Univerzitet u Banjoj Luci Rudarski fakultet Prijedor FIZIČKA SVOJSTVA STENA I TLA * Granulometrijski sastav stena i tla * Otpor stena i tla na dejstvo mraza * Zapreminska težina stena i tla * Specifična težina stena i tla * Poroznost stena i tla * Vlažnost stena i tla Doc. dr Srđan Kostić, dipl.inž.geol. Prijedor, 07-08/10/2014
Granulometrijski sastav stena i tla procentualno učešće zrna određenog prečnika u ukupnoj težini tla granulometrijski sastav tla daje važne i sigurne podatke o njegovim pojedinim fizičkim svojstvima ako u tlu preovlađuju glinene čestice veličine ispod 0,002mm, onda se već na osnovu toga može da zaključi da je tlo plastično, koherentno, higroskopno, visoke kapilarnosti, male propustljivosti i da ima mali ugao unutrašnjeg trenja granulometrijski sastav tla se predstavlja krivama granulometrijskog sastava 1 šljunčani pesak 2 prašinasti pesak 3 peskovita prašina 4 glinovito tlo 5 glina
Granulometrijski sastav stena i tla Stepen neravnomernosti tla (Allen Hazen) C u = d 60 / d 10 d 60 prečnik zrna koji odgovara ordinati 60%, d 10 prečnik zrna koji odgovara ordinati 10% Podela tla po stepenu neravnomernosti: o C u <5 tlo je ravnomernog sastava (neravnomerno granulisano), odnosno u tlu preovlađuje jedna frakcija o 5<C u <15tlojeumerenoneravnomernogsastava (umereno granulisano) o C u >15 tlo je neravnomernog sastava (ravnomerno granulisano), odnosno u tlu ne preovlađuje jedna frakcija, već je više frakcija približno podjednako (ravnomerno) zastupljeno
Granulometrijski sastav stena i tla Klasifikacija tla za tla u kojima preovlađuju čvrste čestice veličine < 2mm, koristi se trougli dijagram Američkog biroa za tlo
Laboratorijsko određivanje granulometrijskog sastava tla metoda sejanja za krupnozrna nevezana tla sa preovlađujućom veličinom čestica do 0,06mm metoda hidrometrisanja za sitnozna slabovezana tla sa preovlađujućom veličinom čestica ispod 0,2mm Metoda sejanja
Metoda sejanja ostatak na jednom situ ima veličinu čestica koja odgovara otvoru prethodnog sita kroz koje je prošao
Metoda hidrometrisanja ova metoda zasniva se na fizičkom zakonu da mineralna zrna različite veličine, a iste zapreminske težine, imaju različitu brzinu tonjenja u vodi; ukoliko su zrna veća, utoliko je njihovo tonjenje brže pri istoj zapreminskoj težini na ovoj pojavi zasnovan je Štoksov zakon, koji daje brzinu tonjenja loptastih čestica u tečnoj masi u funkciji njihovog prečnika 2( γ s ) D 2 v = γω ( cm / s) 9η 2 gde je γ s zapreminska težina čvrstih čestica (kn/m 3 ), γ ω zapreminska težina tečne mase u kojoj čestica tone, η otpor tečnosti, koeficijent viskoznosti (Nxs/cm 2 ), D prečnik lopaste čestice (cm) Stoksov zakon važi samo za mineralna zrna prečnika 0,2-0,0002mm odstupanja od Štoksovog zakona: o Štoksov zakon se odnosi na tela loptastog oblika, dok su čestice tla manje od 0,2mm pljosnatog oblika o Štoksov zakon pretpostavlja da je sredina kroz koju tone loptasto telo homogena i neograničenog prostranstva o u obrascu Štoksovog zakona pretpostavljena je zapreminska težina čvrste čestice
Metoda hidrometrisanja opit hidrometrisanja vrši se pomoću areometra, koji se još naziva i hidrometar ili denzimetar
