Pod vplivom obremenitve se vsako tla, z izjemo trdne kamnine, poseda. Posedanje sploh nastane iz dveh vzrokov: zbijanja tal tj. zmanjšanja njihove prostornine zaradi iztiskanja zraka ali vode iz njihovih por in bočnega iztiskanja tal ob robovih temelja zaradi drsenja trdnih delcev tal.
Sedenje tal zaradi zbijanja je sestavljeno iz elastičnih in plastičnih deformacij, ki jih povzroči obremenitev temelja, pri katerih se ob razbremenitvi tla delno vrnejo v prvotno stanje.
Ugrezanje zaradi bočnega iztiskanja tal je sestavljeno samo iz plastičnih deformacij, pri katerih se tla pri razbremenitvi ne vrnejo v prvotno stanje. Nastajajo najpogosteje pri majhnih temeljih, izvedenih na majhni globini pod površjem terena. Prav tako do bočnega iztiskanja tal prihaja pri zelo vlažnih tleh in kadar je njihov kot notranjega trenja majhen.
Ker se dopustna obremenitev tal upošteva v območju elastično-plastičnih deformacij, se izračun posedanja opravi samo na podlagi zmanjšanja poroznosti tal pod obremenitvijo, pri čemer se zanemarijo posedanja zaradi bočnega iztiskanja tal, za katera se privzame, da so neznatna.
Posedanje zaradi zbijanja je odvisno od prepustnosti tal, saj se dogaja na račun por, ki so v naravnih tleh vedno bolj ali manj zapolnjene z vodo. Zato je posedanje tal pod obremenitvijo pravzaprav hidrodinamičen pojav, ker je proces posedanja odvisen od hitrosti iztiskanja vode iz por, pri čemer ima prepustnost tal največjo vlogo.
Nekohesivna tla, kot sta prod in pesek, imajo velike pore, zaradi česar je njihova prepustnost velika in se voda iz por pod obremenitvijo temelja hitro iztisne. Zato se pri nekohesivnih tleh posedanje pod obremenitvijo temelja hitro odvija, največkrat že med gradnjo ali kmalu po njej. Zaradi tega se posedanje temeljev v nekohesivnih tleh redko izračunava.
Koherentna tla imajo drobne pore, njihova prepustnost je majhna in iztiskanje vode iz por pod vplivom obremenitve temeljev lahko traja zelo dolgo, pri nekaterih drobnozrnatih glinah tudi desetletja. Poleg tega je zaradi bistveno večje skupne poroznosti koherentnega tal posedanje koherentnega tla mnogo večje.
Pri koherentnih tleh, katerih pore so deloma napolnjene z zrakom in deloma z vodo, najprej nastane posedanje zaradi stiskanja zraka v porah, pri čemer vsebnost vode ostane stalna, nato pa posedanje zaradi iztiskanja vode iz por. Pri statični obremenitvi tal zaradi delovanja teže in koristne obremenitve temelja nastopita obe vrsti posedanja, vendar je časovni potek posedanja različen.
Obstajajo tudi drugi vzroki, ki povzročajo posedanje tal, kot so trajno znižanje gladine podtalnice, kemijske spremembe sestave tal in druge motnje v tleh.
Preučevanje posedanja je sestavljeno iz predhodnega izračuna posedanja, ki se opravi na podlagi laboratorijskega preizkusa vzorcev tal, in opazovanja posedanja, ki se izvaja med gradnjo objekta in določen čas po njej.
Izračun posedanja pri centrični obremenitvi temelja
Poglejmo temeljno peto, temelječo v tleh, ki so sestavljena iz več različnih plasti, na primer plasti peska H0, oziroma H1 pod peto, plasti glinastega tal z debelino H2, plasti drobnozrnate gline z debelino H3, pod katero je zbit gramoz večje debeline plasti, z nivojem podtalnice NPV (sl. 1a).
Za izračun posedanja je treba prikazati diagram napetosti zaradi lastne teže tal (levi diagram na sl. 1b) in diagram napetosti zaradi delovanja dodatne obtežbe od temelja (desni diagram na sl. 1b). Diagram napetosti zaradi lastne teže tal dobimo iz debelin plasti Σ_H_ in njihovih prostorninskih teže γ. Če je prostorninska teža peska γ1, peska pod vodo γ’1, glinastih tal pod vodo γ’2, gline pod vodo γ’3, bodo tlačne napetosti v tleh zaradi lastne teže tal (sl. 1)
γ1 · H’; γ’1 · H’’; γ’2 · H2; γ’3 · H3;
Diagram napetosti zaradi delovanja obtežbe dobimo z izračunom po kateri od znanih metod, na primer po Steinbrennerju ali Newmarku, za različne globine pod temeljem.
