3 1cvrstoca Tla

GEOTEHNIČKO INŽENJERSTVO, STRUČNI STUDIJ GRAĐEVINARSTVA

dr. sc. Sanja Dugonjić Jovančević

ČVRSTOĆA TLA


RAVNOTEŽA ELEMENATA

• Napon općeg smjera rastavljamo na normalnu (s) i tangencijalnu (τ) komponentu.

• Normalni su naponi pozitivni kada djeluju kao tlak, suprotno od uobičajenog u mehanici.

• Pozitivni su tangencijalni naponi koji skreću rezultantu napona na ravnini u smjeru kazaljke na satu.

sτ

+


• U suhom se tlu naprezanja prenose preko čvrstih čestica, a u tlu, ispod razine podzemne vode, preko čvrstih čestica i vode.

• Za mehaničko ponašanje tla bitna su naprezanja koja se prenose preko čvrstih čestica (skeleta tla). To su tzv. efektivna naprezanja i označavaju se kao σ'.

• U elementu tla ispod razine podzemne vode razlikujemo, dakle, slijedeće vrste naprezanja: ukupno naprezanje σv i porni tlak u, a njihova razlika je efektivno naprezanje σ'v (koje djeluje na čvrste čestice)

EFEKTIVNA I UKUPNA NAPREZANJA

uvv '

ČVRSTOĆA TLA

PARAMETARI ČVRSTOĆE TLA

1.



ČVRSTOĆA TLA

• Pod pojmom čvrstoće tla u području geotehnike općenito se podrazumijeva posmična čvrstoća zbog toga što do slučaja sloma tla kod građevina izrađenih od zemljanih materijala, te ostalih objekata temeljenih na tlu, dolazi prekoračenjem posmične čvrstoće tla.

• Za uspješno rješavanje problema u mehanici tla nužno je poznavati parametre čvrstoće tla na smicanje.


PARAMETRI ČVRSTOĆE TLA

• Ovi parametri su kohezija (c) i kut unutarnjeg trenja između čestica ().

• Razlikujemo dva tipa pokusa i aparatura za mjerenje čvrstoće tla na smicanje:– Aparati s fizikalno uvjetovanom plohom sloma

unutar ispitanog uzorka– Aparati s definiranim tenzorom naprezanja,

odnosno glavnim naponima koji djeluju na uzorak


ČVRSTOĆA TLA

• Tlo se ponaša elasto-plastično. • Međutim, potrebno je definirati neki kriterij (zakon) sloma,

kako bi se slom u tlu (i vrijednost posmične čvrstoće tla) mogao jednoznačno odrediti.

• U mehanici tla najčešće koristimo Mohr-Coulombov zakon sloma.

linearno elastièanelasto plastièan


MOHROVA KRUŽNICA NAPREZANJA

+τ

+s

s1 is3 su veći i manji glavni napon

s3 s1+s(s1+s3)/2

U koordinatnom sustavu s, τ napone možemo prikazati kao točke na kružnici polumjera (s1-s3)/2, sa središtem u točki [(s1+s3)/2, 0]

Zraka koju iz točke C (pol Mohrove kružnice) povučemo pod kutom q (kut ravnine sloma) siječe kružnicu u točki A koja ima koordinate (s, τ ).

C

A

q

s

τ

(s1-s3)cosqsinq

(s1-s3)cos2q

1

3f

f


ČVRSTOĆA TLA

• Slom u tlu nastaje kada kružnica naponskog stanja tangira karakterističnu anvelopu materijala, odnosno graničnu liniju otpornosti materijala

+τ

+s

s3 s1

qc

τf

c

c*ctg

τf =c+stg

MOHR-COULOMBOV ZAKON POSMIČNE ČVRSTOĆE


τf- čvrstoća tla na smicanje (kN/m2)

c- kohezija (kN/m2)s- normalni napon u tlu

(kN/m2)- kut unutarnjeg trenja

između čestica (°)

Ravnina sloma

ANVELOPA SLOMA

s



• Kut unutarnjeg trenja- predstavlja kut trenja između čestica materijala

• Kohezija- privlačna sila između istovrsnih čestica, karakteristična za sitnozrnaste materijale (ovisi o granulometrijskom sastavu i plastičnosti materijala, koeficijentu pora i elektrokemijskom sastavu porne vode; DAKLE NIJE KONSTANTNA)


Kako sadržaj vode utječe na parametre čvrstoće?

• U kombinacijama hidrofobnih minerala, voda djeluje kao mazivo pa se koeficijent trenja smanjuje. Već sama prisutnost vlage na površinama minerala uzrokuje te efekte.

• Vidi se jasno da prisutnost vlage ili vode povećava koeficijent trenja u kombinaciji hidrofilnih minerala-voda je antimazivo.


