β < < β < 30 β> 30

Transcript

1 PRIPRAVA TEMELJNIH TAL Potrebne preiskave zemljin iz sloja, v katerem bo pripravljen planum temeljnih tal: vlažnost, lezne meje, delež organskih in humusnih primesi, optimalna vlažnost (Proctor). Vlažnost mora biti takšna, da je pri zgoščevanju dosegljiva predpisana gostota. Če je vlažnost večja, je potrebna površinska stabilizacija, ali drugi tehnični ukrepi (dreniranje, nadomeščanje). β < < β < 30 Vsebnost organskih in humusnih primesi mora biti dovolj majhna, da se raztopina natrijevega luga pri Abrams- Harderjevi kolorimetrični metodi obarva največ temno rumeno. V planumu temeljnih tal si ne želimo visoko plastičnih zemljin. Če je indeks plastičnosti I P >35 in meja židkosti w L >65, razmislimo o poglobitvi izkopa ali o stabilizaciji tal. β> 30 Priprava temeljnih tal poteka v naslednjih fazah: široki odkop ali vsaj odriv humusa ter morebitnih organskih ali zelo razmočenih plasti temeljnih tal, planiranje (zaradi odvodnje), stabilizacija (po potrebi), zgoščevanje, kontrola ravnosti, zgoščenosti in deformabilnosti (izotopska sonda, krožna plošča). Na nagnjenih terenih stik med tlemi in nasipom stopničimo. Podobno postopamo, ko želimo razširiti obstoječi nasip. 1 2

2 Neposredno na planum temeljnih tal pogosto zgradimo prvi sloj nasipa v debelini 0,5 do 1,5 m iz kamnitega materiala, predvsem tam, kjer: - obstaja nevarnost vdora talne vode iz temeljnih tal v nasip in je nasip sicer grajen iz materiala, občutljivega na vodo (ploskovni drenažni filter), - obstaja nevarnost poplavnih vod. V takem primeru gradimo nasip iz kamnitega materiala do kote maksimalne pričakovane poplavne vode. - je ogrožena stabilnost temeljnih tal pod nasipom, gradimo kamnite pete pod vznožji nasipa: Ojačitve planuma temeljnih tal Na malonosilnih temeljnih tleh se lahko pripeti, da ta niso primerna za gradnjo nasipa, niti ni možen dostop s težko gradbeno mehanizacijo. Tedaj si lahko pomagamo z ojačitvami temeljnih tal z geosintetičnimi materiali. Običajno so to: - geotekstil (polst in podobno) ali - geomreže (običajno plastične). 3 Učinek takih ojačitev neposredno pod nasipom se kaže predvsem v: prerazporeditvi napetosti pod ozkimi bremeni (kolesa) in s tem večjo lokalno varnost, kar omogoča transporte, enakomernejšemu profilu posedkov pod bremeni. Tovrstni učinek je večji pri bolj togih mrežah in geotekstilih. Polsti (netkani geotekstili) imajo praviloma majhne togosti in zaradi tega majhne ojačilne učinke, uporabljamo pa jih predvsem zaradi filtrskih in ločilnih sposobnosti. Uporabljamo jih predvsem tam, kjer bi gradnja gramoznega ali peščenega nasipa neposredno na koherentno podlago lahko povzročila prodiranje drobnih frakcij iz temeljnih tal v nasip zaradi dinamičnih učinkov in kapilarnega dviga. Zaglinjen gramoz je mnogo bolj občutljiv na poškodbe zaradi zmrzovanja in tajanja ter na samo prometno obremenitev. Polst je torej ločilna in filtrska plast med koherentnimi temeljnimi tlemi in gramoznim nasipom. Geosintetiki pri zemeljskih delih Zgoraj smo kratko opredelili le vloge geosintetikov, ki jih polagamo na planum temeljnih tal. Razvoj geosintetikov pa je privedel do zelo raznovrstnih geosintetičnih materialov, ki jih prvenstveno razvrščamo po njihovi vlogi, ki jo vršijo v tleh (preglednica 1). Po značilnih lastnostih pa geosintetike razvrščamo v: Naziv Funkcije Geomreže Ojačitev Geotekstili Ojačitev, ločevanje, filtracija Geomembrane Bariere Bentonitne membrane Bariere Geokompoziti Zaščita, dreniranje, ločevanje Geosatovja Erozijska zaščita 4