Če označimo P kot obremenitev temelja, A kot njegovo površino, s katero nalega na tla, γ1 kot prostorninsko težo tal na globini temeljenja t pod površino terena, je specifična obremenitev temelja P/A, medtem ko je lastna teža tal na isti globini γ1t. Da bi dobili dodatno obremenitev tal zaradi obremenitve temelja, je treba od obremenitve temelja P/A odšteti pritisk lastne teže tal γ1t, tako da znaša dodatna obremenitev tal
p0 = P/A – γ1t.
Na isti globini t deluje tudi napetost γ1t zaradi lastne teže tal, tako da na tej globini deluje skupna napetost (P/A – γ1t) + γ1t, pri čemer je konsolidacija tal pod napetostjo γ1t izvedena pred gradnjo objekta.
Sl. 1. Preračun posedanja pri centrični obremenitvi temelja
Če pa se en del temelja nad temeljno stopo zasuje z zemljo (sl. 1c), je treba upoštevati obtežbo nasutega tal 2_Q_, tako da v tem primeru dodatna obtežba znaša
_P+2_Q/A – γ1t.
Za tračni temelj je A = b x 1,0 m na 1 m’ temelja.
Izračun posedanja se opravi za vse plasti stisljivega tal do globine vpliva obremenitve temelja. Prej se je za mejo vpliva obremenitve objekta štela globina, do katere vladajo napetosti intenzitete ≥ 10% p0. Danes se sprejema, da je ta meja na globini, kjer je napetost od dodatne obremenitve pz enaka 20% napetosti od lastne teže tal: pz = 0,2 ·γ_Σ_H. Pod to globino se posedanje ne računa. Po enem drugem pravilu se priporoča izračun posedanja za plasti do globine 2_b_ do 3_b_, pri čemer je b širina temelja. Če se na dnu nahaja prodnata plast, kot na sl. 1a, se ta ne upošteva pri izračunu posedanja, ker je njeno posedanje pod obremenitvijo temelja zanemarljivo in poteka med gradnjo.
V globini z pod temeljno stopo obstaja tlačna napetost pg zaradi lastne teže tal (sl. 1b), pri čemer je upoštevan tudi vpliv vzgona. K tej začetni tlačni napetosti se prišteje pritisk pz zaradi delovanja obtežbe objekta na isti globini. Zato v neki kateri koli točki M na globini z pod temeljno stopo deluje skupna tlačna napetost pn = pg + pz.
Pod vplivom dodatne obremenitve se tla posedajo in bočno deformirajo. Če bočne deformacije zanemarimo, ker so sorazmerno majhne, glede na to da je dovoljena obremenitev tal v območju elastično-plastičnih deformacij, lahko privzamemo, da se izračun posedkov opravi na podlagi preizkusa stisljivosti v edometru z nezmotanim vzorcem, odvzetim na območju opazovane točke v tleh, s katerim preizkusom se določi modul stisljivosti tal Ms.
Na podlagi Hookeovega zakona imamo
Δ_s_ = pz/Ms,
kjer je Δ_s_ specifično posedanje, na enoto debeline sloja, pz napetost v globini tal z zaradi dodatne obremenitve.
Če predpostavimo dovolj majhno debelino sloja dz, da lahko pz in Ms obravnavamo kot konstanti, bo elementarno posedanje
Δ_s dz_ = pz/Ms dz.
Skupno posedanje plasti debeline H bo
Če sta pZ in MS stalna za plast debeline H, bo
s = pz/Ms · H.
Pravzaprav pz in Ms nista stalni za plast debeline H1, temveč se upošteva njuna srednja vrednost v točki M.
Modul stisljivosti tal Ms se določi laboratorijsko za vsak sloj posebej. Za normalno konsolidirano tla se modul Ms določi iz diagrama primarne kompresije, kjer je skupna obremenitev σ2 = pg + pz; σ1 = pg = Σ_γt,_ dodatna obremenitev Δ_σ_ = σ2 – σ1 = (pg + pz) – pg, ustrezne vrednosti relativne kompresije pa so Δ_h2_/h in Δ_h1_/h, zato je
Če pa gre za prekonsolidirano glino, se modul stisljivosti določi iz diagrama sekundarne kompresije. Iz primera na sl. 2 imamo za:
Sl. 2. Odločanje modula stisljivosti tal na osnovi diagrama relativne kompresije
Iz povedanega izhaja, da bo ugrezanje prekonsolidirane gline mnogo manjše od ugrezanja normalno konsolidirane zemlje.
Vpliv togosti temelja na posedanje
Čeprav v praksi ne obstajajo popolnoma elastični temelji, pri katerih bi bilo posedanje ene točke neodvisno od posedanja sosednje točke, se za izračun posedanja razlikujejo elastični in togi temelji.
