pevnost zemin - cvut.czdepartments.fsv.cvut.cz/k135/data/...c-8-pevnost...smyková pevnost...

PEVNOST ZEMIN

Mechanika zemin

Přednáška č. 8

Přednášky z mechaniky zemin Pevnost zemin

[email protected] 1

Pevnost v tahu a ve smyku• Pro posouzení mezních stavů porušení geotechnických konstrukcí do popředí vystupuje pevnost ve smyku – porušení po

smykové ploše. Proto hlavní pozornost je zaměřena tímto směrem

• Avšak při analýze napjatosti a deformace zemního tělesa jsou velmi často zaznamenány tahové oblasti. Tahové trhliny jsou typické pro sypané přehrady, kde je jim věnována zvláštní pozornost, ale jejich výskyt je obecnější povahy

• Přetvárné charakteristiky zemin v tahu:

Mezi hlavní důvody zájmu o pevnost v tahu, resp. pro maximální protažená při porušení patří:

- Studium vazeb mezi pevnou fází u jemnozrnných zemin, či vazeb mezi pevnou a

kapalnou fází

- Zajištění vstupních charakteristik zemin při analýzy zemního tělesa – aby pro oblasti

tahové – zejména pro posouzení potenciálního nebezpečí vzniku tahových thlin.

Tahové zkoušky mají více variací, hlavní problém souvisí s uchycením vzorku pro

tahovou zkoušku, neb obdobná možnost jako u prosté tahové zkoušky jiných materiálů

- dřevo, beton, ocel je zde velmi problematická

Za neodvodněných podmínek – se vzorek poruší při poměrně malém přetvoření, ale při

vyšší tahové pevnosti. Pro zeminy jemnozrnné je σt řádově 30 – 80 kPa, εt,max : 0,2 – 0,5 %

Za odvodněných podmínek – pevnost výrazně klesá, naopak k porušení dojde při podstatně

větším tahovém přetvoření: σt ´= 5 – 20 kPa, pro prohnětené zeminy prakticky nulová,

εt,max = 2 – 10 %


[email protected] 2

A B1 B2

C

D E

e<i

i

Smyková pevnost zemin• První rovnici smykové pevnosti, jejíž základní podoba platí dosud, uvedl Coulomb v roce 1773:

Kde τf je tangenciální napětí na smykové ploše – smykový odpor (kPa)

σ – normálové napětí působící kolmo na smykovou plochu (kPa)

c – soudržnost zeminy (kPa)

φ – úhel vnitřního tření

Vztah vyjadřuje rovnici přímky, kde c udává odpor proti smykání při nulovém normálovém zatížení a φ je úhel této přímky od vodorovné. Pevnost zeminy ve smyku závisí na vlastnostech charakterizované hodnotami c a φ (tzv. parametry smykové pevnosti zemin) a na velikosti normálového napětí. Pro hrubozrnné zeminy – označované též jako nesoudržné – písky, štěrky je počáteční odpor nulový a rovnice se změní na tvar:

Mohr-Coulombovu přímku lze získat v principu dvojím způsobem:

- Pro zvolenou hodnotu σ zjistit pro stav porušení příslušnou hodnotu

smykového odporu τf – např. v krabicovém smykovém přístroji – spojnice

těchto získaných dvojic je potom hledaná přímka

- Jako obálku Mohrových kružnic porušení, kdy pro zvolenou hodnotu σ3

se zjišťuje hodnota σ1 pro stav porušení – např. v osově symetrickém

triaxiálním přístroji


[email protected] 3

ctgf

tgf

c =c+·tg

Totální a efektivní smykové parametry zemin

• V souladu s principem efektivních napětí je nutno rozlišovat (pro zeminy s Sr = 1) dva základní případy, kdy:

• A) Rozložení pórových tlaků uvnitř vzorku zeminy není známo, známe pouze totální napětí.

• B) Rozložení pórových tlaků je známo: buď mohou být nulové, nebo odlišné od nuly.

V druhém případě ad B) rovnice přechází na tvar:

resp.

• Kde φef a cef jsou efektivní parametry smykové pevnosti (označované též jako φ´ a c´)

• První tvar vyjádření Mohr Coulombovy rovnice se zjišťuje při zkoušce typu CD – zkouška konsolidovaná a drénovaná, při níž je vzorek plně konsolidován a smykání probíhá tak pomalu, že velikost vznikajícího pórového tlaku se stačí rozptýlit na prakticky nulovou hodnotu. Zkoušku tohoto typu lze provádět jak v triaxiálním přístroji, tak v krabicovém smykovém přístroji (obecně v translačním)

• Druhý tvar lze získat ze zkoušky typu CUP – zkouška konsolidovaná nedrénovaná s měřením pórového tlaku. To znamená, že zemina je konsolidována na počáteční stav napětí a usmyknuta při jiném, přičemž vzniklý pórový tlak je měřen. Zkouška je typická pro triaxiální smykový přístroj