Metoda hidrometrisanja Vršenje opita odmah po stavljanju menzure na sto, spušta se areometar u tečnu masu, a zatim počinje čitanje podela na areometru posle 30'', 1' i 2' računajući od trenutka stavljanja menzure u vertikalan položaj dalja čitanja se vrše u 5', 15', 45', 2h, 5h i 24h računajući od trenutka stavljanja menzure u vertikalan položaj, pre spuštanja na sto nakon 24h ne vrše se dalja čitanja, jer se čestice koje još lebde u vodi nalaze pod dejstvom Braunovog kretanja i manje su od 0,0002mm kod svakog čitanja posle 15' od početka taloženja, meri se temperatura tečne mase i beleži na osnovu ovih čitanja određuje se vrednost za prečnik d i količinu čvrstih čestica P u % bilo računom ili grafički
Metoda hidrometrisanja prečnik D čvrstih zemljanih sastojaka koji su se taložili za vreme t od površine tečne mase do dubine H dobija se iz navedenog Štoksovog zakona: D = 1800ηH s γ ω t ( γ ) [ mm] po isteku vremena taloženjat, na dubini H nema čvrstih sastojaka prečnika većeg od D, jer takvi sastojci imaju brzinu tonjenja veću od v=h/t i istaložili su se na dubini većoj od H; u istom trenutku čvrsti sastojci prečnika manjeg od D lebde u vodi iznad dubine H u istoj količini kao i u početku taloženja, jer je njihova brzina taloženja manja od v=h/t procenat čestica koje u datom trenutku t lebde u vodi na dubini H ispod površine, u odnosu na celu količinu zemljane mase potopljene u vodu, dobija se iz sledećeg obrasca: 100 γ P % = s 1 + W d γ s 1 ( R ) ct gde je W d težina tla u suvom stanju, R 1 čitanje na areometru, C T korekcija zbog razlike u temperaturi tečnosti, ukoliko temperatura tečne mase pri čitanju nije kalibraciona temperatura areometra, γ s zapreminska težina čvrstih čestica tla
Otpor stenaitlana dejstvo mraza termičko širenje stena je promena zapremine stena usled promene temperature; kvantitativno se izražava termičkim koeficijentom linearne ili zapreminske dilatacije, koji je srazmeran prvobitnoj dužini (L 0 ) i temperaturnom gradijentu ( T), a zavisi od vrste stena L = α L o ( T2 T1 ) Termički koeficijenti linearne dilatacije nekih vrsta stena (Kujundžić, 1974) Vrsta stene Termički koeficijent linearne dilatacije α 10-5 (1/K) Granit 0,6-0,9 Dijabaz 0,54 Peščar 0,5-1,2 Krečnjak 0,5-0,79 Mermer 0,3-1,5 Kvarcit 1,1
Otpor stenaitlana dejstvo mraza otpornost stena na delovanje mraza zavisi od poroznosti (veličine, oblika, povezanosti i rasporeda pora i njihove ispunjenosti vodom), čvrstoće stena, a potom od intenziteta i dužine trajanja mraza i cikličnog smenjivanja mraza i otopljavanja suve stene dobro podnose niske temperature, dok vlažne i stene potpuno zasićene vodom su manje postojane na dejstvo mraza najotpornije na delovanje mraza su stene velike čvrstoće i male poroznosti (većina magmatskih stena, dobro vezane sedimentne i masivne metamorfne stene) neotporne na delovanje mraza su stene velike poroznosti i male čvrstoće (gline, glinci, lapori i laporci i dr.) superkapilarno porozne stene su postojane na mrazu jer se voda iz takvih pora najvećim delom iscedi, a deo vode koji zaostane ima dovoljno prostora za širenje leda pri leđenju, pa ne dolazi do stvaranja pritisaka na zidove pora i razaranja stena (bigar) postojanost čvrsto vezanih stena na delovanje mraza definiše se odnosom čvrstoća na pritisak uzoraka stene posle smrzavanja i suvog uzorka pre smrzavanja