Elastični temelji, pod katerimi razumemo kamnite nasute plasti in nasipe, pri enakomerni obtežbi povzročajo v posameznih točkah različna posedanja. Zato se pri teh temeljih izračun posedanja ne opravlja za celotno obremenjeno površino, temveč za njene posamezne točke: vogalne točke A, B, C in D, srednje točke stranic E, F, H in J ter središčno točko G pravokotne površine (sl. 3). Pri enakomerni obtežbi je posedanje točk B, C in D enako kot pri točki A, posedanje točke H je enako kot pri točki E, točke J pa enako kot pri točki F za tla iste sestave.
Sl. 3. Izračun posedanja posameznih točk obremenjene površine
Za izračun posedka pod neko točko G obremenjene površine razdelimo pravokotnik ABCD na štiri manjše pravokotnike, posedek G pa dobimo kot vsoto posedkov, ki jih povzroči vsak od razdeljenih pravokotnikov.
Togi temelji se ne posedajo na enak način kot elastični, saj pri njih ni mogoče posedanje posameznih točk. Zato se posedanje togih temeljev obravnava kot celota, pri čemer se glede na stopnjo togosti na različen način izračuna srednja vrednost posedanja, ker od togosti temelja zavisi porazdelitev tlaka na temeljni ploskvi.
Za toge temelje kvadratne ali manjše pravokotne oblike, pri katerih je a < 2_b_, se izračuna posedek sG središčne točke G in se prevzame splošni posedek temelja s = 3/4 sG. Za toge temelje podolgovate pravokotne oblike ali trakaste temelje se izračuna posedek končne točke E, središčne točke G in točke M na polovici razdalje med njima, po daljši osi temeljne stope, ter se prevzame srednja vrednost.
Van Hamme meni, da je natančnejši izračun posedanja „značilne točke P“, ki je od srednjih osi oddaljena za
od srednjih osi. Po Van Hammu je posedanje določenih točk temelja neodvisno od načina porazdelitve napetosti na temeljni peti. Za te točke je posedanje mogoče izračunati ob predpostavki, da je porazdelitev napetosti na temeljni peti enakomerna. Pri togi temeljni stopi, obremenjeni z enakomerno obtežbo, pri kateri je porazdelitev napetosti na temeljni peti neenakomerna in narašča proti robovom stope, je kljub temu posedanje temeljne stope enako posedanju značilne točke P. Napetosti v globini z pod značilno točko P pravokotne površine dolžine a, širine b, obremenjene z enakomerno obtežbo p0, je mogoče izračunati s pomočjo tabele 1, ki jo je izdelal Jelinek.
Napetost σzP na globini z pod karakteristično točko P je σzP = (σz/p0)·p0, kjer je p0 dodatna obtežba tal.
Tabl. 1. Vrednosti σz/p za napetosti pod značilno točko P v odvisnosti od razmerja globine z proti širini b in od razmerja dolžine a proti širini b temeljne plošče
Izračun posedanja na podlagi spremembe koeficienta poroznosti tal
Če označimo z e0 koeficient poroznosti neporušenega vzorca, odvzetega iz sloja tal, in z ei koeficient poroznosti istega vzorca po končani konsolidaciji v edometru pod obremenitvijo σ1 (sl. 4a), zmanjšanje začetne prostornine tal pod vplivom obremenitve Δ_σ_ ustreza zmanjšanju poroznosti oziroma koeficientu poroznosti tal
Δ_e_ = e0 – e1
Sl. 4. Izračun posedanja na podlagi spremembe koeficienta poroznosti tal
Začetni volumen vzorca tal je
Specifično posedanje Δ_s_, tj. posedanje na enoto prostornine tal 1+e0 je
Δ_s_ =(e0–e1) / (1+e0)
Ugrezanje osnovnega sloja debeline dz je po sl. 4b
Δ_s_ dz=(e0–e1) / (1+e0) dz
Ugrezanje sloja debeline H bo
Če predpostavimo, da je p napetost na globini z zaradi lastne teže tal, ki ustreza obremenitvi σ0 v edometru, Δp napetost zaradi dodatne obtežbe tal zaradi objekta, ki ustreza prirastku obremenitve Δ_σ_ v edometru, p1 pa skupna napetost pod vplivom lastne teže tal in dodatne obtežbe, ki ustreza skupni obremenitvi σ1 v edometru, lahko prejšnji obrazec zapišemo v obliki
Če označimo z A površino diagrama napetosti zaradi dodatne obtežbe tal, A = Δ_pH_ (šrafirana površina na sl. 4b), kjer je Δ_p_ napetost zaradi dodatne obtežbe v sredini plasti
a=Δ_e_/Δ_p_, razmerje razlike koeficienta poroznosti glede na ustrezno napetost dodatne obtežbe Vc = (1+e0)/a, lahko zapišemo
oziroma s = A/Vc [cm]
Če je tla sestavljena iz več plasti, se za vsako plast izračuna posedanje s; vsota posedanj posameznih plasti daje skupno posedanje Σ_s_.