Pod djelovanjem opterećenja svako tlo, osim čvrste stijene, slijega se. Slijeganje općenito nastaje iz dvaju uzroka: zbijanja tla, tj. smanjenja njegova obujma uslijed istiskivanja zraka ili vode iz njegovih pora, i bočnog istiskivanja tla uz rubove temelja uslijed klizanja čvrstih čestica tla.
Sleganje tla uslijed zbijanja sastoji se od elastičnih i plastičnih deformacija, prouzrokovanih opterećenjem temelja, pri čemu se pri rasterećenju tlo djelomično vraća u prvobitno stanje.
Slijeganje uslijed bočnog istiskivanja tla sastoji se samo od plastičnih deformacija, pri kojima se pri rasterećenju tlo ne vraća u prvobitno stanje. One nastaju najčešće kod malih temelja izrađenih na maloj dubini ispod površine terena. Isto tako do bočnog istiskivanja tla dolazi kod jako vlažnog tla i tla kojem je kut unutarnjeg trenja malen.
S obzirom na to da se dopušteno opterećenje tla uzima u području elastično plastičnih deformacija, proračun slijeganja vrši se samo na temelju smanjenja poroznosti tla pod opterećenjem, pri čemu se zanemaruju slijeganja uslijed bočnog istiskivanja tla, koja se smatraju neznatnima.
Slijeganje uslijed zbijanja ovisi o propusnosti 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 zapravo hidrodinamička pojava, jer proces slijeganja ovisi o brzini istiskivanja vode iz pora, u čemu propusnost tla ima najveću ulogu.
Nekoherentna tla kao što su šljunak i pijesak imaju velike pore, zbog čega je njihova propusnost velika i voda iz pora pod opterećenjem temelja brzo se istiskuje. Stoga se kod nekoherentnog tla slijeganje pod opterećenjem temelja brzo odvija, najčešće još za vrijeme građenja ili kratko vrijeme nakon toga. Zbog toga se rijetko izračunava slijeganje temelja u nekoherentnom tlu.
Koherentna tla imaju sitne pore, njihova je propusnost mala i istiskivanje vode iz pora pod djelovanjem opterećenja temelja može trajati vrlo dugo, kod nekih sitnozrnih glina i desetljećima. Osim toga, budući da je ukupna poroznost koherentnog tla znatno veća nego nekoherentnog, slijeganje koherentnog tla mnogo je veće.
Kod koherentnog tla, čije su pore djelomično ispunjene zrakom a djelomično vodom, najprije nastaje slijeganje uslijed zbijanja zraka u porama, dok sadržaj vode ostaje konstantan, a zatim slijeganje uslijed istiskivanja vode iz pora. Pri statičkom opterećenju tla uslijed djelovanja težine i korisnog opterećenja temelja nastaju obje ove vrste slijeganja, ali je vremenski proces slijeganja različit.
Postoje i drugi uzroci koji izazivaju slijeganje tla, kao što su trajno snižavanje razine podzemne vode, kemijske promjene sastava tla i drugi poremećaji u tlu.
Proučavanje slijeganja sastoji se od prethodnog proračuna slijeganja, koji se radi na temelju laboratorijskog ispitivanja uzoraka tla i promatranja slijeganja, koje se provodi za vrijeme građenja objekta i određeno vrijeme nakon toga.
Proračun slijeganja kod centričnog opterećenja temelja
Promotrimo temeljnu stopu fundiranu u tlu koje se sastoji od više različitih slojeva, na primjer sloja pijeska H0, odnosno H1 ispod stope, sloja glinovitog tla debljine H2, sloja sitnozrnate gline debljine H3, ispod kojega je zbijeni šljunak veće debljine sloja, s razinom podzemne vode NPV (sl. 1a).
Za proračun slijeganja potrebno je prikazati dijagram naprezanja uslijed vlastite težine tla (lijevi dijagram na sl. 1b) i dijagram naprezanja uslijed djelovanja dodatnog opterećenja od temelja (desni dijagram na sl. 1b). Dijagram naprezanja uslijed vlastite težine tla dobivamo iz debljine slojeva Σ_H_ i njihovih volumenskih težina γ. Ako je volumenska težina pijeska γ1, pijeska pod vodom γ’1, glinovitog tla pod vodom γ’2, gline pod vodom γ’3, tlačna naprezanja u tlu od vlastite težine tla bit će (sl. 1)
γ1 · H’; γ’1 · H’’; γ’2 · H2; γ’3 · H3;
Dijagram naprezanja uslijed djelovanja opterećenja dobivamo proračunom po nekoj od poznatih metoda, na primjer po Steinbrenneru ili Newmarku, za različite dubine ispod temelja.
