Osnovni elementi mehanike tla

Transcript

1 Osnovni elementi mehanike tla Tekstura sedimentnih stijena Cement naknadno izlučen u dijelu pornih prostora Pora Pora ispunjena vodom Matriks Zrno (klast) Shematski prikaz načina pakiranja zrna i načina cementacije i litifikacije klastičnog i sedimenta (grč.klásis-lomljenje, razbijanje) Tekstura sedimentnih stijena Cement naknadno izlučen u dijelu pornih prostora Pora Pora ispunjena vodom Matriks Zrno (klast) Zrna ili klasti su detritični mineralni ili litični sastojci preostali nakon fizikalnog i kemijskog trošenja starijih stijena, koji su taloženi nakon prijenosa vodom, zrakom ili ledom. Zrna čine osnovni skelet ili konstrukciju stijene. Matriks je sitni detritus (kod konglomerata i breča obično sitni pijesak, prah, mulj ili glina) koji je transportiran i taložen zajedno sa zrnima. U sedimentu se matriks nalazi ili u međuprostorima zrna kada su zrna u kontaktu (intergranularna poroznost), ili pak zrna plivaju u matriksu. Litifikacijom matriks postaje čvrsto matriksno vezivo kojim se zrna povezuju u čvrstu stijenu.

2 Tekstura sedimentnih stijena Cement naknadno izlučen u dijelu pornih prostora Pora Pora ispunjena vodom Matriks Zrno (klast) Cement je mineralna tvar izlučena u porama između zrna nakon njihova taloženja ali i na mjestu otoplkenih zrna. Dakle, to je postsedimentacijski sastojak. Izlučivanjem cementa-cementacijom-također se zrna povezujucementiraju-u čvrstu stijenu, pa cement pripada mineralnom vezivu sedimentnie stijene. Pore su slobodni prostor između zrna u kojima nema ni matriksa niti cementa. Obično su ispunjeni plinom i/ili vodom i naftom. Podjela sedimentnih stijena Egzogeni sedimenti (klastični) Endogeni sedimenti (kemijski i biokemijski) Kataklastični til i tiliti Mješoviti sedimenti lapori, kalcitični siltiti i kalcitični peliti Organogeni rezidui ugljen i treset Rezidui tla i boksiti ulkanoklastični sedimenti tufovi, tufiti Isprani rezidui Precipitati Krupni Sitni Neevaporitni Evaporitni šljunci konglomerati pelitni i glinoviti sedmenti vapnenci dolomiti Gips Anhidrit i soli breče pijesci silicijski i fosfatni sedimenti Pješčenjaci Tlo i stijena Termini za kvalitativno označavanje veličine zrna klastičnih sedimenata (Tišljar, 987) Engleski Grčki Latinski Šljunak (šljunkoviti) Gravel (gravelly) Psefit (psefitni) Rudit (ruditni) Pijesak (pjeskoviti) Sand (sandy) Psamit (psamitni) Arenit (arenitni) Prah (prašast ili siltozni) Glina (glinoviti) Silt (silty) Clay (clayly) Alevrit (alevrolitnił) Pelit (pelitni) Lutit (lutitni) 2

3 Tlo i stijena Tlo (soil) Stijena (rock)??????(ground) (pijesak, šljunak, glina) (vapnanac, dolomit, granit...) (tla i stijene) Granica između tla i stijena???? Jednoosna tlačna u čvrstoća u< MPa u> MPa Tlo Stijena ε Tlo i stijena SEDIMENTNE STIJENE PJEŠČENJAK slabovezani Tlo i stijena LAPOR 3

4 Tlo i stijena Ponašenje uzorka u laboratoriju NE opisuje ponašanje cijelog područja promatranja Ponašenje uzorka u laboratoriju opisuje ponašanje cijelog područja promatranja Stijena je : diskontunualna, anizotropna, nehomogena, prirodno napregnuta. Tlo je: kontinum, homogeno. Odnosi faza u tlu g Plin M g 0 W g 0 v w oda M w W w M W s Krute čestice M s W s olumeni Mase Težine Ukupni volumen v olumen pora s olumen krutihčastica g olumen plinske fza u tlu (zrak) w olumen tekuće faze u tlu (voda) M Ukupna masa tla M s M w W W w W s Masa krutihčastica Masa tekuće faze u tlu (voda) Ukupna težina tla Težina krutih častica Težina tekuće faze u tlu (voda) Odnosi faza u tlu Porozitet Porosity Koeficijent poroznosti: oid ratio Stupanj saturacije Degree of saturation olumenski odnosi v n = v e = s S = n e = n = e n + e w v lažnost Water content Maseni odnosi Gustoća Specific gravity of mass Gustoća suhog tla Specific gravity of dry soil Gustoća čvrstih čestica Specific gravity of solids M M w w = = s M G m = G Ww W d = s M M G = s s s G w = S e 4

