmel) tedy SR <0,6 a n>41% hrubouzrnné zeminy pod dynamickýcm účinkem zmrzlé půdy vlivem nárůstu teploty jíly při zmenšení vlhkosti
Určení součinitele poměrné prosedavosti • Dvojí způsob a) pomocí jedné křivky b) pomocí dvou křivek • Prosedavé zeminy