Ako označimo s P opterećenje temelja, A njegovu površinu kojom naleže na tlo, γ1 volumnu težinu tla na dubini fundiranja t ispod površine terena, specifično opterećenje temelja iznosi P/A, dok je vlastita težina tla na istoj dubini γ1t. Da bi se dobilo dopunsko opterećenje tla uslijed opterećenja temelja, treba od opterećenja temelja P/A oduzeti tlak vlastite težine tla γ1t, tako da dopunsko opterećenje tla iznosi
p0 = P/A – γ1t.
Na istoj dubini t djeluje i naprezanje γ1t uslijed vlastite težine tla, tako da na toj dubini djeluje ukupno naprezanje (P/A – γ1t) + γ1t, pri čemu je konsolidacija tla pod naprezanjem γ1t provedena 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 A = b x 1,0 m na 1 m’ temelja.
Proračun slijeganja radi se za sve slojeve stlačivog tla do dubine djelovanja opterećenja temelja. Ranije se smatralo da je granica djelovanja opterećenja objekta dubina do koje vladaju naponi intenziteta ≥ 10% p0. Danas se prihvaća da je ova granica na dubini gdje je napon od dopunskog opterećenja pz jednak 20% napona od vlastite težine tla: pz = 0,2 ·γ_Σ_H. Ispod ove dubine slijeganje se ne računa. Prema jednom drugom pravilu preporučuje se 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 odvija se za vrijeme građenja.
Na dubini z ispod temeljne stope postoji napon pritiska pg uslijed vlastite težine tla (sl. 1b), pri čemu je uzet u obzir i utjecaj uzgona. Ovomu početnom naponu pritiska dodaje se pritisak pz uslijed djelovanja opterećenja objekta na istoj dubini. Prema tome, u nekoj ma kojoj točki M na dubini z ispod temeljne stope vlada ukupni napon pritiska pn = pg + pz.
Pod djelovanjem dopunskog opterećenja, tlo se slijega i bočno deformira. Ako se bočne deformacije zanemare, jer su razmjerno male, pošto je dopušteno opterećenje tla u zoni elastično plastičnih deformacija, može se usvojiti da se proračun slijeganja vrši na osnovi opita stišljivosti u edometru, s neporemećenim uzorkom izvađenim u području promatrane točke u tlu, pomoću kojega opita se određuje modul stišljivosti tla Ms.
Na temelju Hookeova zakona imamo
Δ_s_ = pz/Ms,
gdje je Δ_s_ specifično slijeganje, po jedinici debljine sloja, pz napon u dubini tla z uslijed dopunskog opterećenja.
Ako pretpostavimo dovoljno malu debljinu sloja dz, tako da se mogu usvojiti pz i Ms kao konstantni, elementarno slijeganje bit će
Δ_s dz_ = pz/Ms dz.
Ukupno slijeganje sloja debljine H bit će
Ako su pZ i MS konstantni za sloj debljine H, bit će
s = pz/Ms · H.
Zapravo pz i Ms nisu konstantni za sloj debljine H1, već se usvaja njihova srednja vrijednost u točki M.
Modul stišljivosti tla Ms određuje se laboratorijski za svaki sloj zasebno. Za normalno konsolidirano 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 riječ o prekonsolidiranoj glini, tada se modul stišljivosti određuje iz dijagrama sekundarne kompresije. Iz primjera na sl. 2 imamo za:
Sl. 2. Određivanje modula stišljivosti tla na temelju dijagrama relativne kompresije
Iz prethodnog proizlazi da će slijeganje prekonsolidirane gline biti mnogo manje od slijeganja normalno konsolidiranog tla.
Utjecaj krutosti temelja na slijeganje
Iako u praksi ne postoje potpuno elastični temelji, kod kojih bi slijeganje jedne točke bilo neovisno o slijeganju susjedne točke, za proračun slijeganja razlikuju se elastični i kruti temelji.
Elastični temelji, pod kojima se podrazumijevaju kameni nabačaji i nasipi, pri ravnomjernom opterećenju prouzročuju u pojedinim točkama različita slijeganja. Zbog toga se kod ovih temelja proračun slijeganja ne vrši za cijelu opterećenu površinu, već za pojedine njezine točke: kutne točke A, B, C i D, srednje točke stranica E, F, H i J i središnju točku G površine pravokutnika (sl. 3). Kod ravnomjernog opterećenja slijeganje točaka B, C i D isto je kao i točke A, slijeganje točke H isto je kao i točke E, a točke J isto kao i točke F za tlo istog sastava.
