Zdroje • • • •
www.fsv.cvut.cz – osobní stránky Vaníček: Mechanika zemin, ČVUT Verruijt: Soil Mechanics Časopis Geotechnika, Tunel
Mechanika zemin 1. Vznik zemin , fáze zeminy, půdně mechanické vlastnosti, obsah pevné fáze (složení - velikost částic), mineralogické složení, tvar zrn, 2. Křivka zrnitosti, indexové vlastnosti zemin, klasifikační systémy 3. Voda v zemině, propustnost zemin, síly mezi kapalnou a pevnou fází, struktura zemin, Darcyho zákon, proudový tlak
Zemina Zemina vzniká rozkladem hornin, v mechanice zemin se „nepracuje“ s půdou, ta se pokládá za organickou zeminu.
Vznik zemin
HORNINY Vyvřelé Přeměněné Sedimentární
Mechanické zvětrávání
Chemické zvětrávání
(hrubozrnné z.)
(Jemnozrnné z.)
1- Oxidace 2- Vymývání 3- Hydrolýza 4- Rozpouštění
1- Klimatické vlivy Telota a deště 2- Odprysky (Vůlivem napětí v masivu) 3- Zvětrávání Gravtace, vítr, voda led 3- Organická činnost (kořeny, hmyz, červi)
Zemina Vznikly na místě rozpadu horniny (in situ ) . Residuální zeminy mají have geomorfologické vlastnosti blízké matečné hornině
Residuální Zeminy
UTVÁŘENÍ ZEMINY
Transportované zeminy 1- Gravitací
Deluvia
2- Vodou
Aluvia
3- Větrem 4- Ledem
Váté Ledovcové
4 základní procesy • Denudace (různé typy zvětrávání- fyzikální, chemické) • Transport a ukládání • Sedimentace (přeměna ve skalní horninu) • Pohyb zemské kůry (pozvolné či náhlé – zemětřesení)
Vznik zemin Cyklus tvorby zemského povrchu v geologickém času
Zvětrávání Fyzikální redukuje velikost částic, zvyšuje povrchovou plochu a pórovitost , např změna teploty, vliv ledu apod. Chemické závisí na přítomnost vody, je nutná hydratace (povrchová absorpce vody), rozlišujeme hydrolýzu, výměnu kationtů, oxidaci, rozpouštění atd. Klima vliv podnebí, topografie, biologických faktorů
Zeminy dle vzniku Reziduální zeminy (eluvia) vznikly zvětráním a nebyly transportovány Transportované zeminy Deluvia gravitační projevy na svazích (svahové z.)
Aluvia zeminy transportované vodou
Ledovcová zemina
Detrakce – ledovcová abraze
Váté zeminy
Reziduální zeminy
Struktura zemin MAKROSTRUKTURA - Velké měřítko, sledujeme texturu zeminy vrstvičky zemin, trhliny a místa oslabení MIKROSTRUKTURA - malé měřítko, sledujeme strukturu ojedinělých zrn - hlavně jílovitých minerálů a jejich spojování
Jílové částice v elektronickém mikroskopu Jíl (30000x)
Písek (2000x)
Složení jílových minerálů Jílové minerály se skládají ze dvou odlišných prvků – křemíku a hliníku Čtyřstěn křemíku Osmistěn hliníku
Jílové minerály Vrstvy čtyřstěnů a osmistěnů tvoří jednotlivé jílové minerály, jejich vazby ovlivňují chování jílů
Druhy jílových minerálů • • • •
Kaolinit (barvy, farmacie) Illit Montmorillonit Bentonit (stavebnictví)
Kaolinit Se významně podílí na smršťování a bobtnání zemin
Disperzní struktura Umělý stav pomocí chemických látek, výslednice všech sil je záporná, kontakt stěna - stěna
Flokulace Sedimentace v moři, výslednice všech sil je kladná, kontakt hrana stěna
Aplikace • U jemnozrnných zemin voda velice ovlivňuje jejich vlastnosti • Příklad „Quick“ jíly (sensitivní) vlhkost větší než 100% a cementaci vnitřních vazeb. Při porušení vnitřních vazeb vyplavením solí dojde k jejich plnému ztekucení během okamžiku.
