Pod dejstvom opterećenja svako tlo, s izuzetkom čvrste stijene, slijegne se. Sleganje uopšte nastaje iz dva uzroka: zbijanja tla tj. smanjenja njegove zapremine usljed istjerivanja vazduha ili vode iz njegovih pora i bočnog istiskivanja tla pored ivica temelja usljed klizanja čvrstih čestica tla.
Sleganje tla usljed zbijanja sastoji se iz elastičnih i plastičnih deformacija, prouzrokovanih opterećenjem temelja, kod kojih se pri rasterećenju tlo vraća djelimično u prvobitno stanje.
Sleganje usljed bočnog istiskivanja tla sastoji se samo od plastičnih deformacija, kod kojih se pri rasterećenju tlo ne vraća u prvobitno stanje. Ona nastaju najčešće kod malih temelja izrađenih na maloj dubini ispod površine terena. Isto tako do bočnog istiskivanja tla dolazi kod jako vlažnog tla i čiji ugao unutrašnjeg trenja je mali.
S obzirom da se dozvoljeno opterećenje tla uzima u zoni elastično plastičnih deformacija, proračun sleganja vrši se samo na osnovu smanjenja poroznosti tla pod opterećenjem, pri čemu se zanemaruju sleganja usljed bočnog istiskivanja tla, koja se smatraju neznatnim.
Slijeganje usljed zbijanja zavisi od propusljivosti tla, pošto se ono vrši na račun pora, koje su u prirodnom tlu uvijek manje ili više ispunjene vodom. Prema tome, slijeganje tla pod opterećenjem je ustvari hidrodinamička pojava, jer proces slijeganja zavisi od brzine istiskivanja vode iz pora, u kome propusljivost tla ima najveću ulogu.
Nekoherentna tla kao što su šljunak i pijesak imaju velike pore, zbog čega je njihova propustljivost velika i voda iz pora pod opterećenjem temelja brzo se istiskuje. Stoga se kod nekoherentnog tla slijeganje pod opterećenjem temelja brzo obavlja, najčešće još za vrijeme građenja ili kratko vrijeme iza toga. Zbog toga se rijetko izračunava slijeganje temelja u nekoherentnom tlu.
Koherentna tla imaju sitne pore, njihova propusnost je mala i istiskivanje vode iz pora pod djelovanjem opterećenja temelja može trajati vrlo dugo, kod nekih sitnozrnih glina i decenijama. Osim toga, budući da je ukupna poroznost koherentnog tla znatno veća nego nekoherentnog, slijeganje koherentnog tla mnogo je veće.
Kod koherentnog tla, čije pore su djelimično ispunjene vazduhom a djelimično vodom, nastaje najprije sleganje usljed zbijanja vazduha u porama, dok sadržina vode ostaje konstantna, a zatim sleganje usljed istiskivanja vode iz pora. Pri statičkom opterećenju tla usljed djelovanja težine i korisnog opterećenja temelja nastaju obje ove vrste sleganja, ali je vremenski proces sleganja različit.
Postoje i drugi uzroci koji izazivaju slijeganje tla, kao što su trajno snižavanje nivoa podzemne vode, hemijske promjene sastava tla i drugi poremećaji u tlu.
Proučavanje sleganja sastoji se od prethodnog proračuna sleganja, koji se radi na osnovu laboratorijskog ispitivanja uzoraka tla i osmatranja sleganja, koje se vrši za vrijeme građenja objekta i određeno vrijeme poslije toga.
Proračun slijeganja pri centričnom opterećenju temelja
Posmatrajmo temeljnu stopu fundiranu u tlu koje se sastoji iz više različitih slojeva, na primjer sloja pijeska H0, odnosno H1 ispod stope, sloja glinovitog tla debljine H2, sloja sitnozrne gline debljine H3, ispod koga je zbijen šljunak veće debljine sloja, sa nivoom podzemne vode NPV (sl. 1a).
Za proračun sleganja potrebno je nanijeti dijagram napona usljed sopstvene težine tla (lijevi dijagram na sl. 1b) i dijagram napona usljed djelovanja dopunskog opterećenja od temelja (desni dijagram na sl. 1b). Dijagram napona usljed sopstvene težine tla dobijamo iz debljine slojeva Σ_H_ i njihovih zapreminskih težina γ. Ako je zapreminska težina pijeska γ1, pijeska pod vodom γ’1, glinovitog tla pod vodom γ’2, gline pod vodom γ’3, naponi pritiska u tlu od sopstvene težine tla biće (sl. 1)
γ1 · H’; γ’1 · H’’; γ’2 · H2; γ’3 · H3;
Dijagram napona usljed djelovanja opterećenja dobijamo proračunom po nekoj od poznatih metoda, na primjer po Steinbrenneru ili Newmarku, za različite dubine ispod temelja.