3 Preglednica 1: Značilne vloge geosintetikov v tleh California Bearing Ratio (CBR test) Ojačitev Filtriranje Bariere Dreniranje S svojo togostjo in trdnostjo v lastni ravnini geosintetik sodeluje pri ugodnem prerazporejanju napetosti iz zelo obremenjenih v manj obremenjene dele tal. Za omogočanje hitrega odvajanja tekočin in hkratno preprečevanje migracije delcev zemljine izkoriščamo lastnosi prečno na ravnino geosintetika. Za preprečevanje migracije tekočin, plinov ali polutantov uporabljamo v prečni smeri neprepustne ali malo prepustne membrane. Za zbiranje in odvajanje tkočin uporabljamo geosintetike, ki imajo v lastni ravnini veliko prepustnost. Bistven podatek o temeljnih tleh za potrebe dimenzioniranja voziščne konstrukcije je rezultat CBR testa (California bearing ratio), ki ga izvajamo na vzorcih iz sloja, v katerem bo pripravljen planum temeljnih tal. CBR test izvajamo na valjastem vzorcu intaktne ali zgoščene zemljine, vgrajene v valjast kalup premera 152 mm in višine 127 mm. Površino preizkušanca zravnamo in nanj centrično postavimo bat premera 49,65 mm. S konstantno hitrostjo 1mm/min vtiskujemo bat v vzorec in merimo za to potrebno silo na vsakih 0,25 mm penetracije. Preizkus prenehamo pri penetraciji 7,5 mm. Aparatura je prikazana na spodnji sliki: Ločevanje Za preprečevanje mešanja dveh različnih vrst materialov. Zaščita Za zmanjševanje obremenitve na podlago in preprečevanje površinskih poškodb. Erozijska zaščita Za zaščito površin pred erozijo padavin in vetra. 5 6

4 Izmerjene podatke vrišemo v diagram sila-ugrezek. CBR vrednost je sila izmerjena pri testu na našem preizkušancu, deljena s silo pri testu na standardnem materialu. Običajno izračunamo CBR pri penetraciji 2,5 mm in 5,0 mm ter kot CBR vrednost objavimo večjo od obeh. CBR = P / P s * 100% P... sila pri izbrani penetraciji na testnem preizkušancu P s... sila pri isti penetraciji na standardnem preizkušancu Rezultati na standardnem materialu so podani v standardih in jih povzemamo v spodnji preglednici, slika pa prikazuje značilen rezultat preiskave. Odnos med silo in ugrezkom na standardnem CBR materialu Penetracija (mm) Sila (kn) 2,0 11,5 2,5 13,2 4,0 17,6 5,0 20,0 6,0 22,2 8,0 26,3 ZGOŠČEVANJE ZEMLJIN - PROCTORJEV PREIZKUS Zemljine je potrebno ob pripravi temeljnih tal, vgradnji v nasipe, zemeljske pregrade kar najbolje zgostiti. Pri zgoščanju pride do povečanja gostote zemljine pretežno na račun zmanjšanja volumna z zrakom zapolnjenih por, torej brez spremembe vlažnosti. Namen zgoščevanja zemljin je: doseči večjo strižno trdnost, manjšo deformabilnost in s tem manjše posedke, zmanjšati poroznost in s tem prepustnost. Izkaže se, da je sposobnost zgoščevanja zemljin pri neki energiji odvisna od vlažnosti zemljine. Obstaja torej neka vlažnost zemljine, pri kateri jo je mogoče z izbrano energijo najbolj zgostiti. Proctorjev preizkus je namenjen določitvi optimalne vlažnosti zemljine za vgradnjo v nasipe. Kot mero za zgoščenost zemljine pri vrednotenju Proctorjevega preizkusa uporabljamo suho prostorninsko težo, ki je definirana z izrazom: s γ γ D = = = (1) V V (1 + w) 1+ w redkeje pa za nekoherentne materiale tudi relativno gostoto: D R e e max = (2) max e e min Slika 1 prikazuje značilno odvisnost suhe prostorninske teže od vlažnosti in energije zgoščevanja. Pri višji energiji zgoščevanja seveda zemljine lahko bolj zgostimo. Za izbrano energijo zgoščevanja pa obstaja neka optimalna vlažnost w opt, pri kateri je mogoče zemljino najbolje zgostiti. 7 8