Sl. 3. Proračun slijeganja pojedinih točaka opterećene površine
Za izračunavanje slijeganja ispod jedne proizvoljne točke G opterećene površine, pravokutnik ABCD podijeli se na četiri manja pravokutnika i slijeganje G dobije se kao zbroj slijeganja koje prouzroči svaki od podijeljenih pravokutnika.
Kruti temelji ne slijegaju se na isti način kao elastični, budući da kod njih nije moguće slijeganje pojedinih točaka. Stoga se slijeganje krutih temelja računa kao cjelina, pri čemu se prema stupnju krutosti računa srednja vrijednost slijeganja na različit način, budući da od krutosti temelja ovisi raspodjela pritiska u temeljnom dnu.
Za krute temelje oblika kvadrata ili manjeg pravokutnika, kod kojih je a < 2_b_, izračuna se slijeganje sG srednje točke G i usvaja opće slijeganje temelja s = 3/4 sG. Za krute temelje oblika izduženog pravokutnika ili trake izračunava se slijeganje krajnje točke E, srednje točke G i točke M na polovini udaljenosti između njih, po duljoj osi temeljne stope, te se usvaja srednja vrijednost.
Van Hamme smatra da je točniji proračun slijeganja „karakteristične točke P“, koja se od srednjih osi nalazi na udaljenosti
od srednjih osovina. Prema Van Hammeu, slijeganje određenih točaka temelja neovisno je o načinu raspodjele naprezanja u temeljnom dnu. Za te točke slijeganje se može izračunati uz pretpostavku da je raspodjela naprezanja u temeljnom dnu ravnomjerna. Za krutu temeljnu stopu, opterećenu ravnomjernim opterećenjem, kod koje je raspodjela naprezanja u temeljnom dnu neravnomjerna i raste prema rubovima stope, unatoč tome slijeganje temeljne stope jednako je slijeganju karakteristične točke P. Naprezanja u dubini z ispod karakteristične točke P pravokutne površine duljine a, širine b, opterećene ravnomjernim opterećenjem p0 mogu se izračunati pomoću tablice 1 koju je izradio Jelinek.
Napon σzP u dubini z ispod karakteristične točke P je σzP = (σz/p0)·p0, gdje je p0 dopunsko opterećenje tla.
Tabl. 1. Vrijednosti σz/p za napone ispod karakteristične točke P ovisno o odnosu dubine z prema širini b i o odnosu dužine a prema širini b temeljne stope
Proračun slijeganja na temelju promjene koeficijenta poroznosti tla
Ako označimo s e0 koeficijent poroznosti neporemećenog uzorka izvađenog iz sloja tla, a s ei koeficijent poroznosti istog uzorka po završenoj konsolidaciji u edometru pod opterećenjem σ1 (sl. 4a), smanjenje početnog volumena tla pod djelovanjem opterećenja Δ_σ_ odgovara smanjenju poroznosti odnosno koeficijentu poroznosti tla
Δ_e_ = e0 – e1
Sl. 4. Proračun slijeganja na temelju promjene koeficijenta poroznosti tla
Početni volumen uzorka tla je
Specifično slijeganje Δ_s_, tj. slijeganje na jedinicu volumena tla 1+e0 je
Δ_s_ =(e0–e1) / (1+e0)
Slijeganje elementarnog sloja debljine dz prema sl. 4b
Δ_s_ dz=(e0–e1) / (1+e0) dz
Slijeganje sloja debljine H bit će
Ako uzmemo da je p napon u dubini z od vlastite težine tla, koji odgovara opterećenju σ0 u edometru, Δp napon od dopunskog opterećenja tla uslijed objekta, koji odgovara priraštaju opterećenja Δ_σ_ u edometru, p1 ukupni napon pod djelovanjem vlastite težine tla i dopunskog opterećenja koji odgovara ukupnom opterećenju σ1 u edometru, prednji 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_, omjer razlike koeficijenta poroznosti prema odgovarajućem naprezanju od dopunskog opterećenja Vc = (1+e0)/a, možemo zapisati
tj. s = A/Vc [cm]
Ako se tlo sastoji od više slojeva, izračunavaju se slijeganja s za svaki sloj, a zbroj slijeganja pojedinačnih slojeva daje ukupno slijeganje Σ_s_.