Jílové částice
Voda
Zeminy jako 3 fázové prostředí Zrna Vzduch Voda
Zrna zeminy • Zemina obsahuje částice od 1x10-3 až po 1x103 mm. • Tvar částice se nahrazuje náhradním průměrem d (předpokládá se koule) • Podle náhradního průměru rozeznáváme frakce zeminy
Frakce zeminy (velikost zrn)
Křivka zrnitosti • Je součtová čára, jejíž každý bod udává kolik procent z celkové hmotnosti vzorku činí hmotnost všech zrn menších než určitý průměr zrna d v mm.
K čemu křivka zrnitosti slouží • • • • •
Pro klasifikaci zemin Pro určení propustnosti zemin Pro určení namrzavosti zemin Určení vhodnosti zeminy do drenáží Určení vhodnosti zeminy do betonu
Zkoušky pro určení křivky Sítový rozbor (prosévací) • Pro zrna > 0,06 mm • Výsledkem jsou zbytky na sítech, propady v % musím dopočítat
Zkoušky pro určení křivky • Hustoměrná metoda • Na základě Stokesova zákona určím zastoupení částic
Zrnitostní křivka
Charakteristiky křivky • Číslo nestejnozrnitosti dx průměr zrn připadající x% propadu zrn < 5 stejnozrnné > 15 nestejnozrnné
Určení dx
Charakteristiky křivky
• Číslo křivosti
Fáze v zemině Pevná fáze (zrna) Kapalná a plynná (voda a vzduch v pórech)
Vzájemné poměry fází
3 poměry objemů (1) Číslo p=orovitosti e (dáno desítkově, 0.65) e=
Celkový objem po´rů
(V p )
Celkový objem pevné fáze (Vs )
(2) Pórovitost n (dána procentně, 65%) pro e = 1 je n = 50% Vs e e n= = Vs (1 + e) 1 + e
n=
Celkový objem po´rů (V p )
Celkový objem vzorku (V )
⋅100%
(3) Stupeň nasycení Sr (dán desítkově, 0,25) S=
Objem vody ve vzorku (Vw ) Celkový objem po´rů (V p )
3 poměry objemů • (1) Číslo p=orovitosti e (dáno desítkově, 0.65) e=
Celkový objem po´rů
(V p )
Celkový objem pevné fáze (Vs )
Stupeň nasycení - saturace • Dělení zemin dle Sr: vysušené suché zavlhlé vlhké velmi vlhké vodou nasycené
- Sr = 0,0 - Sr = 0 až 0,22 - Sr < 0,25 - Sr = 0,25 až 0,80 - Sr > 0,80 - Sr = 1,0
• Saturace je důležitá při určování stability svahů a podzemních stavbách
Stupeň nasycení – saturace (2) • Stabilita svahů je významně ovlivněna povrchovou vodou.
Pórovitost • Pórovitost písků bývá 30-40 %, tedy nižší než u hlín a jílů, kde je 33 – 55 %, i když póry v písku jsou větší. Aplikace: změny objemu při posunu zrn e = 0.91,
Kontraktance
e = 0.65,
Dilatance
Pórovitost (2) Zemina
Číslo
pórovitosti
Pórovitost
[%]
Obj. tíha
suché zem.
