Důležitá odborná poznámka: Tento článek je archivním vzdělávacím přehledem a není geotechnickou studií, platnou laboratorní normou, výpočtem základů ani návodem k použití. Původní termíny, postupy, měrné jednotky, hodnoty, klasifikace a odkazy na „naše předpisy“ byly převedeny bez kontroly dodržování platných norem a předpisů. Zkoušky zeminy, volbu metody, interpretaci výsledků a návrhová rozhodnutí musí provádět autorizovaní geotechnickí experti a příslušná laboratoř pro konkrétní objekt a lokalitu.
Téma stlačitelnosti zeminy není součástí nové veřejné nabídky Savo Kusić. Současné výrobní zaměření tvoří dřevěná okna, dřevohliníková okna a dveře na zakázku. Pro konkrétní projekt oken nebo dveří můžete poslat žádost o cenovou nabídku.
Základ testu edometru
Stlačitelnost zeminy se zjišťuje tlakovou zkouškou se zabráněnou boční expanzí, které se také říká edometrická zkouška nebo konsolidační zkouška.
Test se provádí s nenarušenými vzorky a v některých případech s narušenými. V prvním případě se zkušební vzorek odebírá zalisováním kovových kroužků do většího neporušeného vzorku, který se po odříznutí přebytečného vzorku a vyrovnání jeho povrchů s hranami válce přivádí spolu s kroužkem do aparatury. Ve druhém případě se prstenec naplní vzorkem ve stavu konzistence na meze kluzu a v tomto stavu se zavede do edometru.
Test se provádí pomocí přístroje, který jako první zkonstruoval Terzaghi a který se nazýval Oedometer. Dnes existuje několik různých konstrukcí tohoto zařízení, ale všechny jsou založeny na stejném principu, testují kompresi vzorku půdy pod zatížením se zabráněnou laterální expanzí.
Oedometr: popis zařízení
Obr. 1. počítadlo kilometrů
Oedometr se skládá z kovového válce, ve kterém je vzorek umístěn mezi dvěma filtračními kameny (obr. 1). Vzorek je zaveden do zařízení v kovovém prstenci o průměru 7-10 cm a výšce 1-4 cm. Zátěž P se přenáší na vzorek přes horní filtrační kámen. Pod spodním filtračním kamenem jsou na dně válce kanály pro odvádění vody ze vzorku do kapiláry a také pro přívod vody. Vzhledem k tomu, že stlačování vzorku probíhá na úkor pórů, protože pevné částice zeminy a voda v pórech jsou prakticky nestlačitelné, je nutné zajistit, aby voda ze vzorku během testu odtekla, což je umožněno pomocí filtračního kamene, kanálku a kapiláry.
Na levé straně zařízení je vodovodní potrubí s kohoutkem před válcem, zatímco kapilára je na pravé straně s kohoutkem za válcem. The capillary tube also serves to determine the soil permeability coefficient k.
Testování
Když je vzorek umístěn do válce a aparatura je sestavena, uzavřete levý kohout, přívod vody a otevřete pravý kohout, aby voda mohla proudit do kapiláry. Poté se přistupuje k zatížení vzorku, které se aplikuje postupně. Obvykle se používají následující zatížení:0,50;1,00;2,00;4,00;6,00kp/cm2a dále až do maximálního zatížení zeminy očekávaného pod budovou, obecně až do10kp/cm2, a u přehrad to může být ještě víc20kp/cm2. Při každé úrovni zátěže, v okamžiku její aplikace, jsou spuštěny stopky a v určitých časových intervalech15“,30“,1’,2’,5’,15’,45’,2h5h24h, pak každý další24h, až do konsolidace vzorku pod touto úrovní zatížení se na komparátoru odečte odpovídající sedání v tisícinách milimetru a zaznamená se do záznamu. Předpokládá se, že konsolidace bylo dosaženo, pokud je sedání vzorku Δh ≤0,02 mmpo dobu24hodina. Po dosažení konsolidace se aplikuje další úroveň zatížení a celý postup se opakuje stejným způsobem a tak dále až do konečné úrovně zatížení.
Zkouška zpevnění se zamezeným příčným roztažením se provádí se zatěžováním a odlehčením, aby se zjistily elastické vlastnosti zeminy. Po zatížení vzorku do určité míry jej vykládáme se stejnou postupností, jako jsme jej zatěžovali. Úleva se obvykle provádí až poté2,0kp/cm2,4,0kp/cm2a6,0kp/cm2.