Otpor stenaitlana dejstvo mraza delovanje mraza kod prašinastih i glinenih stena je specifično usled leđenja i otapanja vode u ovim stenama nastaju specifične pojave kao što su nadimanje i izdizanje, soliflukcija i dr. (tzv. mrazno-dinamičke pojave) pri leđenju nastaju kristalizacione sile koje izazivaju kretanje vodenih kapi u područje već formiranih ledenih sočiva (klinova), čime se stalno povećava zapremina ledenih sočiva; debljina tako nastalih ledenih sočiva kreće se od 0,1 do 10 mm, a ukupne deformacije koje tom prilikom nastaju mogu da iznose od 30 do 50 cm na veličinu deformacija stena utiču intenzitet i dužina trajanja mraza, granulometrijski sastav i blizina nivoa podzemne vode granulometrijski sastav uslovljava veličinu pora, a ona utiče na vodopropustljivost i kapilarnost stena - rastresite stene sa zrnima > 0,02 mm imaju malu visinu kapilarnog penjanja, a čestice veličine < 0,002 mm imaju sporo kapilarno penjanje; stene sa veličinom zrna između ovih granica podložne štetnom delovanju mraza osim uslova u pogledu granulometrijskog sastava mora da postoji mogućnost dospevanja vode u zonu dejstva mraza; ukoliko je nivo podzemnih voda plići, mogućnost deformacija tla usled dejstva mraza je veća, a suprotno ukoliko je nivo podzemne vode dublji
Otpor stenaitlana dejstvo mraza zbog stvaranja ledenih sočiva, u glinenim stenama, dolazi do velikih oštećenja kod plitko fundiranih objekata, puteva, aerodromskih pista i dr. dubina dejstva mraza u našoj zemlji je do 0,8-1,0 m, otuda konstrukcije fundirane na dubini jednakoj ili većoj od 1,0 m nisu izloženi delovanju mraza dejstvo otkravljivanja - zaleđene glinene stene pri otkravljivanju u površinskom delu terena pretvaraju se u kašastu masu ispod koje se nalazi zaleđeni vodonepropustljivi sloj; kašasta glinena masa je presićena vodom i skoro bez ikakve čvrstoće te se stoga pod pritiskom lako istiskuje ispod saobraćajnica (puteva i pruga), poletno-sletnih staza aerodroma i sl., pri čemu nastaju deformacije u terenu i na objektima Ocena sklonosti tla dejstvu mraza ispitivanje prašinasto-glinenih stena u pogledu postojanosti na mrazu vrši se na osnovu sadržaja čestica < 0,02 mm postoji nekoliko kriterijuma za ocenu osetljivosti prašinasto-glinovitih stena na dejstvo mraza, a u praksi se najčešće koriste kriterijumi Kasagrandea, Ruklija i Šajbla
Ocena sklonosti tla dejstvu mraza Kasagrandeov kriterijum
Rukljiev kriterijum D < 0,02mm Šajblov kriterijum
Zaštita protiv dejstva mraza u tlu najefikasnija mera je izrada tamponskog sloja, čija debljina se određuje tako da ukupna debljina kolovoza i tamponskog sloja bude 0,8m za težak saobraćaj i do 0,6m za laki saobraćaj; najčešće je debljina tamponskog sloja 0,3m ispod kolovoza dovoljna zaštita protiv dejstva mraza materijal za izradu tamponskog sloja je obično pesak ili peskoviti šljunak koji treba da zadovoljisledećeuslove: indeks plastičnosti I p < 5, sadržinu frakcije d < 0,02mm manju od 3%, i stepen neravnomernosti C u > 7; gornji deo tamponskog sloja u debljini od 20cm ne sme da bude jednoličan i sitnozrni pesak zbog nedovoljne zbijenosti i ograničene nosivosti; u ovom delu tamponski sloj treba da bude peskovit šljunak sa 30-70% zrna veličine 2-30mm Zapreminska težina stena i tla γ = W V [ kn / m 3 ] γ -zapreminska težina stene u prirodnom stanju (kn/m 3 ) W-težina uzorka stene koji se ispituje (kn) V-zapremina uzorka zajedno sa porama (m 3 ) u praksi se koriste: zapreminska težina tla u prirodnom stanju (γ), zapreminska težina potpuno suvog tla (γ d ), zapreminska težina čvrstih čestica (γ s ), zapreminska težina potopljenog tla (γ ) i zapreminska težina potpuno zasićenog tla (γ z )
