Dôležitá odborná poznámka: Tento článok je archívnym vzdelávacím prehľadom a nie je geotechnickou štúdiou, platnou laboratórnou normou, výpočtom základov ani návodom na použitie. Pôvodné termíny, postupy, merné jednotky, hodnoty, klasifikácie a odkazy na „naše predpisy“ boli prenesené bez kontroly dodržiavania platných noriem a predpisov. Skúšanie pôdy, výber metódy, interpretáciu výsledkov a projektové rozhodnutia musia vykonať autorizovaní geotechnickí experti a príslušné laboratórium pre konkrétny objekt a lokalitu.
Téma stlačiteľnosti pôdy nie je súčasťou novej verejnej ponuky Savo Kusića. Súčasné výrobné zameranie tvoria drevené okná, drevo-hliníkové okná a dvere na mieru. Pre konkrétny projekt okna alebo dverí môžete poslať žiadosť o cenovú ponuku.
Základ testu edometra
Stlačiteľnosť pôdy sa zisťuje kompresnou skúškou so zamedzenou bočnou expanziou, ktorá sa nazýva aj edometrická skúška alebo konsolidačná skúška.
Test sa vykonáva s nenarušenými vzorkami av niektorých prípadoch s narušenými vzorkami. V prvom prípade sa skúšobná vzorka odoberá zalisovaním kovových krúžkov do väčšej neporušenej vzorky, ktorá sa potom po odrezaní prebytočnej vzorky a vyrovnaní jej povrchov s okrajmi valca spolu s krúžkom privedie do prístroja. V druhom prípade sa krúžok naplní vzorkou v stave konzistencie na hranici klzu a v tomto stave sa zavedie do edometra.
Test sa vykonáva pomocou prístroja, ktorý ako prvý skonštruoval Terzaghi a ktorý sa nazýval Oedometer. Dnes existuje niekoľko rôznych konštrukcií tohto prístroja, ale všetky sú založené na rovnakom princípe, testujúcom stlačenie vzorky pôdy pri zaťažení so zamedzenou bočnou expanziou.
Oedometer: popis zariadenia
Obr. 1. počítadlo kilometrov
Oedometer pozostáva z kovového valca, v ktorom je vzorka umiestnená medzi dvoma filtračnými kameňmi (obr. 1). Vzorka sa vloží do zariadenia v kovovom prstenci s priemerom 7-10 cm a výškou 1-4 cm. Záťaž P sa prenáša na vzorku cez horný filtračný kameň. Pod spodným filtračným kameňom sú v spodnej časti valca kanály na odvádzanie vody zo vzorky do kapiláry, ako aj na prívod vody. Keďže stláčanie vzorky prebieha na úkor pórov, pretože pevné častice pôdy a voda v póroch sú prakticky nestlačiteľné, je potrebné zabezpečiť, aby voda počas testu zo vzorky odtiekla, čo je umožnené pomocou filtračného kameňa, kanálika a kapiláry.
Na ľavej strane zariadenia je vodovodné potrubie s kohútikom pred valcom, zatiaľ čo kapilára je na pravej strane s kohútikom za valcom. Kapilárna trubica slúži aj na stanovenie koeficientu priepustnosti pôdy k.
Testovanie
Keď sa vzorka umiestni do valca a aparatúra je zostavená, zatvorte ľavý kohútik, prívod vody a otvorte pravý kohútik, aby voda mohla prúdiť do kapiláry. Potom sa pristupuje k zaťaženiu vzorky, ktorá sa aplikuje postupne. Zvyčajne sa používajú tieto zaťaženia:0,50;1,00;2,00;4,00;6,00kp/cm2a ďalej až do maximálneho zaťaženia pôdy predpokladaného pod budovou, spravidla až do10kp/cm2, a pri priehradách to môže byť ešte viac20kp/cm2. Pri každej úrovni záťaže sa v momente jej aplikácie spúšťajú stopky a v určitých časových intervaloch15“,30“,1’,2’,5’,15’,45’,2h5h24h, potom každý ďalší24h, až do spevnenia vzorky pri tejto úrovni zaťaženia sa na komparátore odčíta zodpovedajúce vyrovnanie v tisícinách milimetra a zaznamená sa do záznamu. Predpokladá sa, že konsolidácia bola dosiahnutá, ak je usadzovanie vzorky Δh ≤0,02 mmna čas24hodina. Po dosiahnutí konsolidácie sa aplikuje ďalšia úroveň zaťaženia a celý postup sa opakuje rovnakým spôsobom a tak ďalej až do konečnej úrovne zaťaženia.
Skúška spevnenia so zamedzenou bočnou expanziou sa vykonáva so zaťažením a odľahčením, aby sa určili elastické vlastnosti zeminy. Po naložení vzorky do určitého stupňa ju odľahčíme rovnakou postupnosťou, akou sme ju zaťažili. Úľava sa zvyčajne vykonáva až potom2,0kp/cm2,4,0kp/cm2a6,0kp/cm2.
