Zdroje
• www.fsv.cvut.cz – osobní stránky• Vaníček: Mechanika zemin, ČVUT• Verruijt: Soil Mechanics• Časopis Geotechnika, Tunel
Mechanika zemin
1. Vznik zemin , fáze zeminy, půdně mechanické vlastnosti, obsah pevné fáze (složení - velikost částic), mineralogické složení, tvar zrn, 2. Křivka zrnitosti, indexové vlastnosti zemin, klasifikační systémy3. Voda v zemině, propustnost zemin, síly mezi kapalnou a pevnou fází, struktura zemin, Darcyho zákon, proudový tlak
Zemina
Zemina vzniká rozkladem hornin, v mechanice zemin se „nepracuje“ s půdou, ta se pokládá za organickou zeminu.
Vznik zemin
Zemina
1- Oxidace2- Vymývání3- Hydrolýza4- Rozpouštění
Chemickézvětrávání
1- Klimatické vlivy Telota a deště2- Odprysky (Vůlivem napětí v masivu)3- Zvětrávání Gravtace, vítr, voda led3- Organická činnost (kořeny, hmyz, červi)
Mechanickézvětrávání
HORNINYVyvřelé
PřeměněnéSedimentární
UTVÁŘENÍZEMINY
ResiduálníZeminy
2- Vodou
1- Gravitací
3- Větrem
4- Ledem
Transportovanézeminy
Aluvia
Deluvia
Váté
Ledovcové
(hrubozrnné z.) (Jemnozrnné z.)
Vznikly na místě rozpadu horniny (in situ ) . Residuální zeminy mají have geomorfologické vlastnosti blízké matečné hornině
4 základní procesy
• Denudace (různé typy zvětrávání- fyzikální, chemické)
• Transport a ukládání• Sedimentace
(přeměna ve skalní horninu)• Pohyb zemské kůry
(pozvolné či náhlé – zemětřesení)
Vznik zeminCyklus tvorby zemského povrchu v geologickém času
Zvětrávání
Fyzikální redukuje velikost částic, zvyšuje povrchovou plochu a pórovitost , např změna teploty, vliv ledu apod.
Chemické závisí na přítomnost vody, je nutná hydratace (povrchová absorpce vody), rozlišujeme hydrolýzu, výměnu kationtů, oxidaci, rozpouštění atd.
Klima vliv podnebí, topografie, biologických faktorů
Zeminy dle vznikuReziduální zeminy (eluvia)vznikly zvětráním a nebyly transportovány
Transportované zeminyDeluviagravitační projevy na svazích (svahové z.)
Aluviazeminy transportované vodou
Ledovcová zemina
Detrakce –ledovcová abraze
Váté zeminy
Reziduální zeminy
Struktura zemin
MAKROSTRUKTURA - Velké měřítko, sledujeme texturu zeminy - vrstvičky zemin, trhliny a místa oslabení
MIKROSTRUKTURA - malé měřítko, sledujeme strukturu ojedinělých zrn - hlavně jílovitých minerálů a jejich spojování
Jílové částice v elektronickém mikroskopu
Jíl Písek(30000x) (2000x)
Složení jílových minerálů
Jílové minerály se skládají ze dvou odlišných prvků – křemíku a hliníku
Čtyřstěn křemíku Osmistěn hliníku
Jílové minerály
Vrstvy čtyřstěnů a osmistěnů tvoří jednotlivé jílové minerály, jejich vazby ovlivňují chování jílů
Druhy jílových minerálů
• Kaolinit (barvy, farmacie)• Illit• Montmorillonit • Bentonit (stavebnictví)
Kaolinit
Se významně podílí na smršťování a bobtnání zemin
Disperzní struktura
Umělý stav pomocí chemických látek, výslednice všech sil je záporná, kontakt stěna - stěna
Flokulace
Sedimentace v moři, výslednice
všech sil je kladná, kontakt hrana -
stěna
Aplikace• U jemnozrnných zemin voda
velice ovlivňuje jejich vlastnosti• Příklad
„Quick“ jíly (sensitivní) vlhkostvětší než 100% a cementacivnitřních vazeb. Při porušenívnitřních vazeb vyplavením solídojde k jejich plnému ztekucení
během okamžiku.
