Zbijenost tla

Zbijenost nevezanog tla

Zbijenost nevezanog tla zavisi od veličine i oblika čvrstih čestica kao i od njegove strukture. Kod nevezanog tla postoje odgređene granice u kojima se kreću vrednosti poroznosti n i koeficijenta poroznosti e za najređu i najgušću strukturu.

Ako se nevezani materijal osuši i polako sipa u menzuru, tako da se pri sipanju ne zbija, dobije se njegova najređa struktura. Ovoj strukturi odgovara koeficijent poroznosti e_max, čija se vrednost za pesak kreće u granicama

e_max = 0,7 – 1,0.

Ako se isti materijal sipa u menzuru u tankim slojevima i svaki sloj se nabije drvenim maljem do stalnosti zapremine, tj. dok ne prestane pod nabijanjem da se sleže, dobije se njegova najgušća struktura. Ovoj strukturi odgovara koeficijent poroznosti e_min, čija je vrednost za pesak

e_min = 0,45 – 0,65.

Zbijenost nevezanog tla se izražava relativnom zbijenošću I_D, koeficijentom koji pokazuje stepen zbijenosti nekog tla u odnosu na najveću zbijenost:

gde je e koeficijent poroznosti tla u prirodnom stanju zbijenosti. Krajnje vrednosti relativne zbijenosti su:

            za najređu strukturu e = e_max; I_D = 0

            za najgušću strukturu e = e_min; I_D = 1.

Kriterijum za zbijenost peskovitog tla je prema Terzaghiu:

                za retko zbijeni pesak              I_D = 0 – 1/3

                za srednje zbijeni pesak         I_D = 1/3 – 2/3

                za  gusto zbijeni pesak            I_D = 2/3 – 1.

Kod nasipa na putevima i na nasutim branama zahteva se da bude I_D = 2/3 – 1.

Umesto gornjeg obrasca može se staviti

gde je V zapremina neporemećenog uzorka tla, V_max zapremina iste količine tla u stanju najmanje zbijenosti i V_min zapremina iste količine tla u stanju najveće zbijenosti.

 

Zbijenost vezanog tla

Kod vezanog tla zbijenost ne zavisi samo od veličine i oblika čvrstih sastojaka kao i od njegove strukture, već i od kohezije koja vlada u ovom tlu. Usled kohezije, čvrste čestice su slepljene među sobom i istiskivanje vode iz pora vezanog tla pri zbijanju je mnogo teže nego kod nevezanog, čije čvrste čestice nisu slepljene i lako se pomeraju pod opterećenjem tla.

Pri zbijanju vezanog tla, količina vode u tlu je od velikog značaja. Nabijanjem vezanog tla istiskuje se voda iz njegovih pora i smanjuje debljina vodenog filma, takođe se smanjuje poroznost tla, a povećavaju se njegova čvrstoća smicanja i zapreminska težina. Što je veća zapreminska težina tla, to će u jedinici njegove zapremine biti više čvrstih sastojaka, a manje pora. Ovaj odnos je karakterističan za nabijanje tla, te je usvojen kao osnova za ocenu zbijenosti vezanog tla. Kontrola zbijenosti tla se vrši pomoću suve zapreminske težine tla

γ_d = W_d / V [N/cm³]

gde je W_d težina uzorka tla potpuno isušenog, u N, V zapremina istog uzorka u stanju njegove zbijenosti pre sušenja, u cm³.

 

Proktorov opit

Za određivanje odnosa između količine vode u tlu i njegove zbijenosti služi Proktorov opit. Ovim opitom određuje se optimalna vlažnost, tj. vlažnost pri kojoj kada se tlo zbije, daje maksimalnu suvu zapreminsku težinu za datu energiju zbijanja. Opit se vrši pomoću Proktorovog aparata (sl. 1), koji se sastoji iz metalnog cilintra unutrašnjeg prečnika Ø = 10cm, visine 12cm (sl. 1a), nastavka cilintra istog prečnika visine 10cm (sl. 1b) i metalnog nabijača prečnika 5cm, težine 2,5N u cilindričnoj vođici nešto većeg prečnika, koja je na donjem kraju otvorena, a na gornjem zatvorena, samo sa malo širim otvorom za prolaz drške nabijača (sl. 1c). Cilindar se svojim donjim krajem postavlja na nešto veću metalnu ploču, gde ostaje dobro učvršćen za vreme nabijanja.

Za opit uzorak se isuši i proseje kroz sito otvora 5mm, da bi se izbegao uticaj velikih zrna, koja mogu da poremete opit. Zatim se uzorak izmeša sa proizvoljnom količinom vode, koja ipak ne treba da bude suviše velika, jer uzorak ne sme biti u kašastom stanju (pošto se tada ne bi mogao zbijati), niti suviše mala jer se ne bi mogao obrađivati. Potom se uzorak stavlja u cilindar sa nastavkom na gornjem kraju i to najpre jedan sloj od oko 8cm visine u nezbijenom stanju, koji se zatim nabija sa 25 udara maljem, ravnomerno raspoređenih na celoj površini uzorka. Udari se izvode slobodnim padom malja sa visine 30cm, što se postiže postavljanjem donje ivice otvorene vođice na površinu uzorka i podizanjem malja do gornjeg zatvorenog kraja vođice, odakle se pušta da slobodno pada na uzorak. Posle toga nanosi se novi sloj istog uzorka debljine takođe 8cm, koji se nabija sa daljih 25 udara maljem i isti postupak se ponovi sa trećim slojem. Po završenom nabijanju skida se nastavak cilindra i poravna se gornja površina uzorka sa ivicom donjeg cilindra, odstranjujući pri tome višak zemlje iznad ove ivice. Iz ovog cilindra se izvadi uzorak nabijenog materijala tla pomožu manjeg cilindra i zatim određuje njegova suva zapreminska težina γ_d i vlažnost w.