Ako označimo sa P opterećenje temelja, A njegovu površinu kojom naleže na tlo, γ1 zapreminsku težinu tla u dubini fundiranja t ispod površine terena, specifično opterećenje temelja je P/A dok je sopstvena težina tla na istoj dubini γ1t. Da bi se dobilo dopunsko opterećenje tla usljed opterećenja temelja, treba oduzeti pritisak sopstvene težine tla γ1t od opterećenja temelja P/A, tako da dopunsko opterećenje tla iznosi
p0 = P/A – γ1t.
Na istoj dubini t djeluje i napon γ1t usljed sopstvene težine tla, tako da na ovoj dubini djeluje ukupan napon (P/A – γ1t) + γ1t, pri čemu je konsolidacija tla pod naponom γ1t izvršena prije građenja objekta.
Sl. 1. Proračun slijeganja kod centričnog opterećenja temelja
Međutim, ako se jedan dio temelja iznad temeljne stope zatrpava zemljom (sl. 1c), treba uzeti u obzir opterećenje nasutog tla 2_Q_, tako da u tom slučaju dopunsko opterećenje iznosi
_P+2_Q/A – γ1t.
Za trakasti temelj je A = b x 1,0 m na 1 m’ temelja.
Proračun slijeganja radi se za sve slojeve stišljivog tla do dubine dejstva opterećenja temelja. Ranije se smatralo kao granica dejstva opterećenja objekta dubina do koje vladaju naponi intenziteta ≥ 10% p0. Danas se usvaja da je ova granica na dubini gdje je napon od dopunskog opterećenja pz jednak 20% napona od sopstvene težine tla: pz = 0,2 ·γ_Σ_H. Ispod ove dubine ne računa se slijeganje. Prema jednom drugom pravilu se preporučuje proračun slijeganja za slojeve do dubine 2_b_ do 3_b_, pri čemu je b širina temelja. Ako se na kraju nalazi šljunčani sloj kao na sl. 1a, on se ne uzima u obzir za proračun slijeganja, jer je njegovo slijeganje pod opterećenjem temelja neznatno i obavlja se za vrijeme građenja.
U dubini z ispod temeljne stope postoji napon pritiska pg usljed sopstvene težine tla (sl. 1b), pri čemu je uzet u obzir i uticaj uzgona. Ovom početnom naponu pritiska dodaje se pritisak pz usljed djelovanja opterećenja objekta na istoj dubini. Prema tome, u nekoj ma kojoj tački M na dubini z ispod temeljne stope vlada ukupan napon pritiska pn = pg + pz.
Pod dejstvom dopunskog opterećenja, tlo se slijega i bočno deformiše. Ako se bočne deformacije zanemare, jer su srazmjerno male, pošto je dozvoljeno opterećenje tla u zoni elastično plastičnih deformacija, može se usvojiti da se proračun slijeganja vrši na osnovu opita stišljivosti u edometru, sa neporemećenim uzorkom izvađenim u oblasti posmatrane tačke u tlu, pomoću koga opita se određuje modul stišljivosti tla Ms.
Prema Hookeovom zakonu vrijedi
Δ_s_ = pz/Ms,
gde je Δ_s_ specifično slijeganje, na jedinicu debljine sloja, pz napon u dubini tla z usljed dopunskog opterećenja.
Ako pretpostavimo dovoljno malu debljinu sloja dz, da se mogu usvojiti pz i Ms kao konstantni, elementarno sleganje biće
Δ_s dz_ = pz/Ms dz.
Ukupno slijeganje sloja debljine H biće
Ako su pZ i MS konstantni za sloj debljine H, dobit će se
s = pz/Ms · H.
Ustvari pz i Ms nisu konstantni za sloj debljine H1, već se usvaja njihova srednja vrijednost u tački M.
Modul stišljivosti tla Ms određuje se laboratorijskim putem za svaki sloj zasebno. Za normalno konsolidovano tlo, modul Ms određuje se iz dijagrama primarne kompresije, gdje je ukupno opterećenje σ2 = pg + pz; σ1 = pg = Σ_γt,_ dopunsko opterećenje Δ_σ_ = σ2 – σ1 = (pg + pz) – pg, a odgovarajuće vrijednosti relativne kompresije su Δ_h2_/h i Δ_h1_/h, te je
Međutim ako je u pitanju prekonsolidirana glina, onda se modul stišljivosti određuje iz dijagrama sekundarne kompresije. Iz primjera na sl. 2 imamo za:
Sl. 2. Utvrđivanje modula stišljivosti tla na osnovu dijagrama relativne kompresije
Iz prethodnog proizlazi da će slijeganje prekonsolidovane gline biti mnogo manje od slijeganja normalno konsolidovanog tla.
Utjecaj krutosti temelja na slijeganje
Mada praktično ne postoje potpuno elastični temelji, kod kojih bi sleganje jedne tačke bilo nezavisno od sleganja susjedne tačke, za proračun sleganja razlikuju se elastični i kruti temelji.