5 Rezultati tudi kažejo, da je optimalna vlažnost tem nižja, čim višja je energija zgoščevanja. vsakega s 25 udarci bata teže 25 N, ki ga spuščamo z višine 30,5 cm (standardna energija pri standardnem Proctorjevem preizkusu znaša 610 knm/m 3 ). Kalup z zemljino stehtamo, na reprezentativnih delih vzorca določimo še vlažnost. Sledi račun suhe prostorninske teže po enačbi (1). Ta rezultat (izmerjena suha prostorninska teža pri izmerjeni vlažnosti) predstavlja eno točko v končnem diagramu γ D = γ D (w). Vzorcu nato povečamo ali zmanjšamo vlago (s tehtanjem je mogoče zelo natančno doseči zaželeno vlažnost vzorca) in postopek ponovimo. Običajno se tako izmeri doseženo suho prostorninsko težo pri najmanj petih različnih vlažnostih. Rezultat se prikaže v diagramu (slika 2). Slika 1: Odnos med suho prostorninsko težo, vlago in energijo zgoščevanja Krivulje γ D (w) se pri velikih vlažnostih približujejo asimptoti, ki velja za povsem zasičeno zemljino (pri S r =100%). Preko te krivulje rezultati niso mogoči, saj v porah ni več zraka, ki bi ga lahko iztisnili iz zemljine. Ločimo dva postopka Proctorjevega preizkusa: Standardni Proctorjev preizkus in Modificirani Proctorjev preizkus. Potek standardnega Proctorjevega preizkusa (SPP) V standardiziran kovinski kalup premera 11,7 cm in višine 10 cm nabijemo zemljino pri izbrani vlažnosti v treh slojih, 9 Slika 2: Rezultat Proctorjevega preizkusa in interpretacija Ko izmerjene točke povežemo s krivuljo, lahko odčitamo največjo suho prostorninsko težo in vlago, pri kateri je mogoče zemljino najbolj zgostiti, to je optimalno vlago. 10

6 Optimalna vlaga koherentnih zemljin je običajno blizu meji plastičnosti. V praksi zahtevamo, da se doseže le določen odstotek maksimalne suhe prostorninske teže (običajno 92% do 98%), kar pomeni, da ima material ob vgradnji lahko nekoliko nižjo ali višjo vlažnost od optimalne (w 1 do w 2 na sliki 2). Obe mejni vrednosti vlažnosti določimo tako, da pri zahtevani (n.pr. 95%) suhi prostorninski teži na diagramu Proctorjeve preiskave povlečemo vodoravnico in poiščemo presečišči s krivuljo. Modificirani Proctorjev preizkus (MPP) Preiskava je v grobem enaka kot pri standardnem postopku, le energija zgoščevanja je večja, saj znaša 2750 knm/m 3. Vzorec zgoščamo v petih plasteh, vsako s 25 vsakega s 25 udarci bata teže 40 N, ki ga spuščamo z višine 40,2 cm. V ostalem se postopek ne razlikuje. Preglednica 2: Kriteriji za zgoščenost na nasipih prometnic Opis del Planum temeljnih tal nad 2,0 m pod koto planuma posteljice iz zemljin Planum temeljnih tal nad 2,0 m pod koto planuma posteljice iz kamnin Planum temeljnih tal od 2,0 do 0,5 m pod koto planuma posteljice iz zemljin Planum temeljnih tal od 2,0 do 0,5 m pod koto planuma posteljice iz kamnin Planum temeljnih tal od 0,5 m pod koto planuma posteljice iz zemljin Planum temeljnih tal od 0,5 m pod koto planuma posteljice iz kamnin Po SPP (%) Po MPP (%) Uporaba rezultatov Proctorjevega preizkusa To preiskavo uporabljamo vselej, ko vgrajujemo zemljino v nasipe, deponije, pregrade. Pri cestnih nasipih je v veljavi preglednica 2, ki podaja zahtevano zgoščenost nasipnega materiala glede na material in glede na koto plasti v nasipu (glej tudi sliko 7). Na terenu merimo doseženo gostoto sloja tal (ρ) in vlago (w) nasipnega materiala z izotopsko sondo (slika 3), iz česar lahko določimo tudi doseženo suho prostorninsko težo tal: γ D = V s = V w = V w s V s = γ wγ D γ D γ = 1+ w (3) Slika 3: Izotopska sonda 11 12