5 Konstitutivna jednadžba l 2 l 0 = ε l l 0 E = ε -Početak plastifikacije 2-vršna čvrstoća ε JEDNOOSNA KOMPRESIJA Konstitutivna jednadžba Konstitutivnom jednadžbom definira se zakonitost promjene naprezanje i deformacija. Mehanika kontinuuma zahtjeva da svaka konstitutivna jednadžba zadovoljava određene principe. Jedan od njih je da ona bude neovisna o izabranom koordinatnom sustavu, te da s obzirom na razne koordinatne sustave bude invarijanta (konstanta opruge ista je na Zemlji, mjesecu ili rotirajućem disku) IDEALNO ELASTIČNO PONAŠANJE HOOKE-OO TIJELO E * E = ε ε E = ε ε Konstitutivna jednadžba IDEALNO PLASTIČNO PONAŠANJE 0 0 n = 0 * n tgφ ε 5

6 Konstitutivna jednadžba Elastičan-perfektno plastičan materijal Saint enant-ov materijal Elastična deformacija Plastičan slom E * E = ε = 0 ε E = ε ε Konstitutivna jednadžba ELASTOPLASTIČNO PONAŠANJE = ε * E -Idealno elasto-plastično 2-Očvršćavanje (strain-hardening) 3-Omekšavanje (strain softening) ε E = ε 2 3 ε Kriterij čvrstoće (strength criteria or failure criteria) ČRSTOĆA predstavlja stanje naprezanja pri kojem se uzorak stijene ili element stijenske mase lomi. KRITERIJ ČRSTOĆE je jednadžba koja se koristi za provjeru dali će se desiti lom pod djelovanjem tri glavna naprezanja koja se predviđaju na određenoj lokaciji. 6

7 Kriterij čvrstoće (strength criteria or failure criteria) Tradicionalno: čvrstoća=f(, 2, 3 ) čvrstoća=f(ε, ε 2, ε 3 ) Kriterij čvrstoće Mohr-Coulombov kriterij čvrstoće 3 n β 3 Za dvodimenzionalni slučaj, stijena će se slomiti kod kritične kombinacije normalnih i posmičnih naprezanja: = 0 + µ n Charles Augustin Coulomb ( ) 0 =kohezija µ=koeficijent trenja c t Jednoosni vlak 3 Mohrova anvelopa u 2β Jednoosno tlačenje Φ µ=tanφ Kod loma 2β =90+Φ β=45+φ/2 0 =c = ( 3) sin 2β 2 n = ( + 3) + ( 3) cos 2β 2 2 Jednadžbe zai n su jednadžbe kruga u (- ) prostoru Kriterij čvrstoće Mohr-Coulombov kriterij čvrstoće Mohr Cuolombov-kriterij prikazuje se ravnom linijom koja tangira Mohrove krugove koji predstavljaju kritičnu kombinaciju glavnih naprezanja (vrijednosti glavnih naprezanja u trenutku loma) = tan φ + c Φ gdje je: Φ= kut unutarnjeg trenja c= kohezija =posmično naprezanje u trenutku loma ili posmična čvrstoća c t 3 u 2β Sve kombinacije normalnih i posmičnih naprezanja koje leže ispod ovako definiranog kriterija predstavljau stabilno stanje (neće doći do loma materijala). 7

8 Stupanj prekonslidacije Stupanj prekonsolidacije, OCR (overconsolidation ratio), je omjer najvećeg vertikalnog naprezanja u prošlosti, p, i onoga kome jetlo izloženo u sadašnjem trenutku, v OCR = p / v Normalno konsolidirana, NC (normally consolidated), su ona tla u kojima je OCR jednak. To su tla u kojima je proces konsolidacije dovršen, a prethodno nisu bila izložena većim opterećenjima. Prekonsolidirana, OC (overconsolidated), su ona tla u kojima je OCR veći od, dakle su uglavnom prethodno bila izložena većim opterećenjima. Efektivno naprezanje Efektivna naprezanja se javljaju na kontaktima pojedinačnih zrna. Uobičajeno se obilježavaju sa apostrofom, i predstavlja razliku totalnog naprezanja i pornog tlaka. = - u oda u porama nalazi se pod tlakom (u). To je porni tlak vode. - Ttotalno (ukupno) naprezanje Efektivno naprezanje Efektivna naprezanja se javljaju na kontaktima pojedinačnih zrna. Uobičajeno se obilježavaju sa apostrofom, i predstavlja razliku totalnog naprezanja i pornog tlaka. = - u oda u porama nalazi se pod tlakom (u). To je porni tlak vode. - Ttotalno (ukupno) naprezanje 8