ODREĐIVANJE PARAMETARA ČVRSTOĆE

APARAT ZA DIREKTNO SMICANJE (IZRAVAN

POSMIK)

APARAT ZA TRIAKSIJALNO

SMICANJE (TRIAKSIJALNI APARAT)



APARAT ZA DIREKTNO SMICANJE (IZRAVAN POSMIK)

• Aparat za direktno smicanje je jedan od najstarijih aparata za ispitivanje u mehanici tla.

• Služi za određivanje parametra čvrstoće tla u laboratorijskim uvjetima.

• Prema načinu opterećenja uzorka u uređaju razlikujemo aparate uz konstantan prirast sile i aparate uz konstantan prirast deformacija.

• U suvremenim izvedbama se većinom brzina smicanja može kontrolirati od one veoma male pa do one od par milimetara na sat.

• Prema obliku uzorka i aparata razlikujemo kvadratične i prstenaste aparate na smicanje.

Posmično naprezanje na ravnini smicanja (horizontalna ravnina) izračunava se kao omjer H/A , gdje je H horizontalno opterećenje uzorka, a A je površina presjeka uzorka.




Dimenzije uzorka su najčešće 6x6 cm, a postavljen je između dvaju okvira, smješten je na poroznoj nazubljenoj propusnoj pločici (danas se koriste metalne ploče) i pokriven je takvom pločom. Na gornji dio aparata postavljena je ploča koja direktno naliježe na uzorak i na tu ploču direktno nanosimo odgovarajuće vertikalno opterećenje. Odmah nakon konsolidacije tla pod vertikalnim opterećenjem nanosi se horizontalna sila. Okvir s uzorkom fiksiran je u otvorenoj kutiji koja se nalazi na kugličnim ležajevima te se tako bez otpora može pomicati u smjeru djelovanja sile. Vanjsku kutiju gura vreteno a gornji se dio okvira odupire o nepokretnu potporu preko mjernog prstena kojim se mjeri sila uzorka. Silu povećavamo dok ne dođe do smicanja, tj. pomicanja gornjeg okvira u odnosu na donji okvir (ravnina sloma je unaprijed jasno definirana).


• U pravilu se provode tri pokusa pri različitom vertikalnom opterećenju. Veličine vertikalnih naprezanja treba birati tako da obuhvate mogući raspon normalnih naprezanja koja se u razmatranom problemu mogu javiti u tlu.

• Svaki od tri pokusa smicanja provodi se u dvije faze. Prvu fazu čini konsolidacija pod vertikalnim opterećenjem, a drugu fazu smicanje.

• U slučaju ispitivanja krupnozrnih tala dobre propusnosti, pokus se može provoditi na suhim uzorcima u kojima nema konsolidacije, ali svejedno treba mjeriti smanjenje volumena uzorka uslijed vertikalnog opterećenja.



PRIJENOSNI UREĐAJ ZA DIREKTNI POSMIK

MJERAČ HORIZONTALNE SILE

MJERAČ HORIZONTALNOG POMAKA

MJERAČ VERTIKALNOG POMAKA USLIJED VERTIKALNOG OPTEREĆENJA

UREĐAJ ZA NANOŠENJE VERTIKALNE SILE

MJERAČ VERTIKALNE SILE


• Nedostaci pokusa direktnog smicanja:– Stanje napona u uzorku nije homogeno (dolazi do

koncentracije naprezanja i pada naprezanja)– Nije moguće mjeriti veličinu pornog tlaka, pa je zakon

čvrstoće izražen u ukupnim naponima koji uključuju i porni tlak.

– S prirastom deformacije smanjuje se površina smicanja





SMICANJE (TRIAKSIJALNI

APARAT)

Prednosti aparata za triaksialno smicanje• Uvjeti dreniranja su kontrolirani i unaprijed određeni• Može se mjeriti porni tlak• Ugrađuju se neporemećeni uzorci• Tok pokusa može se prilagoditi problemu




APARAT) • Ćelija u koju se ugrađuje uzorak sastoji se od metalne ploče s postoljem za uzorak, zatim cilindra od pleksi-stakla,

• Uzorak je smješten na postolju na poroznoj pločici, a iz postolja vode dva izvoda.

• Na gornji kraj uzorka postavi se kapa za raspodjelu aksijalne sile. Između dviju kapa uzorak je u nepropusnoj gumenoj membrani,

• Bočni tlak u ćeliji održava se pomoću hidrauličke ćelije A; njezin se klip po potrebi može dizati i spuštati okretanjem vretena kontrolnog cilindra B.

