Pomembna strokovna opomba: Ta članek je arhivski izobraževalni pregled in ni geotehnična študija, veljaven laboratorijski standard, izračun temeljev ali priročnik z navodili. Prvotni pogoji, postopki, merske enote, vrednosti, klasifikacije in sklicevanja na »naše predpise« so bili preneseni brez preverjanja skladnosti z veljavnimi standardi in predpisi. Preizkušanje tal, izbiro metode, interpretacijo rezultatov in projektantske odločitve morajo izvajati pooblaščeni strokovnjaki geotehnike in ustrezen laboratorij za določen objekt in lokacijo.
Tematika stisljivosti tal ni del nove javne ponudbe Sava Kusića. Trenutni fokus proizvodnje so lesena okna, okna iz lesa-aluminija in vrata po meri. Za določen projekt oken ali vrat lahko pošljete povpraševanje za ponudbo.
Osnova testa edometra
Stisljivost tal se ugotavlja s kompresijskim preskusom s preprečenim bočnim raztezanjem, ki se imenuje tudi edometrični test ali konsolidacijski test.
Preizkus se izvaja z nemotenimi vzorci, v nekaterih primerih pa tudi z motenimi. V prvem primeru se vzorec odvzame s stiskanjem kovinskih obročev v večji, nemoteni vzorec, ki se nato skupaj z obročem vnese v aparaturo, potem ko odrežemo odvečni vzorec in njegove površine poravnamo z robovi valja. V drugem primeru se obroč napolni z vzorcem v stanju konsistence na meji tečenja in v tem stanju se vnese v edometer.
Test se izvaja z aparatom, ki ga je prvi skonstruiral Terzaghi in se imenuje edometer. Danes obstaja več različnih konstrukcij te naprave, vendar vse temeljijo na istem principu, testiranju stiskanja vzorca zemlje pod obremenitvijo s preprečenim bočnim raztezanjem.
Edometer: opis naprave
Sl. 1. Število kilometrov
Edometer je sestavljen iz kovinskega valja, v katerem je vzorec nameščen med dvema filtrirnima kamnoma (slika 1). Vzorec se vnese v aparat v kovinskem obroču s premerom 7-10 cm in višino 1-4 cm. Obremenitev P se prenese na vzorec preko zgornjega filtrskega kamna. Pod spodnjim filtrskim kamnom so na dnu cilindra kanali za odvod vode iz vzorca v kapilarno cevko ter za dovod vode. Ker se stiskanje vzorca izvaja na račun por, ker so trdni delci zemlje in voda v porah praktično nestisljivi, je potrebno zagotoviti odtekanje vode iz vzorca med preskusom, kar omogočamo s filtrskim kamnom, kanalom in kapilarno cevko.
Na levi strani naprave je dovodna cev s pipo pred jeklenko, medtem ko je kapilarna cev na desni strani s pipo za jeklenko. Kapilarna cev se uporablja tudi za določanje koeficienta prepustnosti tal k.
Izpit
Ko je vzorec vstavljen v valj in je aparat sestavljen, zaprite levo pipo, dovod vode, in odprite desno pipo, da voda odteče v kapilarno cev. Nato se približa obremenitvi vzorca, ki se postopoma uporablja. Običajno se uporabljajo naslednje obremenitve: 0,50; 1,00; 2,00; 4,00; 6,00 kp/cm2 in naprej do največje pričakovane obremenitve tal pod objektom, večinoma do 10 kp/cm2, pri jezovih pa lahko še več do 20 kp/cm2. Pri vsaki stopnji obremenitve se v trenutku njene uporabe zažene štoparica in v določenih časovnih intervalih 15“, 30“, 1’, 2’, 5’, 15’, 45’, 2h, 5h, 24h, nato vsak nadaljnji 24h, do konsolidacije vzorca pri tej stopnji obremenitve, se na komparatorju odčita ustrezni posedek v tisočinkah milimetra in zabeleži v zapisnik. Za konsolidacijo se predpostavlja, da je bila dosežena, če je bila usedlina vzorca Δh ≤ 0,02 mm za čas 24 ure. Ko je dosežena konsolidacija, se uporabi naslednja stopnja obremenitve in celoten postopek se ponovi na enak način in tako naprej do končne stopnje obremenitve.
Preizkus utrjevanja s preprečenim bočnim raztezanjem se izvede z obremenjevanjem in razbremenitvijo, z namenom ugotavljanja elastičnih lastnosti zemljine. Ko vzorec naložimo do določene stopnje, ga razbremenimo z enako postopnostjo, kot smo ga naložili. Olajšanje se običajno izvede po 2,0 kp/cm2, 4,0 kp/cm2 in 6,0 kp/cm2.