Zkouška se zpravidla provádí se vzorkem pod vodou, která je držena na levé skleněné trubici ve výšce horní plochy vzorku v přístroji. Testování stlačitelnosti vzorku za přítomnosti vody se provádí z tohoto důvodu, protože test trvá dlouho a vzorek za tu dobu vysychá, v důsledku čehož by stlačitelnost vzorku byla nižší než skutečná stlačitelnost zeminy v jejím přirozeném vlhkostním stavu. Kromě toho může být přirozená vlhkost půdy vyšší, než byla v době odběru vzorků, zejména při vzestupu hladiny podzemní vody, což by mohlo vést k výrazné odchylce od skutečné stlačitelnosti půdy v období vysoké hladiny vody.
Výsledky testu jsou aplikovány na tři typy diagramů, jmenovitě diagram relativní komprese, diagram změny koeficientu pórovitosti a diagram časového usazování.
Diagram relativní komprese
Tento diagram se získá, když je na vzorek aplikován normální tlak na vodorovné ose σ = P/A, kde P je zatížení působící na vzorek přes horní filtrační kámen v kp/cm2, A je plocha průřezu vzorku na ose a osa je relativní osa v přístroji, Δh/h kde Δh je sedání vzorku pod zatížením Δσ během konsolidace, h výška vzorku před zatížením (obr. 2).
Obr. 2. Relativní kompresní diagram
Během načítání se získá diagram primární komprese a.
Během vykládky, pokud je umožněno neomezené nasávání vody, takže vzorek zůstal při vykládání pod vodou, vrátí se do původního stavu, tj. bobtná. Vzorek se však nevrátí do výchozího stavu, to znamená, že kromě elastické deformace prošel i plastickou (trvalou) deformací. Proto se v tomto případě během vykládání získá diagram bobtnání b. Pokud však byl test proveden bez přijetí vody, místo diagramu bobtnání, tzv. diagram elasticity.
Pokud je vzorek po vyložení znovu načten, získá se sekundární kompresní diagram c. Diagram bobtnání a diagram sekundární komprese c mezi sebou tvoří hysterezní smyčku. V jílu jsou hysterezní smyčky významné, a proto deformace v oblasti bobtnání a sekundární komprese (diagramy b a c) nejsou považovány za elastické, ale vratné, protože nejsou úměrné zatížení podle Hookova zákona. Deformace v oblasti primární komprese (schéma a) v části, kam se nevrátily, jsou trvalé (nevratné).
Modul stlačitelnosti půdy
Z diagramu relativního stlačení získáme podle Hookova zákona analogicky k Jungově modulu pružnosti E pro pružný materiál modul stlačitelnosti zeminy Ms
Ms = Δσ / (Δh/h) [kp/cm2],
kde Δσ je přírůstek zatížení, Δh/h je odpovídající relativní komprese, která je převzata z primárního kompresního diagramu a (obr. 2).
Modul stlačitelnosti zeminy Ms se liší od modulu pružnosti E pružného materiálu, protože Ms není konstantní pro jeden a tentýž materiál, ale je proměnný a roste s normálním zatížením σ. Proto lze jednu konkrétní hodnotu modulu stlačitelnosti Ms uvést pouze pro jeden úzký interval normálního zatížení zeminy Δσ. Pokud je hodnota modulu Ms vyšší, je stlačitelnost zeminy nižší a naopak. Podle našich zakládacích předpisů je přijato následující kritérium pro modul stlačitelnosti zeminy v jejím přirozeném stavu:
Níže uvedená klasifikace je převzata z původního textu, včetně opakovaného intervalu 100-400 kp/cm2. Nebyl zkontrolován ani harmonizován se současnými předpisy.
Ms = 0 - 20 kp/cm2 extrémně stlačitelná zemina
Ms = 20 - 50 kp/cm2 velmi stlačitelná zemina
Ms = 50 - 100 kp/cm2 středně stlačitelná zemina
Ms = 100 - 400 kp/cm2 méně stlačitelná zemina
Ms = 100 - 400 kp/cm2 mírně stlačitelná zemina
Ms = 400 - 1000 kp/cm2 mírně stlačitelná zemina
Ms > 1000 kp/cm2 velmi málo stlačitelná zemina.
Modul pružnosti půdy
Stejným způsobem získáme modul pružnosti zeminy E:
E = Δσ / (Δh/h) [kp/cm2],
kde relativní přírůstek stlačení Δh/h je převzat z diagramu pružnosti zeminy pro odpovídající přírůstek normálního tlaku Δσ.
Normální zpevněná a překonsolidovaná zemina
Sl.3. Diagram změny koeficientu pórovitosti narušeného vzorku půdy
Provedeme-li edometrickou zkoušku s narušeným vzorkem, který jsme zadali do aparatury na meze kluzu, a výsledky zkoušky vyneseme do diagramu změny koeficientu pórovitosti e v závislosti na tlaku σ (obr.3) konsolidační tok je znázorněn grafy 1 pro primární zátěž, 2pro odlehčení,3 pro sekundární zatížení do meze a prodloužení primárního zatížení σa a 4 za tímto limitem.