9 Posmična čvrstoća tla Čvrstoća različitih materijala Čelik Beton Tlo lačna čvrstoća Tlačna čvrstoća Posmična čvrstoća Kompleksno ponašanje Prisustvo porne vode Smicanje (čisti smik, posmik) 9

10 Posmični lom tla Lom tla općenito uzrokuju posmična naprezanja Potporni zid Posmični lom tla Lom tla općenito uzrokuju posmična naprezanja Potporni zid Mobilizirani posmični otpor Površina loma Lom se događa kada posmično naprezanje uzduž plohe (mobilizirani posmični otpor) loma dostigne posmičnu čvrstoću. Posmični lom tla Lom tla općenito uzrokuju posmična naprezanja Temeljna stopa Nasip Ploha loma Mobilizirana posmična otpornost Lom se događa kada posmično naprezanje uzduž plohe (mobilizirani posmični otpor) loma dostigne posmičnu čvrstoću. 0

11 Posmični lom tla Ploha loma Čestice tla klize jedna preko druge uzduž plohe loma. Ne dolazi do lomljenja pojedinačnih zrna. Mehanizam posmičnog loma Pri lomu, posmično naprezanje uzduž plohe loma () dostigne vrijednost posmične čvrstoće ( f ). Mohr-Coulomb kriterij čvrstoće Posmična se čvrstoća sastoji od dvije komponente: kohezije i trenja. f c φ f f tan φ c f = c + f tanφ kohezija trenje Charles Augustin Coulomb

12 Mohr-Coulomb kriterij čvrstoće Efektivna kohezija c (u obliku efektivnih naprezanja) = c' + ' tanφ' f Anvelopa loma f Efektivni kut trenja f je maksimalno posmično naprezanje koje tlo može podnijeti bez loma pod normalnim naprezanjem. φ ' = u u = porni tlak vode c i φ su veličine koje određuju posmičnu čvrstoću. Što su njihove vrijednosti veće, veća je i čvrstoća. Mohrovi krugovi i anvelopa loma Element tla se neće slomiti ako je Mohrov krug ispod anvelope loma Površina tla Y 3 + Prije dodatnog opterećenja, Mohrov krug je točka ako = 3 2

13 Mohrovi krugovi i anvelopa loma Ploha loma = c' + ' tanφ' f X Element tla na različitim lokacijama Y Y X ~ stabilno Y X ~ lom Mohrovi krugovi i anvelopa loma Kako se naprezanje povećava Mohrovi krugovi postaju sve veći Površina tla Y 3.. I lom se dogodi kada Mohrov krug dotakne anvelopu loma. Položaj plohe loma Površina tla Y 45 + φ/2 Ploha loma se formira pod kutem 45 + φ/2 prema horizontali Y φ/2 φ 90+φ + 3

14 Mohrovi krugovi u obliku totalnih i efektivnih naprezanja X v h v X = h + u u X Efektivna naprezanja Totalna naprezanja h v h u v ili 3 X Točka naprezanja Točka naprezanja q Točka naperzanja ( - 3 )/2 3 p ( + 3 )/2 + q = 3 2 p = 3 2 Tokom opterećenja Trag naprezanja q Trag naprezanja povezuje točke naprezanja Trag naprezanja p 4

15 Anvelopa loma (kriterij čvrstoće) q Lom φ tan - (sin φ) c c cos φ Trag napr. p Tokom opterećenja (posmika) Određivanje posmičnih parametara tla (c, φ ili c, φ ) Laboratorijska ispitivanja na neporemećenim uzorcima Terenska ispitivanja Najčešće korištene metode:. Izravnin posmik (direktno smicanje) 2. Troosni posmik (troosno ispitivanje) Koriste se i druge metode kao: Izravni jednostavni posmik (direct simple shear test), kružno smicanje, laboratorijska krilna sonda, laboratorijski padajući šiljak. Krilna sonda 2. Džepni penetrometar 3. Padajući šiljak 4. Presiometar 5. Statička penetracija 6. Standardi pemnetracijski pokus 5