7 NASIPNI MATERIALI Nasipe lahko gradimo iz različnih materialov: kamniti material (gramoz, prod apnenca, dolomita, magmatskih kamnin, peščenjaka), grušč glinovcev, meljevcev (drobnozrnate sedimentne kamnine), peščeni materiali, melji in gline (apnena stabilizacija), odpadni materiali (elektrofiltrski pepel s sloji grušča, steklo, na koščke narezane avtomobilske pnevmatike pomešane z zemljino,...), umetni materiali (ekspandirana glina, stiropor, ipd.). Izbira materiala je zelo odvisna od masne bilance projekta, razpoložljivih stranskih odvzemov in drugih virov surovin, od geometrije nasipa ter od lastnosti temeljnih tal. odpornosti zemljin na škodljive učinke vode (zunanja in notranja erozija, porušitev strukture ter utekočinjenje). Apno je primerno za drobnozrnate in srednjezrnate plastične zemljine, ki se dajo homogeno predrobiti in premešati. Uporaba apna je predvsem primerna za tovrstne zemljine, ki so prevlažne za neposredno vgradnjo v nasip. Uporablja se tudi pri visokoplastičnih zemljinah za znižanje plastičnosti in s tem zmanjša deformabilnost ter pospeši konsolidacija (značilni dodatki apna so 2 do 5% na suho težo zemljine). Elektrofiltrski pepel je primeren tudi za drobnozrnate zemljine s previsoko vlažnostjo. Posebej je uporaba elektrofiltrskega pepela priporočljiva v kombinaciji s cementom ali apnom, saj močno poveča učinke izboljšanja. Preiskave o ustreznosti in pogojih vgradljivosti nasipnega materiala: osnovne preiskave: vlažnost, lezne meje, zrnavost Proctor CBR preiskave lastnosti nasipnega materiala, zbitega po Proctorju določanje recepture za stabilizacijo nasipnega materiala Stabilizacija nasipnih materialov Za stabilizacijo materialov se odločamo, ko - so razpoložljivi materiali prevlažni za vgradnjo (izboljšanje), - izkazujejo prenizke mehanske lastnosti (stabilizacija), - so neodporni na škodljive učinke vode (utrditev). Za izboljšanje zemljin za vgradnjo v nasipe uporabljamo apno, cement, elektrofiltrski pepel, žlindre in njihove kombinacije. Cement, elektrofiltrski pepel in žlindra kot anorganska veziva so primerna za vse grobo in srednjezrnate zemljine ter za nizko plastične drobnozrnate zemljine, ki se dajo predrobiti in homogeno premešati. Njihova uporaba je zlasti primerna za povečanje 13 14

8 KONTROLE PLANUMA TAL ALI NASIPA MERITEV PODAJNOSTI NASIPNEGA MATERIALA Vsak vgrajen sloj nasipa kakor tudi planum temeljnih tal preverjamo: - glede dosežene gostote tal in vlažnosti, - glede deformabilnosti (togosti) s krožno ploščo, - glede geometrijske točnosti (kota planuma lahko odstopa od projektirane za največ 2 cm), - glede ravnosti (na dolžini 4 m lahko ravnost odstopa za največ 3 cm pri nasipih iz zemljin in 5 cm pri nasipih iz kamnin). KONTROLA ZGOŠČENOSTI MED GRADNJO Poznamo tri metode: peščena metoda, izotopska sonda, kontinuirna kontrola zgoščenosti. Peščena metoda: iz planuma nasipnega sloja odvzamemo del materiala in ga stehtamo. Nastalo luknjo zapolnimo z znanim volumnom peska. Iz razmerja teže in volumna določimo prostorninsko težo, po sušenju pa še suho prostorninsko težo in vlažnost. Slabost: točkovni podatek, potreben izkop materiala, sušenje... Dobro: Varno in preprosto. Deluje, ko odpove vse ostalo. Slika 4: Meritev togosti planuma - s krožno ploščo Izotopska sonda: S pomočjo radioaktivnih izotopov neposredno odčitamo gostoto in vlažnost vgrajene zemljine. (slika 3) Slabo: Točkovni podatek, potencialno nevarno za zdravje. Dobro: Preprosto in zanesljivo. Kontinuirna kontrola zgoščenosti (CCC Continuous Compaction Control): Merilec dinamičnega odziva tal na vibracijsko zgoščanje, nameščen neposredno na komprimacijsko sredstvo (valjar) omogoča sprotno analizo zgoščenosti med vibracijskim zgoščanjem tal. Slabo: - Dobro: Zvezen zapis zgoščenosti omogoča identifikacijo vseh morebiti slabo zgoščenih mest v nasipu. Slika 5: Isto - s krožno ploščo z lahko padajočo utežjo 15 16