Zapreminska težina stena i tla zapreminska težina stena zavisi od mineralnog sastava tj. specifične težine minerala, poroznosti i vlažnosti kako su kod većine čvrstih stena poroznost i vlažnost zanemarljivo mali (ispod 1%) to njihova zapreminska težina zavisi, uglavnom, od specifične težine minerala kod poluvezanih stena poroznost i vlažnost mogu iznositi više od jednog procenta (čak i do nekoliko desetina procenata), te njihova zapreminska težina zavisi, pored mineralnog sastava, i od poroznosti i vlažnosti Vrednosti zapreminskih težina nekih vrsta stena Vrsta stene Zapreminska težina (kn/m 3 ) minimalna srednja maksimalna Graniti 25,10 26,10 27,10 Dioriti 27,70 28,50 29,30 Gabri 26,20 28,60 30,50 Peridotiti 30,70 31,20 32,00 Daciti 22,50 25,40 28,40 Andeziti 21,60 25,40 27,10 Krečnjaci 21,90 26,60 28,70 Oniksi 26,70 26,90 27,30 Peščari 22,10 25,80 26,90 Mermeri 26,50 27,00 28,20 Serpentiniti 25,50 26,80 28,10 Približne vrednosti zapreminskih težina tla
Određivanje zapreminske težine tla Postupak sa cilindrom ovaj postupak se najviše primenjuje i vrši na terenu i u laboratoriji, za vezano i nevezano tlo metalni cilindar poznate zapremine, sa zaoštrenom ivicom, utiskuje se u tlo ili u neporemećeni odnosno veštački zbijeni uzorak, tako da se potpuno ispuni zemljanom masom; potom se površina uzorka izravna nožem sa gornjom i donjom ivicom cilindra i odmah zatim zatvori metalnim poklopcima, a potom se izmeri na vagi. ako je W težina uzorka sa cilindrom i poklopcima, W 0 težina samog clindra sa poklopcima, a V zapremina cilindra, onda je zapreminska težina tla γ = (W-W 0 )/V [kn/m 3 ] Postupak sa potapanjem uzorka u živu ako je W težina uzorka, W z težina istisnute žive, γ z zapreminska težina žive (γ z =136kN/m 3 ), V z zapremina istisnute žive koja je jednaka zapremini uzorka: V z x γ z = W z, onda je zapreminska težina tla W γ = = V Wγ z Wz [ kn / m 3 ]
Specifična težina stena i tla Gs = W s / V s γ s G = s - specifična težina čvrstih čestica stene γ w γ w W s - težina suvog uzorka tla (kn/m 3 ) V s - zapremina čvrstih čestica (m 3 ) specifična težina zavisi samo od mineralnog sastava stena o kod monomineralnih stena ona je vrlo slična ili ista kao specifična težina minerala koji izgrađuju tu stenu o kod polimineralnih stena ona je približno jednaka srednjoj vrednosti specifičnih težina minerala koji izgrađuju stenu. variranje vrednosti specifičnih težina kod stena je malo (od 2,5 do 3,2); niže vrednosti specifičnih težina se javljaju kod stena koje izgrađuju silicijsko-aluminijski minerali, a veće vrednosti kod stena izgrađenih od fero-magnezijskih minerala; najniže vrednosti specifičnih težina se javljaju kod stena koje izgrađuju minerali sa hemijski vezanom vodom; najviše vrednosti specifičnih težina se javljaju kod stena koje sadrže rudne minerale (često i preko 3,2) kod iste vrste stena specifična težina može da se razlikuje u zavisnosti od preovlađujuće vrste minerala; na primer, kod kvarcnih i kvarcnoliskunovitih peščara ona je u granicama 2,69-2,70, a kod gvožđevitih peščara može dostići vrednost od 3,0 do 3,2