Sl. 1. Proktorov opit

Ovaj opit se ponavlja 5 do 6 puta, uvek sa svežim, neobrađenim materijalom od istog uzorka, ali svaki put sa drugom količinom vode tako da se dobiju različite vrednosti za γ_d i w. Rezultati opita nanose se na dijagram i to na osovinu apscisa, vlažnost tla w, a na osovinu ordinata suva zapreminska težina γ_d (sl. 2). Dobijene tačke se povezuju tako da se dobije kriva linija, koja pokazuje da u početku sa porastom vlažnosti raste i suva zapreminska težina tla do izvesnog maksimuma, a zatim da sa daljim povećanjem vlažnosti ona opada. Vlažnost w_opt koja odgovara najvećoj suvoj zapreminskoj težini _maxγ_d zove se optimalna vlažnost. Usvaja se da se pri ovoj vlažnosti postiže najveća zbijenost tla za datu energiju nabijanja. Opit izveden na navedeni način zove se standardni Proktorov opit.

Sl. 2. Proktorov dijagram

 

Uticaj zrna veličine preko 5 mm

Opitima je utvrđeno, da zrna veličine preko 5 mm u materijalu koji se nabija po Proktorovom opitu nemaju znatnijeg uticaja ako su sadržana do 25% ukupne mase. Međutim, ako takvih zrna ima više od 25%, njihov uticaj se mora uzeti u obzir, što se može učiniti proračunom suve zapreminske težine mešavine materijala tla po metodi proporcionalnosti ili pomoću modifikovanog Proktorovog opita.

                Proračun suve zapreminske težine mešavine materijala tla po metodi proporcionalnosti

Po ovoj metodi izračunava se suva zapreminska težina mešavine materijala tla γ_dm na bazi proporcionalnosti zastupljenih zrna veličine preko i ispod 5 mm u masi po obrascu:

gde je γ_d suva zapreminska težina materijala prošlog kroz sito otvora 5 mm

              γ_sc zapreminska težina čvrstih čestica zaostalih na situ otvora 5 mm

              m težinski procenat materijala zaostalog na situ otvora 5 mm, u odnosu na celu masu.

 

                  Modifikovani Proktorov opit

Prema iskustvima američkog Bureau of Reclamation, ako zrna veća od 5 mm ima preko 1/3 do 2/3 ukupne mase tla, onda treba izvršiti opit sa ukupnom masom. Pošto to nije moguće uspešno izvršiti u cilindru prečnika 10 cm, opit se vrši u cilindru većeg prečnika tzv. modifikovanim Proktorovim opitom. Ovaj oput vrši se sa cilindrom prečnika 15,2 cm, visine 23,2 cm u kome se uzorak u količini od 5,5 kp nabija u tri približno jednaka sloja sa po 50 udara maljem težine 4,53 kp, visine pada 45,7 cm. Ako uzorak sadrži zrna veličine do 20 mm, opiz se vrši sa neporemećenim materijalom, a ako sadrži zrna krupnija od 20 mm, onda se količina od 5,5 kp uzorka proseje kroz sito od 20 mm a ostatak na tom situ zameni materijalom veličine 5 – 20 mm.

Napominje se da se pored opisanog modifikovanog Proktorovog opita usvojenog za navedenu svrhu, svaki drugi način izvođenja ovog opita, koji se razlikuje od standardnog, takođe naziva modifikovani Proktorov opit.

 

Energija zbijanja

Energija zbijanja uzorka u Proktorovom cilindru može se izraziti jednačinom

gde je N broj udara maljem, h visina pada malja u m, W težina malja u Mp (megapond), V zapremina uzorka u m³.

Sa povećanjem energije zbijanja postiže se veća zbijenost uzorka, smanjuje se njegova poroznost, odnosno količina vode u tlu, a povečava suva zapreminska težina. Za energije zbijanja E₁, E₂, E₃ i E₄ dobijamo odgovarajuće Proktorove dijagrame na sl. 3. Svi ovi dijagrami tangiraju asimptotski dijagram zasićenja koji se još naziva dijagram 0% vazdušnih pora, ako su sve pore ispunjene vodom, ili 5% vazdušnih pora ako je 95% pora ispunjeno vodom.

Sl. 3. Proktorovi dijagrami za različite energije zbijanja

Dijagram zasićenja može se konstruisati ako na osovinu apscisa nanosimo w = w_z = n / γ_s(1-n), a na osovinu toga ordinata γ_d = γ_s(1-n), gde je n poroznost tla, a γ_s zapreminska težina ćvrstih čestica datog tla. Iz prednjeg proizilazi da se energija zbijanja može podesiti tako da se dobije ona zbijenost tla koja se želi postići. Za kontrolu zbijenosti prirodnog tla ili zbijenog nasipa često se usvaja indeks zbijanja I_z koji predstavlja odnos suve zapreminske težine datog tla ili nasipa γ_d prema zapreminskoj težini dobijenoj po Proktoru γ_p:

I_z = γ_d / γ_p.