Elastični temelji, pod kojima se podrazumijevaju kameni nabačaji i nasipi, pri ravnomjernom opterećenju prouzrokuju u pojedinim tačkama različita slijeganja. Zbog toga se kod ovih temelja proračun slijeganja ne vrši za cijelu opterećenu površinu, već za pojedine njene tačke: ugaone tačke A, B, C i D srednje tačke strana E, F, H i J i središne tačke G površine pravougaonika (sl. 3). Kod ravnomjernog opterećenja slijeganje tačaka B, C i D je isto kao i tač. A, slijeganje tačke, H je isto kao i tačke E, tač. J isto kao tač. F za tlo istog sastava.
Sl. 3. Proračun slijeganja pojedinih tačaka opterećene površine
Za izračunavanje slijeganja ispod jedne ma koje tačke G opterećene površine, podeli se pravougaonik ABCD na četiri manja pravougaonika i slijeganje G dobija se kao zbir slijeganja koja prouzrokuje svaki od podijeljenih pravougaonika.
Kruti temelji ne slijegaju se na isti način kao elastični, pošto kod njih nije moguće slijeganje pojedinih tačaka. Stoga se slijeganje krutih temelja računa kao cjelina s tim što se prema stepenu krutosti izračunava srednja vrijednost slijeganja na različit način, pošto od krutosti temelja zavisi raspodjela pritiska u temeljnom dnu.
Za krute temelje oblika kvadrata ili manjeg pravougaonika, kod kojih je a < 2_b_, izračuna se sleganje sG srednje tačke G i usvaja opšte sleganje temelja s = 3/4 sG. Za krute temelje oblika izduženog pravougaonika ili trake izračunava se sleganje krajnje tačke E, srednje tačke G i tačke M na polovini odstojanja između njih, po dužoj osovini temeljne stope, te se usvaja srednja vrijednost.
Van Hamme smatra da je tačniji proračun slijeganja „karakteristične tačke P“, koja se od srednjih osovina nalazi na odstojanju
od srednjih osovina. Prema Van Hammeu, sleganje izvesnih određenih tačaka temelja nezavisno je od načina raspodjele napona u temeljnom dnu. Za ove tačke sleganje se može izračunati uz pretpostavku, da je raspodjela napona u temeljnom dnu ravnomjerna. Za krutu temeljnu stopu, opterećenu ravnomjernim opterećenjem po kod koje je raspodjela napona u temeljnom dnu neravnomjerna i raste prema ivicama stope, uprkos toga sleganje temeljne stope jednako je sleganju karakteristične tačke P. Naponi u dubini z ispod karakteristične tačke P pravougaone površine dužine a, širine b, opterećene ravnomjernim opterećenjem p0 mogu se izračunati pomoću tablice 1 koju je izradio Jelinek.
Napon σzP na dubini z ispod karakteristične tačke P iznosi σzP = (σz/p0)·p0, gdje je p0 dopunsko opterećenje tla.
Tabl. 1. Vrijednosti σz/p za napone ispod karakteristične tačke P u zavisnosti od odnosa dubine z prema širini b i od odnosa dužine a prema širini b temeljne stope
Proračun sleganja na osnovu promjene koeficijenta poroznosti tla
Ako označimo sa e0 koeficijent poroznosti neporemećenog uzorka izvađenog iz sloja tla, sa ei koeficijent poroznosti istog uzorka po završenoj konsolidaciji u edometru pod opterećenjem σ1 (sl. 4a), smanjenje početne zapremine tla pod djelovanjem opterećenja Δ_σ_ odgovara smanjenju poroznosti odnosno koeficijentu poroznosti tla
Δ_e_ = e0 – e1
Sl. 4. Proračun sleganja na osnovu promjene koeficijenta poroznosti tla
Početni volumen uzorka tla je
Specifično slijeganje Δ_s_, tj. slijeganje na jedinicu zapremine tla 1+e0 je
Δ_s_ =(e0–e1) / (1+e0)
Slijeganje elementarnog sloja debljine dz je prema sl. 4b
Δ_s_ dz=(e0–e1) / (1+e0) dz
Slijeganje sloja debljine H će biti
Ako označimo sa p napon na dubini z od sopstvene težine tla, koji odgovara opterećenju σ0 u edometru, sa Δp napon od dopunskog opterećenja tla usljed objekta, koji odgovara priraštaju opterećenja Δ_σ_ u edometru, a sa p1 ukupan napon pod dejstvom sopstvene težine tla i dopunskog opterećenja koji odgovara ukupnom opterećenju σ1 u edometru, prethodni obrazac možemo zapisati u obliku
Ako označimo sa A površinu dijagrama napona od dopunskog opterećenja tla, A = Δ_pH_ (šrafirana površina na sl. 4b), gdje je Δ_p_ napon od dopunskog opterećenja u sredini sloja
a=Δ_e_/Δ_p_, odnos razlike koeficijenta poroznosti prema odgovarajućem naponu usljed dopunskog opterećenja Vc = (1+e0)/a, možemo postaviti
tj. s = A/Vc [cm]
Ako se tlo sastoji od više slojeva, izračunavaju se slijeganja s za svaki sloj, a zbir slijeganja pojedinačnih slojeva daje ukupno slijeganje Σ_s_.