Određivanje specifične težine stena i tla poremećeni uzorak tla ili sprašeni uzorak stena se osuši u sušnici na 105 0 C, zatim se stavi u eksikator da se ohladi na sobnoj temperaturi, a potom se dobro isitni u laboratorijskoj šolji opit se vrši pomoću piknometra, staklene bočice sa dugačkim grlićem zapremine 100cm 3 ; piknometar se zatvara čepom sa kapilarnom cevi u sredini za ispuštanje vodene pare; za svaki piknometar poznata je težina sa čepom W 0 i njegova težina ispunjenog vodom do gornje ivice kapilarne cevi W ω na kalibracionoj temperaturit=20 0 C isušeni i ohlađeni uzorak sipa se u piknometar u količini oko 30gr i izmeri na vagi zajedno sa piknometrom sa tačnošću 0,01gr; oduzimanjem težine piknometra W 0 od bruto težine W dobija se težina suvog uzorka W s =W W 0 ; potom se u piknometar sipa destilovana voda tako da bude 2cm iznad uzorka nakon što uzorak bude ceo provlažen, piknometar se zagreva kako bi se kuvanjem tečne mase u njemu istisli svi vazdušni mehurići iz uzorka i vode; kuvanje treba da traje 30min za nevezana tla, a 45min za vezana tla po završenom kuvanju piknometar se ohladi na sobnu temperaturu, pa se zatim dopuni destilovanom vodom do vrha grlića, ovaj se zatvori staklenim čepom, pri čemu se suvišna voda istisne kroz kapilarnu cev potom se izmeri piknometar sa vodom i uzorkom i dobije težina W ωp ispunjenim tečnom masom do gornje ivice kapilarne cevi sa piknometrom
Određivanje specifične težine stena i tla Zapreminska težina čvrstih čestica je: γ s = Težina suvog uzorka Zapremina čvrstih čestica [ kn / m 3 ] kako je zapremina tela potopljenog u vodu jednaka zapremini istisnute vode, to je zapremina čvrstih čestica V s jednaka zapremini vode koju je uzorak istisnuo iz piknometra Vs = ( W + ) W )/ 10kN / m 3 ω W s ωp prema tome, zapreminska težina čvrstih čestica je: Poroznost stenaitla γ Ws s = Vs koeficijent poroznosti: e = V p /V s definiše se odnosom ukupne zapremine pora i šupljina prema jedinici zapremine stena i tla prema vremenu nastanka poroznost može biti primarna i sekundarna Vp Vp n = = 100% V Vp + Vs primarna poroznost - nastaje u procesu nastanka stene i tla, pri očvršćavanju magmatskih stena (pukotine kontrakcije), kod metamorfnih stena pri rekristalizaciji primarnih minerala obrazuju se latentne mikropukotine, dok kod sedimentnih stena primarna poroznost se obrazuje u toku sedimentacije i dijageneze primarna poroznost nastaje: između zrna - međuzrnska poroznost kod šljunka i peska, kao rezultat taloženja organskih ostataka (organogeni krečnjaci, bigar), u toku razlaganja organskih ostataka - cevasta poroznost lesa; primarna poroznost u toku dijageneze sedimenata može nastati i kao rezultat dehidratacije sedimenata ili njihovog skupljanja (litogenetske pukotine)
Poroznost stena i tla (a) (b) strukturni tipovi poroznosti: a) međuzrnska poroznost b) pukotinska poroznost c) kavernoznost d) cevasta - crevasta poroznost (c) 3 1 2 4 (d) najveću poroznost poseduju glinene stene (50-80%) veliku poroznost poseduju i neke efuzivne stene (50-60%), kao što su plovućac i vulkanski tufovi, kao i neke sedimentne stene: organogeni krečnjaci, kreda i dijatomiti (30-35%) najmanjom poroznošću odlikuju se neraspadnute intruzivne magmatske stene (a) (b) (c) (a) najređa složenost, n = 48%, e = 0,92 (b) srednja složenost, n = 40%, e = 0,67 (c) najgušća složenost, n = 26%, e = 0,35