V prvém případě ad A) rovnice přechází na tvar:

τf = su = cu resp. τf = σ . tg φu + cu

. První tvar je typický pro zkoušku typu UU – zkouška nekonsolidovaná a neodvodněná – označovaná též jako zkouška rychlá – pevnost neroste, neboť voda nemá pevnost ve smyku a tak Mohr Coulombova přímka je vodorovná se svislou osou a na ní vyznačuje neodvodněnou pevnost označovanou jako su resp. cu. Pokud lze tento předpoklad očekávat, lze tak neodvodněnou pevnost získat i ze zkoušky prosté tlakové pevnosti.

. Druhý tvar je typický pro zkoušku typu CU – zkouška konsolidovaná nedrénovaná bez měření pórového tlaku. Zde již pevnost se vzrůstajícím normálovým napětím narůstá, neboť konsolidací se mění pórovitost. Takto získané pevnosti lze v určitém rozsahu napětí nahradit Mohr Coulombovou přímkou, ale je třeba respektovat fakt, že takováto zkouška reprezentuje pouze konkrétní stav, který lze očekávat in situ.

Pozn. Index u značí vždy, že jde o zkoušku neodvodněnou. Případy s Sr odlišným od 1 (zemina nenasycená) budou diskutovány separátně.


[email protected] 4

efeff ctgu efefeff ctg

Krabicová smyková zkouška• Zkušební vzorek v krabicovém smykovém přístroji má nejčastěji plochu čtvercovou (např. 80 x 80 mm) nebo kruhovou

(průměr 60 až 100 mm) a výšku 15 až 20 mm. Zkouška je vhodná pro typ zkoušky CD, kdy podmínky rychlé konsolidace a rychlé disipace pórových tlaků splňují hrubozrnné (nesoudržné) zeminy. Typická velikost zrn ovlivňuje velikost vzorku. Nízká výška se využívá pro rychlejší konsolidaci jemnozrnných zemin (je závislá na čtverci její výšky). Smyková plocha je předurčena kontaktem krabic (čelistí) z nichž je jedna pevná a druhá pohyblivá. Nad i pod vzorkem jsou propustné destičky. Normálová síly působí na vzorek pomocí pístu v horní krabici. Po konsolidaci vzorku začíná smykání a smyková síla spolu s posunem se registrují. Navíc se snímá vertikální deformace zda se vzorek při smykání stlačuje či nadzvedává. Velmi důležitá je rychlost smykání, především pro jemnozrnné zeminy – buď se vychází z doporučených rychlostí, vhodněji z vyhodnocení první fáze konsolidace vzorku.

• Pokud se zkouší neporušený vzorek odebraný in situ v

rámci průzkumu, potom se z odebraného vzorku výšky ca

100 mm vyříznou 3 – 4 vzorky, které se považují, že reprezentují

zeminu v daném místě. Pro každý vzorek se volí odstupňované

konsolidační napětí (50, 100, 200, resp. 400 kPa – pro standardní

úlohy) a získané dvojice normálového a smykového napětí při

porušení se využijí pro vykreslení Mohr-Coulombovy přímky a tím

i efektivních parametrů smykové pevnosti.

S ohledem na omezený posun krabic neodpovídá poslední čtení

smykového odporu pevnosti reziduální, pouze podává dobrou

informaci o rychlosti poklesu odporu. Pro vyhodnocení reziduální pevnosti se proto využívají kruhové smykové přístroje se vzorkem tvaru mezikruží, kde dráha smykového posunu není limitována.


[email protected] 5

Osově symetrický triaxiální přístroj• Klasický triaxiální přístroj umožňuje zkoušet vzorky za osově symetrického stavu který je zajištěn komorovým

tlakem vody přenášeným na válcovitý vzorek přes pryžovou membránu, když komora je průhledná, z plexiskla, umožňující pozorování vzorku.

• Vzorky tvaru válce, standardně o průměru 38 mm a výšce 76 mm – dodržuje se poměr 1:2. Tato velikost umožňuje přípravu 3 zkušebních válečků z vrtného jádra průměru 120 mm. U hrubozrnných materiálů nebo vzorků uměle připravených (např. zhutněných) v laboratoři se používá průměr 100 mm a výška 200 mm. Větší vzorky vyžadují speciální přístroje.

• Horní i spodní podstavy jsou nepropustné pro zkoušku typu UU, resp. propustné pro zkoušky typu CD resp. CU. Po naplnění komory vodou a jejím natlakováním, je vyvozeno všesměrné zatížení, odpovídající komorovému tlaku. V druhé fázi je vzorek přitěžován svisle prostřednictvím pístu až do jeho porušení.