Preizkus praviloma izvajamo z vzorcem pod vodo, ki ga držimo na levi stekleni epruveti v višini zgornje površine vzorca v aparaturi. Preizkušanje stisljivosti vzorca v prisotnosti vode se izvaja iz tega razloga, ker je preizkušanje dolgotrajno in se vzorec v tem času suši, zaradi česar bi bila stisljivost vzorca manjša od dejanske stisljivosti zemljine v naravnem stanju vlažnosti. Poleg tega je lahko naravna vlažnost tal višja, kot je bila v času vzorčenja, še posebej, ko se gladina podzemne vode dvigne, kar lahko privede do znatnega odstopanja od dejanske stisljivosti tal v času visokega vodostaja.
Rezultati preskusa se uporabijo za tri vrste diagramov, in sicer diagram relativne kompresije, diagram spremembe koeficienta poroznosti in diagram časovne poravnave.
Diagram relativne stiskanja
Ta diagram dobimo, ko na vzorec deluje normalni tlak na abscisni osi σ = P/A, kjer je P obremenitev, ki deluje na vzorec preko zgornjega filtrirnega kamna v kp/cm2, A je površina prečnega prereza vzorca v aparatu, na ordinatni osi pa je relativna kompresija Δh/h kjer je Δh posedanje vzorca pod obremenitvijo Δσ med konsolidacijo, h višina vzorca pred obremenitvijo (slika 2).
Sl. 2. Diagram relativne stiskanja
Med nalaganjem dobimo diagram primarne kompresije a.
Če je med razkladanjem omogočen nemoten vnos vode, tako da je vzorec med razkladanjem ostal pod vodo, se vrne v prvotno stanje, to je nabrekanje. Vzorec pa se ne vrne v začetno stanje, kar pomeni, da je poleg elastične še plastično (trajno) deformiran. Zato v tem primeru med razbremenitvijo dobimo diagram nabrekanja b. Če pa je bil preskus izveden brez vode, se namesto diagrama nabrekanja uporabi tako imenovani diagram elastičnosti.
Če se vzorec po razbremenitvi znova naloži, se pridobi sekundarni kompresijski diagram c. Diagram nabrekanja in diagram sekundarne kompresije c tvorita histerezno zanko med njima. V glini so histerezne zanke pomembne, zato se deformacije v območju nabrekanja in sekundarne kompresije (diagrama b in c) ne štejejo za elastične, ampak za reverzibilne, saj niso sorazmerne z obremenitvijo po Hookovem zakonu. Deformacije v območju primarne kompresije (diagram a) na delu, kjer se niso vrnile, so trajne (ireverzibilne).
Modul stisljivosti tal
Iz diagrama relativne kompresije dobimo po Hookovem zakonu analogno Jungovemu modulu elastičnosti E za prožni material stisljivostni modul tal Ms
Ms = Δσ / (Δh/h) [kp/cm2],
kjer je Δσ prirastek obremenitve, Δh/h ustrezna relativna kompresija, ki je vzeta iz primarnega kompresijskega diagrama a (slika 2).
Modul stisljivosti zemljine Ms se razlikuje od modula elastičnosti E elastičnega materiala, ker Ms ni konstanten za en in isti material, ampak je spremenljiv in narašča z normalno obremenitvijo σ. Zato je mogoče podati eno določeno vrednost modula stisljivosti Ms samo za en ozek interval normalne obremenitve tal Δσ. Če je vrednost modula Ms večja, je stisljivost zemljine manjša in obratno. V skladu z našimi temeljnimi predpisi je sprejeto naslednje merilo za stisljivostni modul tal v naravnem stanju:
Spodnja razvrstitev je prenesena iz izvirnega besedila, vključno s ponovljenim intervalom 100-400 kp/cm2. Ni preverjeno oziroma usklajeno z veljavnimi predpisi.
Ms = 0 - 20 kp/cm2 izjemno stisljiva tla
Ms = 20 - 50 kp/cm2 zelo stisljiva tla
Ms = 50 - 100 kp/cm2 srednje stisljiva tla
Ms = 100 - 400 kp/cm2 manj stisljiva tla
Ms = 100 - 400 kp/cm2 rahlo stisljiva tla
Ms = 400 - 1000 kp/cm2 rahlo stisljiva tla
Ms > 1000 kp/cm2 zelo nizko stisljiva tla.
Modul elastičnosti tal
Na enak način dobimo modul elastičnosti zemljine E:
E = Δσ / (Δh/h) [kp/cm2],
kjer je relativni prirast stiskanja Δh/h vzet iz diagrama elastičnosti tal za ustrezen normalni prirastek tlaka Δσ.
Normalna utrjena in preveč utrjena tla
Sl. 3. Diagram sprememb koeficienta poroznosti motenega vzorca tal
Če izvedemo edometerski test z motenim vzorcem, ki smo ga vnesli v aparaturo na meji tečenja, in rezultate testa vnesemo na diagram spremembe koeficienta poroznosti e v odvisnosti od tlaka σ (slika 3), konsolidacijski tok predstavljamo z diagrami 1 za primarno obremenitev, 2 za razbremenitev, 3 za sekundarno obremenitev do meje a razširitve primarne obremenitve σa in 4 nad to mejo.