9 Poskus s krožno ploščo V cestogradnji sta znana dva statična postopka za meritev modula komprimiranih plasti nasipov (slika 4): - švicarski postopek, pri katerem določimo modul stisljivosti M E in - nemški postopek, pri katerem določamo deformacijska modula E v1 in E v2 ter dinamični postopek s padajočo utežjo (slika 5), s katerim določamo dinamični deformacijski modul E vd. Običajno se modul E v1 izvrednoti za prirastek obtežbe med 2. in 5. bremensko stopnjo in ustrezno spremembo posedka tal. Po švicarskem postopku se za določanje modula stisljivosti zemljin uporablja toga krožna jeklena plošča s premerom d = 30 cm. Tla se obremenjujejo postopno z obremenitvijo q = 50 kpa v 5 stopnjah do končne obremenitve q = 250 kpa. Merijo se posedki plošče. Prva meritev posedka se izvede takoj po obremenitvi, nadaljnje meritve si sledijo v časovnih intervalih po 3 minute toliko časa, da je razlika dveh zaporednih premikov manjša od 0,05 mm. Modul stisljivosti M E se računa po enačbi: M E q = d s Običajno se modul stisljivosti izvrednoti za prirastek obtežbe med 50 in 150 kpa (1. in 3. bremensko stopnjo) in ustrezno spremembo posedka tal. Po nemškem postopku togo krožno jekleno ploščo s premerom d = 30 cm obremenimo z najmanj 6 bremenskimi stopnjami. Velikost posamezne obtežbe q mora biti takšna, da je ustrezen posedek tal s manjši od 2 mm. Izkustvene vrednosti bremenskih stopenj q so za različne zemljine med 20 in 50 kpa. Pri vsaki bremenski stopnji izmerimo posedek tal takoj po obremenitvi in vsako naslednjo minuto toliko časa, dokler ni razlika dveh zaporednih posedkov manjša od 0,02 mm. Deformacijski modul E v1 izračunamo po enačbi: E v 1 = q d s 17 Slika 6: Nemški postopek za določevanje modulov E v1 in E v2 Po končanem obremenjevanju do maksimalne obtežbe q max togo jekleno ploščo povsem razbremenimo v treh stopnjah (50%, 25%, 0%) in merimo v časovnih intervalih 1 minute dvižke toge jeklene plošče. Po popolni razbremenitvi jekleno ploščo ponovno obremenjujemo z obtežbo q enako kot pri prvem obremenjevanju. Deformacijski modul pri ponovni obremenitvi E v2 se izvrednoti za prirastek obtežbe med 1. in 6. bremensko stopnjo in ustrezno spremembo posedka tal po enačbi: q E v 2 = d s Meritev dinamičnega deformacijskega modula s padajočo utežjo se izvaja z napravo, prikazano na sliki 5. Ta vsebuje krožno jekleno ploščo premera 300 mm, navpično vodilo za prosto padajočo utež mase 10 kg, katere sunek pri udarcu na spodnjo vzmet mora trajati 18

10 18ms in katerega sila znaša največ 7,07 kn. Na vrhu vodila je zaklep, ki zadrži utež pred meritvijo na natančno določeni višini. Naprava zajema tudi elektronski merilec pospeška plošče. Izmerjeni potek pospeška se dvakrat integrira, s čimer dobimo posedek plošče, takoj zatem pa iz znanega sunka sile še dinamični deformacijski modul. Po treh ponovitvah meritve se kot rezultat objavi povprečje vseh treh meritev. V cestogradnji se kot kriterij za vrednotenje kakovosti planuma temeljnih tal ali nasipa uporablja deformacijski modul Ev2 in razmerje deformacijskih modulov Ev2/Ev1 oziroma dinamični deformacijski modul Evd. Kriteriji so podani v tabeli na naslednji strani in na sliki 7. Slika 7: Zahteve za kakovost v nasipe vgrajenega materiala RAZMISLI! Kako bi postopal pri nasipih višine do 2 m, ki so grajeni na mehkih tleh, katerih planum ne zadošča gornjim kriterijem? Zahtevani moduli pri gradnji cestnih in železniških nasipov Opis del Statični deformacijski modul Dinamični deformacijski modul E v2 (MPa) E v2 / E v1 E vd (MPa) Planum temeljnih tal od 2,0 do 0,5 m pod koto planuma posteljice iz: zemljin izboljšanih zemljin kemično stabiliziranih zemljin kamnin Planum temeljnih tal od 0,5 m pod koto planuma posteljice (=posteljica) iz: zemljin izboljšanih zemljin kemično stabiliziranih zemljin kamnin ,0 3,0 7,00 10,0 15,0 30,0 10,0 12,0 20,0 40,0