Jílové
částice
Voda
Zeminy jako 3 fázové prostředí
Zrna
Vzduch
Voda
Zrna zeminy• Zemina obsahuje částice od 1x10-3 až po
1x103 mm. • Tvar částice se nahrazuje náhradním
průměrem d (předpokládá se koule)• Podle náhradního průměru rozeznáváme
frakce zeminy
Frakce zeminy (velikost zrn)
Křivka zrnitosti
• Je součtová čára, jejíž každý bod udává kolik procent z celkové hmotnosti vzorku činí hmotnost všech zrn menších než určitý průměr zrna d v mm.
K čemu křivka zrnitosti slouží
• Pro klasifikaci zemin• Pro určení propustnosti zemin• Pro určení namrzavosti zemin• Určení vhodnosti zeminy do drenáží• Určení vhodnosti zeminy do betonu
Zkoušky pro určení křivky
Sítový rozbor (prosévací)• Pro zrna > 0,06 mm• Výsledkem jsou zbytky na sítech, propady
v % musím dopočítat
Zkoušky pro určení křivky
• Hustoměrná metoda• Na základě Stokesova zákona určím
zastoupení částic
Zrnitostní křivka
Charakteristiky křivky
• Číslo nestejnozrnitostidx průměr zrn připadající x% propadu zrn
< 5 stejnozrnné> 15 nestejnozrnné
Určení dx
Charakteristiky křivky
• Číslo křivosti
Fáze v zemině
Pevná fáze (zrna)Kapalná a plynná (voda a vzduch v pórech)
Vzájemné poměry fází
3 poměry objemů
(1) Číslo p=orovitosti e (dáno desítkov ě, 0.65)
(2) Pórovitost n (dána procentn ě, 65%)pro e = 1 je n = 50%
(3) Stupeň nasycení Sr (dán desítkov ě, 0,25)
Celkový objem po rů ( )
Celkový objem pevné fáze ( )p
s
Ve
V=
e1e
)e1(VeV
ns
s
+=
+=
Celkový objem po rů ( )100%
Celkový objem vzorku ( )pV
nV
= ⋅
Objem vody ve vzorku ( )
Celkový objem po rů ( )w
p
VS
V=
3 poměry objemů
• (1) Číslo p=orovitosti e(dáno desítkov ě, 0.65)
Celkový objem po rů ( )
Celkový objem pevné fáze ( )p
s
Ve
V=
Stupeň nasycení - saturace
• Dělení zemin dle Sr:vysušené - Sr = 0,0 suché - Sr = 0 až 0,22zavlhlé - Sr < 0,25vlhké - Sr = 0,25 až 0,80velmi vlhké - Sr > 0,80vodou nasycené - Sr = 1,0
• Saturace je důležitá při určování stability svahů a podzemních stavbách
Stupeň nasycení – saturace (2)
• Stabilita svahů je významně ovlivněna povrchovou vodou.
Pórovitost• Pórovitost písků bývá 30-40 %, tedy nižší než u hlín a
jílů, kde je 33 – 55 %, i když póry v písku jsou větší.
Aplikace: změny objemu při posunu zrn
e = 0.91, Kontraktance
e = 0.65, Dilatance
Pórovitost (2)
Zemina Číslo pórovitosti Pórovitost [%] Obj. tíha suché zem.
emax emin nmax nmin γdmin γdmax
Stejnozrnný písek
1,0 0,40 50 29 13,0 18,5
Prachovitýpísek
0,90 0,30 47 23 13,7 20,0
Hrubozrnnýpísek
0,95 0,20 49 17 13,4 21,7
Štěrk 0,85 0,14 46 12 14,0 22,9
Pórovitost (4)•
• Ucpání
A)e = 0.91
B)e = 0.65
Malá částice nemůže projít skrz pór
Obsah vody v zemině
• Vlhkost (hmotnostní) w (dána procentn ě )
• Pro některé organické zeminy w>100% až do 500 %• Pro „quick“ jíly (sensitivní), w>100%
• Hustota vody (závisí na teplotě)
Hmotnost vody ve vzorku ( )100%
Hmotnost vzorku vysušeného ( )v
s
Mw
M= ⋅
Hustota, tíhaHustota (měrná hmotnost) udává množství látky čili míru setrvačnosti tělesa. Hustota je všude stejná.