Diagram razbremenitve 2 in sekundarni diagram stiskanja 3 tvorita histerezno zanko, za katero se diagram 4 nadaljuje v podaljšku diagrama 1, brez prekinitve, kot da ne bi bilo razbremenitve in ponovno nalaganje.
Sl. 4. Diagram spremembe koeficienta poroznosti nemotenega vzorca tal
Če pa izvedemo preskus edometra na enak način kot prej z nemotenim vzorcem, vzetim iz določene globine tal (slika 4), bo diagram sekundarne obremenitve 3 pokazal prelom σb v točki b pri določeni obremenitvi, po kateri bo imel diagram 4 večji naklon. Do tega zloma je prišlo, ker je bila zemlja, iz katere je bil vzorec vzet, pod večjo obremenitvijo p=γt kot je bila obremenitev vzorca σ v edometru. Večja obremenitev p izvira iz teže obstoječih zgornjih plasti tal na površino terena, ki jo imenujemo pritisk tal, ali iz obremenitve prejšnjih plasti tal, ki jih je sčasoma odnesla erozija ali morena ali žled, kar imenujemo predobremenitev. Pojav prekonsolidacije je še posebej značilen za glino, kjer ločimo normalno utrjeno in prekonsolidirano glino.
Normalno utrjena glina
Normalno utrjena glina je v manjših globinah pod površino tal, ki predhodno ni bila izpostavljena predobremenitvi. Vzorec te gline, obremenjen v edometru z obremenitvami, večjimi od teže zgornjih plasti “pritiska tal”, kaže neprekinjen tok konsolidacije, brez prekinitev v diagramu relativne stiskanja ali v diagramu spremembe koeficienta poroznosti. Posedanje te gline pod obremenitvijo predmeta je normalno, tj. pod določeno obremenitvijo se usedanje sčasoma zmanjša.
Prekonsolidirana glina
Prekonsolidirana glina je na večjih globinah ali je bila predhodno izpostavljena predobremenitvi. Vzorec te gline, obremenjen v edometru s tlakom, večjim od tlaka ali predobremenitve zemljine, kaže na diagramu relativne stiskanja ali na diagramu spremembe koeficienta poroznosti prelom, t.i. geološki prelom g, z močno spremembo smeri (sl. 5a). Posedanje te gline pod konstrukcijo je majhno pri obremenitvah pod tlakom tal ali prednapetostjo σ1, vendar postane znatno večje pri obremenitvah nad σ1.
Če geološki prelom ni jasno definiran, se določi z uporabo tangent na diagram (slika 5b).
Sl. 5. Diagram sprememb koeficienta poroznosti prekonsolidirane gline
Diagram časovne poravnave
Ta diagram, imenovan tudi konsolidacijski diagram, dobimo, če za vsako stopnjo obremenitve vzorca v edometru čas t v urah uporabimo na abscisni osi in usedanje v mm (sl. 6a) ali v % skupne usedline (sl. 6b) uporabimo na ordinati os.
Sl. 6. Časovni poravnalni diagram
Nevezana in vezana zemljina se pod obremenitvijo obnašajo različno. Zrahljana tla, kot je pesek, imajo velike pore, iz katerih se ob obremenitvi hitro iztisne voda, tako da se zemljina hitro posede, pri čemer je največji posedek na začetku obremenitve, končni posedek pa pri dani obremenitvi doseže v razmeroma kratkem časovnem intervalu. Kohezivna tla, kot je ilovica, imajo majhne pore, iz katerih je pod obremenitvijo težko iztisniti vodo. V časovnem procesu posedanja zbitih tal obstajata dve fazi. V prvi fazi, takoj po obremenitvi zemljine, ker voda ne more odtekati iz por, postane ta obremenjena in sprejme celotno obremenitev. V drugi fazi začne obremenjena pora voda izrivati pod lastno napetostjo zaradi obremenitve, ki se postopoma prenaša na trdne delce tal. V tej drugi fazi se delci združijo in pore se skrčijo. Proces posedanja se nadaljuje, dokler tlačna voda ni iztisnjena iz por, to je dokler napetostno stanje vode v porah ne preneha obstajati. Zato je utrjevanje tal predvsem hidrodinamični problem, ki je odvisen od prepustnosti in poroznosti tal. Pri glini, katere prepustnost je nizka, lahko proces utrjevanja traja zelo dolgo, poleg tega pa so lahko posedki zaradi večje skupne poroznosti bistveno večji kot pri pesku. Na podlagi konsolidacijskega testa se lahko izračuna časovni potek poravnave za celotno trajanje konsolidacije in po posameznih fazah.