• Tlak u ćeliji mjeri se Manometrom M 3. σ

HIDRAULIČNA ĆELIJA

KONTROLNI CILINDRI B i G

VENTILI

INDIKATOR PROMJENE VOLUMENA

MANOMETAR




APARAT)

• Uzorak se može drenirati otvaranjem ventila C, pa se promjena volumena mjeri graduiranom biretom D.

• Kad porni tlak rate u uzorku voda se preko E ventila drenira iz uzorka u indikator F i time potiskuje u njemu živu.

• Okretanjem kontrole na cilindru G može se utisnuti nešto vode na desnu stranu indikatora. Time se povećava tlak, a ravnoteža je s pornim tlakom uspostavljena kada je živa u indikatoru ponovno u početnom položaju.

• Porni tlak se registrira na manometru Mp.• Aksijalno opterećenje izaziva se dizanjem

uređaja u okviru za opterećenje prema gornjoj nepokretnoj prečki konstantnom brzinom koja se može regulirati, a sila P mjeri se na baždarenom prstenu H.

HIDRAULIČNA ĆELIJA

KONTROLNI CILINDRI B i G

VENTILI

INDIKATOR PROMJENE VOLUMENA

MANOMETAR





APARAT)

• U troosnom pokusu valjkasti se uzorak tla, obavijen tankom gumenom membranom, postavlja na postolje s filtarskim kamenom.

• Slijedi punjenje ćelije uređaja vodom, koja tijekom pokusa uzorku nameće zadani izotropni tlak sc (jednak u svim smjerovima)

• Povećanjem tlaka vode u ćeliji, raste i tlak vode u porama uzorka, za istu veličinu.

• Pokus se može izvoditi u dreniranim i nedreniranim uvjetima. Ako je ventil zatvoren, uzorak će biti u nedreniranim uvjetima. Ako je otvoren, voda će početi istjecati iz uzorka dok višak tlaka vode ne padne na nulu (drenirani uvjeti), što predstavlja proces konsolidacije za sitnozrna tla.

1. faza





APARAT)

• Nakon prve, nedrenirane ili drenirane faze pokusa, prelazi se na drugu fazu.

• Započinjemo dodavanjem inkrementa vertikalnog naprezanja (vertikalna su ukupna naprezanja veća od horizontalnih ukupnih naprezanja za s1 )

• Novo vertikalno opterećenje na uzorak opet izaziva promjenu tlaka vode u uzorku

• Smicanje se dodatnim inkrementima vertikalnog opterećenja provodi do sloma uzorka

2. faza


• Konsolidirani drenirani pokus (CD)- Kod ovog pokusa dreniranje se vrši cijelo vrijeme izvođenja pokusa pa dolazi do potpune konsolidacije. Takav pokus traje dugo jer se vertikalno opterećenje vrši u velikom broju malih stupnjeva, a pri svakom stupnju se mora sačekati konsolidacija. Tokom pokusa porni tlak je u=0 , pa su svi naponi efektivni (Nonveiller, 1979.)

razlikuju se veličine ćelijskoga tlaka sc u pojedinom pokusu

• Konsolidirani nedrenirani pokus (CU)- Uzorak se potpuno konsolidira za normalni ili hidrostatski napon. Nakon konsolidacije se opterećuje silom smicanja relativno velikom brzinom tako da u zoni smicanja nastaje porni tlak. Zbog nastalog pornog tlaka dobiveni parametri cdu i Φdu su manji od parametara cd i Φd jer porni tlak smanjuje efektivne napone ' na zonama sloma. Brzina opterećenja u triaksijalnom σpokusu mora biti tako mala da se porni tlak za vrijeme smicanja izjednači u uzorku. Zato je najpogodnija brzina 0,02 % visine u minuti, tako da pokus do sloma traje najmanje 8 sati.


• Nedrenirani nekonsolidirani pokus (UU)-Uzorak se pri pokusu optereti bez dreniranja i odmah smiče vodoravnim ili aksijalnim opterećenjem. Brzina opterećenja ne dopušta ni konsolidaciju ni redistribuciju pornog tlaka u zoni smicanja. Takvi pokusi daju parametre cu i Φu ; kohezija cu je veća od cdu i cd , a Φu je manji od Φd.

neovisno o veličini primijenjenog ćelijskog tlaka, pri nedreniranom smicanju potreban isti inkrement vertikalnog opterećenja do sloma

• Anizotropno konsolidirani drenirani i nedrenirani pokusi (CA, CAU)- Uzorak se konsolidira za napone σ3=K0* σ1 ; K0 je koeficijent tlaka mirovanja sto odgovara uvjetima u kojima je uzorak bio u terenu, odnosno da je radijalna deformacija εr=o Zatim se smiče drenirano ili bez dreniranja.

3 1cvrstoca Tla

Documents

Transcript of 3 1cvrstoca Tla