Hmotnost (Hmota) zákl. fyz. veličina, učuje se vážením (porovnání tíhových účinků)
Tíha je síla, gravitace působící na těleso. Hodnota není stejná pro všechna místa (Newtonův druhý zákonF = ma)
Objemová tíha se používá častěji než hmotnosti (např. výpočet tíhy nadloží)
2
3
HmotnostHustota,
Objem
Tíha HmotnostObjemová tíha, =
Objem Objem
: gravitační zrychlení
9.81sec
Voda, 9.8
g
g
mg
kNm
ρ
γ
γ ρ ρ
γ
=
×=
= ⋅ = ⋅
=
Hmotnosti zeminy
• a. Objemová hmotnost suché zeminy
• b. Objemová hmotnost zeminy v p řirozeném uložení (0%<S<100%, Nenasycená)
• c. Objemová hmotnost pln ě nasycené zeminy (S=100%, Va =0)
• d. Objemová hmotnost zeminy pod hladinou vody
Hmotnost pevných částic( )
Celkový objem vzorku ( )s
d
M
Vρ =
Hmotnost vzorku ( )
Celkový objem vzorku ( )s wM M
Vρ +=
Hmotnost pevných částic + vody ( )
Celkový objem vzorku ( )s w
sat
M M
Vρ +=
wsat' ρ−ρ=ρ
Hmotnosti zeminy 2• Objemová tíhy zeminy pod hladinou vody:
Archimed ův zákon :Vztlaková síla působící na ponořené těleso je rovna tíze kapalinyvytlačené tělesem.
• Hustota pevných částic (měrná hmotnost pevných částic):
• Měrná tíha pevných částic:
wsat' γ−γ=γ
ss
s
M
Vρ =
s s gγ ρ= ⋅
Vlastnosti
Zeminy nesoudržné charakteristiky
Index ulehlosti Id
Id <0 u nezhutněných zmrzlých písků
Id >1 narušená eluvia žuly, která nebyla přemístěna
e - číslo pórovitostimin – nejtěsnější uloženímax – nejkypřejší uložení
max
max minD
e eI
e e
−=−
Rozsahy Id
Id Stav0 – 1/3 kyprý1/3 – 2/3 středně ulehlý2/3 – 1 ulehlý
Zeminy soudržné - charakteristiky
Ic stupeň konzistenceCharakterizuje číselně konzistenšční stav
LC
L P
w wI
w w
−=−
Stupeň konzistence - rozsahy
Ic konzistence> 1 pevná – tvrdá
1 – 0,5 tuhá0,5 – 0,05 měkká< 0,05 kašovitá - tekutá
Index plasticity
IP určuje plasticitu zeminy
Plasticita Symbol Mez tekutosti
nízká L wL ≤ 35 %střední I wL = 35 – 50 %vysoká H wL = 50 – 70 %velmi vysoká V wL = 70 - 90 %extrémně vysoká E wL ≥ 90 %
P L PI w w= −
Příklad 1 Zrnitostní křivka 30 g zeminyprůměr zrna[mm]
zbytek na sítu [g]
celkem propad [g]
propad [%]
4 0 30 d10
2 0,67 d30
1 0,64 d60
0,5 1,55 Cu
0,25 5,69 Cc
0,125 6,24
0,044 40,60
0,014 26,50
0,0068 21,20
0,0033 10,60
Zrnitostní křivka
Charakteristiky křivky
• Číslo nestejnozrnitostidx průměr zrn připadající x% propadu zrn
< 5 stejnozrnné> 15 nestejnozrnné
Charakteristiky křivky
• Číslo nestejnozrnitostidx průměr zrn připadající x% propadu zrn
< 5 stejnozrnné> 15 nestejnozrnné
Charakteristiky křivky
• Číslo křivosti