Reliéfní diagram2a sekundární kompresní diagram3tvoří hysterezní smyčku, za kterou je diagram4pokračuje v rozšíření schématu1, bez lomu, jako by neexistovalo žádné vykládání a překládání.
Sl.4. Diagram změny koeficientu pórovitosti nenarušeného vzorku půdy
Pokud však provedeme edometrickou zkoušku stejným způsobem jako dříve s nenarušeným vzorkem odebraným z určité hloubky půdy (obr. 4), sekundární diagram zatížení 3 ukáže při určitém zatížení zlom σb v bodě b, po kterém bude mít diagram větší sklon a⟦SKPH3 4. K tomuto zlomu došlo proto, že půda, ze které byl vzorek odebrán, byla pod větším zatížením p=γt než je zatížení vzorku σ v edometru. Vyšší zatížení p pochází z tíhy stávajících svrchních vrstev zeminy na povrch terénu, což nazýváme tlakem zeminy, nebo ze zatížení dřívějších vrstev zeminy unášené v průběhu času erozí nebo morénovou zeminou nebo ledem, které nazýváme předpětí. Vzhled nadměrného zpevnění je charakteristický zejména pro hlínu, kde rozlišujeme běžně zpevněnou a překonsolidovanou hlínu.
Normálně zpevněná hlína
Normálně zpevněná hlína je v mělčích hloubkách pod povrchem země, která nebyla dříve vystavena předpětí. Vzorek této hlíny, zatížený v edometru zatížením větším než je hmotnost horních vrstev “tlaku půdy”, vykazuje kontinuální tok konsolidace, bez přerušení v diagramu relativního stlačení nebo v diagramu změny koeficientu pórovitosti. Sednutí této hlíny pod zatížením objektu je normální, t.j. při určité zátěži se sedání časem snižuje.
Nadměrně zpevněná hlína
Nadměrně zpevněná hlína je ve větších hloubkách nebo byla dříve vystavena předpětí. Vzorek této hlíny zatížený v edometru tlakem větším než je tlak zeminy nebo předpětí vykazuje lom na diagramu relativního stlačení nebo na diagramu změny koeficientu pórovitosti, tzv. geologický zlom g, se silnou změnou směru (obr.5A). Usazení této hlíny pod konstrukcí je malé pro zatížení pod tlakem zeminy nebo předpětím σ1, ale výrazně se zvětší pro zatížení nad σ1.
Pokud není geologický zlom jasně definován, určí se pomocí tečen diagramu (obr.5b).
Sl.5. Diagram změn koeficientu pórovitosti překonsolidované hlíny
Diagram časového vypořádání
Tento diagram, nazývaný také konsolidační diagram, se získá, když se pro každý stupeň zatížení vzorku v edometru použije čas t v hodinách na osu úsečky a sedání v mm na osu pořadnice (obr.6a) nebo v % z celkového vypořádání (obr.6b).
Sl.6. Diagram časového vypořádání
Nevázané a vázané zeminy se při zatížení chovají odlišně. Sypké zeminy, např. písek, mají velké póry, ze kterých se při zatížení rychle vytlačuje voda, takže zemina rychle sedá, přičemž k největšímu sedání dochází na začátku zatížení a konečného sedání dosáhne při daném zatížení v relativně krátkém časovém intervalu. Soudržné zeminy, jako je jíl, mají malé póry, ze kterých se voda pod zatížením obtížně vytlačuje. Časový proces sedání zhutněné půdy má dvě fáze. V první fázi, ihned po aplikaci zátěže na půdu, protože voda nemůže vytékat z pórů, dochází k jejímu namáhání a přijímá celou aplikovanou zátěž. Ve druhém stupni se začne namáhaná pórová voda vlivem zatížení vytlačovat vlastním pnutím, které se postupně přenáší na pevné částice zeminy. V této druhé fázi se částice spojí a póry se stáhnou. Proces klesání pokračuje tak dlouho, dokud není tlaková voda vytlačena z pórů, tj. dokud nepřestane existovat napjatý stav vody v pórech. Proto je konsolidace půdy především hydrodynamickým problémem, který závisí na propustnosti půdy a pórovitosti. U jílu, jehož propustnost je nízká, může proces zpevňování trvat velmi dlouho a navíc sedání může být výrazně větší díky vyšší celkové pórovitosti než u písku. Na základě konsolidačního testu lze vypočítat časový průběh vypořádání po celou dobu trvání konsolidace i v jednotlivých fázích.