Poroznost stena i tla Određivanje poroznosti tla metalni cilindar poznate zapremine utisne se u neporemećeno tlo ili uzorak većih dimenzija, izravna se gornja površina uzorka sa ivicama cilindra i stavi da se osuši na 105 0 C do stalnosti težine zatim se ostavi da se ohladi na sobnoj temperaturi i ponovo izmeri na vagi zajedno sa cilindrom ako je V unutrašnja zapremina cilindra, V m zapremina čvrstih sastojaka tla bez pora, W d težina uzorka u suvom stanju, γ s zapreminska težina čvrstih čestica, poroznost tla je: V p V V n = = m = 1 V V V m V Vrsta stene Ukupna poroznost nekih vrsta stena Ukupna poroznost (%) minimalna srednja maksimaln a Granit 0,3 1,9 5,0 Diorit 0,3 1,3 2,5 Gabro 0,1 0,9 5,1 Dacit 0,3 3,9 13,0 Peščar 0,3 4,9 17,0 Krečnjak 0,3 1,8 27,2 Mermer 0,3 1,1 4,3 Šljunak 24,0 28,0 36,0 Glina 34,0 42,0 57,0 Mulj 76,0 80,0 89,0 Les 35,0 45,0 59,0 Vrednosti koeficijenta poroznosti za neka nekoherentna tla zapremina V m određuje se na osnovu suve težine uzorka W d, W d =V m x γ s, odakle je V m =W d /γ s
Vlažnost stena i tla Vrste vode u tlu porna voda - sastoji se iz slobodne gravitacione vode, koja se kreće pod dejstvom gravitacije odozgo naniže u svim pravcima, zatim kapilarne vode koja se kreće pod dejstvom kapilarnih sila i vode površinskog napona koja se drži površinskim naponom u uglovima između čvrstih čestica tla i naziva se još ugaona porna voda; sva ova voda se može potpuno da ukloni sušenjem tla na temperaturi od 100 0 C adsorbovana voda - obavija čvrste čestice za koje je vezana molekularnim silama; to je tzv. vodeni film, čija se debljina kreće od 6-80μm; ova voda može samo delimično da se ukloni sušenjem na 100 0 C konstituciona voda - hemijski sjedinjena u kristale minerala čvrstih čestica tla; ove vode ima vrlo malo i ne može da se ukloni sušenjem tla na temperaturi od 100 0 C, pa stoga može da se smatra kao sastavni deo čvrste čestice Količina vode u tlu Tlo potpuno zasićeno vodom ako se poroznost tla označi sa n, zapreminska težina čvrstih čestica sa γ s, a zapreminska težina vode sa γ ω, onda se vlažnost zasićenog tla ω z može da izrazi jednačinom: n ω γω z = 1 n γ ( ) s
Količina vode u tlu Tlo delimično zasićeno vodom ako se sa W označi težina vode u tlu, sa W d težina čvrstih čestica (suva težina tla), onda je vlažnost tla ω=w/w d ; u ovom slučaju vlažnost može da se izrazi stepenom zasićenja S r, kao odnosom stvarne težine vode u tlu prema onoj težini vode u istom tlu kada bi sve pore bile ispunjene vodom : ω Sr = ωz granične vrednosti za stepen zasićenja su S r =0 za potpuno suvo tlo, i S r =1,0 za potpuno zasićeno tlo; za malo vlažna tla S r =0-0,5, za vrlo vlažna tla S r =0,5-0,8, a za vodom zasićena tla S r =0,8-1,0 Određivanje vlažnosti tla laboratorijskom metodom pomoću električne sušnice komadić tla iz neporemećenog uzorka stavi se između dva konkavna stakla (tzv. sahatna stakla), koja se pričvrste metalnom stezalicom i sve zajedno se izmeri na analitičkoj vagi, a potom stavi u električnu sušnicu gde se suši na 105 0 C do stalnosti težine po završenom sušenju, uzorak, zatvoren u sahatna stakla stezalicom, stavi se u eksikator da se ohladi na sobnu temperaturu, nakon čega se ponovo izmeri ako je W težina uzorka u prirodnom stanju vlažnosti sa sahatnim staklom i stezalicom, W s težina uzorka u suvom stanju sa sahatnim staklom i stezalicom, W t težina sahatnog stakla i stezalice, vlažnost tla je: težina vode W W ω = = s težina tla u suvom stanju Ws Wt