Spravidla sa test vykonáva so vzorkou pod vodou, ktorá je držaná na ľavej sklenenej trubici vo výške hornej plochy vzorky v prístroji. Testovanie stlačiteľnosti vzorky za prítomnosti vody sa robí z tohto dôvodu, pretože skúška trvá dlho a vzorka za ten čas vyschne, v dôsledku čoho by bola stlačiteľnosť vzorky nižšia ako skutočná stlačiteľnosť zeminy v jej prirodzenom vlhkostnom stave. Okrem toho môže byť prirodzená vlhkosť pôdy vyššia ako v čase odberu vzoriek, najmä keď sa hladina podzemnej vody zvýši, čo by mohlo viesť k výraznej odchýlke od skutočnej stlačiteľnosti pôdy počas obdobia vysokej hladiny vody.
Výsledky testu sa aplikujú na tri typy diagramov, menovite diagram relatívnej kompresie, diagram zmeny koeficientu pórovitosti a diagram časového vyrovnania.
Diagram relatívnej kompresie
Tento diagram sa získa, keď sa na vzorku pôsobí normálnym tlakom na osi x σ = P/A, kde P je zaťaženie pôsobiace na vzorku cez horný filtračný kameň v kp/cm2, A je plocha prierezu vzorky na osi a súradnica v prístroji, Δh/h kde Δh je sadanie vzorky pri zaťažení Δσ počas konsolidácie, h výška vzorky pred zaťažením (obr. 2).
Obr. 2. Diagram relatívnej kompresie
Počas načítania sa získa diagram primárnej kompresie a.
Počas vykládky, ak je umožnené nerušené nasávanie vody tak, že vzorka zostala pri vykládke pod vodou, vráti sa do pôvodného stavu, t.j. napučiava. Vzorka sa však nevráti do pôvodného stavu, čo znamená, že okrem elastickej prešla aj plastickou (trvalou) deformáciou. Preto sa v tomto prípade diagram napučania b získa počas vykladania. Ak sa však test vykonal bez vody, namiesto diagramu napučania, takzvaného diagramu elasticity.
Ak sa vzorka po vyložení znova vloží, získa sa sekundárny kompresný diagram c. Diagram napučania a diagram sekundárnej kompresie c tvoria medzi sebou hysteréznu slučku. V hline sú hysterézne slučky významné, a preto deformácie v oblasti napučiavania a sekundárnej kompresie (diagramy b a c) nie sú považované za elastické, ale reverzibilné, pretože nie sú úmerné zaťaženiu podľa Hookovho zákona. Deformácie v oblasti primárnej kompresie (diagram a) v časti, kde sa nevrátili, sú trvalé (ireverzibilné).
Modul stlačiteľnosti pôdy
Z diagramu relatívneho stlačenia získame podľa Hookovho zákona analogicky k Jungovmu modulu pružnosti E pre pružný materiál modul stlačiteľnosti zeminy Ms
Ms = Δσ / (Δh/h) [kp/cm2],
kde Δσ je prírastok zaťaženia, Δh/h je zodpovedajúca relatívna kompresia, ktorá je prevzatá z diagramu primárnej kompresie a (obr. 2).
Modul stlačiteľnosti zeminy Ms sa líši od modulu pružnosti E elastického materiálu, pretože Ms nie je konštantná pre jeden a ten istý materiál, ale je premenlivá a zvyšuje sa s normálnym zaťažením σ. Preto je možné uviesť jednu konkrétnu hodnotu modulu stlačiteľnosti Ms len pre jeden úzky interval normálneho zaťaženia zeminy Δσ. Ak je hodnota modulu Ms vyššia, stlačiteľnosť zeminy je nižšia a naopak. Podľa našich zakladacích predpisov je pre modul stlačiteľnosti pôdy v jej prirodzenom stave prijaté nasledovné kritérium:
Nižšie uvedená klasifikácia je prevzatá z pôvodného textu, vrátane opakovaného intervalu 100-400 kp/cm2. Nebolo skontrolované ani harmonizované so súčasnými predpismi.
Ms = 0 - 20 kp/cm2 extrémne stlačiteľná pôda
Ms = 20 - 50 kp/cm2 veľmi stlačiteľná pôda
Ms = 50 - 100 kp/cm2 stredne stlačiteľná pôda
Ms = 100 - 400 kp/cm2 menej stlačiteľná zemina
Ms = 100 - 400 kp/cm2 mierne stlačiteľná zemina
Ms = 400 - 1000 kp/cm2 mierne stlačiteľná pôda
Ms > 1000 kp/cm2 veľmi málo stlačiteľná pôda.
Modul pružnosti pôdy
Rovnakým spôsobom dostaneme modul pružnosti pôdy E:
E = Δσ / (Δh/h) [kp/cm2],
kde relatívny prírastok kompresie Δh/h je prevzatý z diagramu pružnosti pôdy pre zodpovedajúci prírastok normálneho tlaku Δσ.
Normálna spevnená a nadmerne spevnená pôda
Sl.3. Diagram zmeny koeficientu pórovitosti narušenej vzorky pôdy
Ak vykonáme edometrickú skúšku s narušenou vzorkou, ktorú sme zadali do prístroja na hranici klzu, a výsledky skúšky vynesieme do diagramu zmeny koeficientu pórovitosti e v závislosti od tlaku σ (obr.3) konsolidačný tok je znázornený diagramami 1 pre primárnu záťaž, 2pre úľavu,3 pre sekundárne zaťaženie do limitu a rozšírenia primárneho zaťaženia σa a 4 za týmto limitom.