emax
emin
nmax
nmin
γdmin
γdmax
Stejnozrnný písek
1,0
0,40
50
29
13,0
18,5
Prachovitý písek
0,90
0,30
47
23
13,7
20,0
Hrubozrnný písek
0,95
0,20
49
17
13,4
21,7
Štěrk
0,85
0,14
46
12
14,0
22,9
Pórovitost (4) • A) e = 0.91
• Ucpání Malá částice nemůže projít skrz pór
B) e = 0.65
Obsah vody v zemině • Vlhkost (hmotnostní) w (dána procentně ) Hmotnost vody ve vzorku ( M v ) w= ⋅100% Hmotnost vzorku vysušeného ( M s ) • •
Pro některé organické zeminy w>100% až do 500 % Pro „quick“ jíly (sensitivní), w>100%
• Hustota vody (závisí na teplotě)
Hustota, tíha Hustota (měrná hmotnost) udává množství látky čili míru setrvačnosti tělesa. Hustota je všude stejná. Hmotnost (Hmota) zákl. fyz. veličina, Hustota, ρ = Hmotnost Objem učuje se vážením (porovnání tíhových Tíha Hmotnost × g účinků) Objemová tíha, γ = = Objem
Tíha je síla, gravitace působící na g : gravitační zrychlení těleso. Hodnota není stejná pro všechna místa (Newtonův druhý zákonγ = ρ ⋅ g = ρ ⋅ 9.81 m 2 sec F = ma) Voda, γ = 9.8 kN
Objemová tíha se používá častěji než hmotnosti (např. výpočet tíhy nadloží)
m3
Objem
Hmotnosti zeminy • a. Objemová hmotnost suché zeminy
ρd =
Hmotnost pevných částic( M s ) Celkový objem vzorku (V )
• b. Objemová hmotnost zeminy v přirozeném uložení (0%<S<100%, Nenasycená)
Hmotnost vzorku ( M s + M w ) ρ= Celkový objem vzorku (V )
• c. Objemová hmotnost plně nasycené zeminy (S=100%, Va =0)
ρ sat
Hmotnost pevných částic + vody ( M s + M w ) = Celkový objem vzorku (V )
• d. Objemová hmotnost zeminy pod hladinou vody ρ' = ρsat − ρ w
Hmotnosti zeminy 2 • Objemová tíhy zeminy pod hladinou vody:
γ ' = γ sat − γ w Archimedův zákon: Vztlaková síla působící na ponořené těleso je rovna tíze kapaliny vytlačené tělesem.
• Hustota pevných částic (měrná hmotnost Ms pevných částic): ρs = Vs
• Měrná tíha pevných částic: γ s = ρs ⋅ g
Vlastnosti
Zeminy nesoudržné charakteristiky Index ulehlosti Id
emax − e ID = emax − emin
Id <0 u nezhutněných zmrzlých písků Id >1 narušená eluvia žuly, která nebyla přemístěna e - číslo pórovitosti min – nejtěsnější uložení max – nejkypřejší uložení
Rozsahy Id Id 0 – 1/3 1/3 – 2/3 2/3 – 1
Stav kyprý středně ulehlý ulehlý
Zeminy soudržné - charakteristiky Ic stupeň konzistence Charakterizuje číselně konzistenšční stav wL − w IC = wL − wP
Stupeň konzistence - rozsahy Ic >1 1 – 0,5 0,5 – 0,05 < 0,05
konzistence pevná – tvrdá tuhá měkká kašovitá - tekutá
Index plasticity I P = wL − wP IP určuje plasticitu zeminy Plasticita
Symbol
Mez tekutosti
nízká střední vysoká velmi vysoká extrémně vysoká
L I H V E
wL ≤ 35 % wL = 35 – 50 % wL = 50 – 70 % wL = 70 - 90 % wL ≥ 90 %
Příklad 1 Zrnitostní křivka 30 g zeminy průměr zrna [mm]
zbytek na sítu [g]
celkem propad [g]
propad [%]
4
0
30
d10
2
0,67
d30
1
0,64
d60
0,5
1,55
Cu
0,25
5,69
Cc
0,125
6,24
0,044
40,60
0,014
26,50
0,0068
21,20
0,0033
10,60
Zrnitostní křivka
Charakteristiky křivky • Číslo nestejnozrnitosti dx průměr zrn připadající x% propadu zrn < 5 stejnozrnné > 15 nestejnozrnné
Charakteristiky křivky • Číslo nestejnozrnitosti dx průměr zrn připadající x% propadu zrn < 5 stejnozrnné > 15 nestejnozrnné
Charakteristiky křivky
• Číslo křivosti