Reliéfny diagram2a sekundárny kompresný diagram3tvoria hysteréznu slučku, za ktorou je diagram4pokračuje v rozšírení diagramu1, bez rozbitia, ako keby neexistovala vykládka a prekládka.
Sl.4. Diagram zmeny koeficientu pórovitosti nenarušenej vzorky pôdy
Ak však edometer vykonáme rovnakým spôsobom ako predtým s nenarušenou vzorkou odobratou z určitej hĺbky pôdy (obr.4), diagram pre sekundárne zaťaženie3ukáže pri jednom konkrétnom zaťažení σb lom v bode b, po ktorom bude diagram pokračovať4majú vyšší sklon. K tomuto zlomu došlo preto, že pôda, z ktorej bola vzorka odobratá, bola pod väčšou záťažou p=γt ako záťaž vzorky σ v edometri. Vyššie zaťaženie p pochádza z hmotnosti existujúcich vrchných vrstiev pôdy na povrch terénu, čo nazývame tlak pôdy, alebo zo zaťaženia starších vrstiev pôdy odnášaných časom eróziou alebo od morénovej pôdy alebo ľadu, čo nazývame predpätie. Vzhľad prehustenia je charakteristický najmä pre hlinu, kde rozlišujeme hlinu normálne spevnenú a nadmerne spevnenú.
Normálne spevnená hlina
Normálne spevnená hlina je v menších hĺbkach pod povrchom zeme, ktorá nebola predtým vystavená predpätiu. Vzorka tejto hliny, zaťažená v edometri zaťažením väčším ako je hmotnosť horných vrstiev „tlaku pôdy“, vykazuje kontinuálny tok konsolidácie, bez prestávok v diagrame relatívneho stlačenia alebo v diagrame zmeny koeficientu pórovitosti. Sadnutie tejto hliny pri zaťažení objektu je normálne, teda pri určitom zaťažení sa sadnutie časom znižuje.
Príliš spevnená hlina
Nadmerne spevnená hlina je vo väčších hĺbkach alebo bola predtým podrobená predbežnému zaťaženiu. Vzorka tejto hliny zaťažená v edometri tlakom väčším ako je tlak pôdy alebo predpätie vykazuje lom na diagrame relatívneho stlačenia alebo na diagrame zmeny koeficientu pórovitosti, tzv. geologický zlom g, so silnou zmenou smeru (obr.5a). Sadnutie tejto hliny pod konštrukciou je malé pre zaťaženie pod tlakom pôdy alebo predpätím σ1, ale výrazne sa zväčší pre zaťaženia nad σ1.
Ak nie je geologický zlom jasne definovaný, určí sa pomocou dotyčníc k diagramu (obr.5b).
Sl.5. Diagram zmien koeficientu pórovitosti nadmerne spevnenej hliny
Diagram časového vyrovnania
Tento diagram, nazývaný aj konsolidačný diagram, sa získa, keď sa pre každý stupeň zaťaženia vzorky v edometri použije čas t v hodinách na vodorovnú os a vyrovnanie v mm na zvislú os (obr.6a) alebo v % z celkového vyrovnania (obr.6b).
Sl.6. Diagram vysporiadania času
Neviazané a viazané zeminy sa pri zaťažení správajú odlišne. Sypké pôdy, ako napríklad piesok, majú veľké póry, z ktorých sa pri zaťažení rýchlo vytlačí voda, takže pôda rýchlo sadá, pričom najväčšie sadanie nastáva na začiatku zaťaženia a do konečného sadania sa pri danom zaťažení dostane v relatívne krátkom časovom intervale. Súdržné pôdy, ako je hlina, majú malé póry, z ktorých sa pri zaťažení ťažko vytláča voda. V časovom procese sadania zhutnenej pôdy sú dve fázy. V prvej fáze, ihneď po zaťažení pôdy, keďže voda nemôže vytiecť z pórov, dochádza k jej namáhaniu a prijíma celú aplikovanú záťaž. V druhom štádiu sa namáhaná pórová voda vplyvom zaťaženia začne vlastným namáhaním vytláčať, čo sa postupne prenáša na pevné častice pôdy. V tejto druhej fáze sa častice spoja a póry sa stiahnu. Proces poklesu pokračuje, kým tlaková voda nie je vytlačená z pórov, t. j. kým neprestane existovať namáhaný stav vody v póroch. Preto je konsolidácia pôdy predovšetkým hydrodynamickým problémom, ktorý závisí od priepustnosti pôdy a pórovitosti. V prípade hliny, ktorej priepustnosť je nízka, môže proces spevnenia trvať veľmi dlho a navyše môžu byť sadnutia výrazne väčšie vďaka vyššej celkovej pórovitosti ako v prípade piesku. Na základe konsolidačného testu je možné vypočítať časový priebeh zúčtovania pre celú dobu trvania konsolidácie a v jednotlivých fázach.