• Přístroj snímá velikost komorového tlaku, svislou sílu, svislou deformaci, měřidlo objemových změn a též snímač tlaku vody v pórech.

• 1 – zatěžovací píst

• 2 – vrchní příruba

• 3 – válcový plášť

• 4 – spodní prstencová příruba

• 5 – základna komory

• 6 – zvýšená podstava

• 7 – zkušební vzorek zeminy

• 8 – zatěžovací hlava vzorku s drenážním otvorem

• 9 – filtrační destička

• 10 – nepropustný pružný návlek

• 11 – pružné těsnící kroužky O

• 12 – odvzdušňovací ventil

• 13 – odvodňovací hadička

• 14 – rozvodné kanálky v základnové podstavě

• 15 – ovládací kohouty rozvodů


[email protected] 6

32

Smyková pevnost hrubozrnných (nesoudržných) zemin

• Pro hrubozrnné zeminy vazby mezi jednotlivými zrny jsou prakticky zanedbatelné. To platí především pro hrubozrnné písky, štěrky a rockfill(kamenitý násyp) ať již suché či plně vodou nasycené. Platí to i pro hrubší prachovité zeminy (silty) bez jílových minerálů. Pro vysokou propustnost se určují efektivní parametry smykové pevnosti, protože jejich zatěžování in situobvykle probíhá za odvodněných podmínek. Určitou výjimkou je případ zemětřesení, kdy pro náhlou změnu zatížení nedochází k odvodnění a tak vodou nasycené písky mohou snadno ztekutit.

• Závislost smykového odporu na smykovém posunu je pro písky silně závisí na počátečním stavu. Rozdíl pro kypré a ulehlé písky je zřetelný z přiloženého obr.

• Pro ulehlé písky smykový odpor prudce narůstá až do hodnoty maximální smykové pevnosti ( ), po jejím překročení se zmenšuje a klesá k hodnotě zbytkové, označované též jako reziduální ( ). To znamená, že odpor proti porušení neklesá až k nule jako u ostatních stavebních materiálů, tření na smykové ploše získává ustálenou hodnotu.

• Pro kypré písky odpor roste pomaleji a ustaluje se na své maximální hodnotě, která v principu odpovídá reziduální pevnosti pro předchozí případ ulehléhopísku.

• Významný rozdíl je ve sledování svislé deformace vzorků – u ulehlého dochází k nadzvedávání – dilatanci, u kyprého ke stlačování – kontraktanci. U ulehléhopísku dobře zaklíněná zrna, aby se mohla posouvat se musí nadzvednout, zatímco u kyprého jde o jev opačný.

• Po překročení maximální pevnosti dochází k homogenizaci napětí ve smykové zóně (např. na kontaktu krabic u translačního smykového přístroje. Smykové napětí, dilatance, nabývají v tomto stadiu zkoušky stálých hodnot, které se v průběhu dalšího smykání nemění, Pro dané normálové napětí nabývá v tomto stadiu pórovitost ve smykové zóně určité hodnoty nezávislé na počáteční pórovitosti. Tuto hodnotu označil Casagrande za kritickou pórovitost.


[email protected] 7

f

r

Smykové charakteristiky hrubozrnných zemin

• Pro 3 až 4 smykové zkoušky na stejném vzorku za různých normálových napětí a pro dosažený maximální smykový odpor lze vyhodnotit závislost

• Pro ulehlý písek se závislost u počátku souřadnic trochu zakřivuje. Přímková náhrada může vést k protknutí svislé osy nad počátkem souřadnic. Avšak tato zdánlivá soudržnost se zdůvodňuje zaklíněním zrn. Za základ se považuje přímka procházející počátkem souřadnic

• !! Zkoušky se musí provádět na vzorcích suchých, či naopak zalitých vodou. Písky částečně nasycené vodou v důsledku kapilárních sil vykazují pevnost poměrně vysokou – bábovičky lze vytvářet pouze z částečně nasyceného písku

• Orientační hodnoty úhlu vnitřního tření φ´(0):

• Zemina středně ulehlá ulehlá

• Prachovitá zemina 28-32 30 – 34

• Jemné a střední písky 30 – 34 32 - 36

• Dobře zrnné písky 34 – 40 38 – 46

• Písčitý štěrk 36 – 42 40 – 48

• Rockfill – kamenitý násyp 40 – 45 45 – 60

Pro ulehlý stav se snadno zjistí úhel vnitřního tření volným nasypáním


[email protected] 8

kyprýpísek

ulehlýpísek

e f

0

)( eff

Smyková pevnost jemnozrnných (soudržných) zemin• Úvod do problematiky

• Jemnozrnné zeminy ve svém přírodním uložení vykazují určitou vazbu mezi jednotlivými částečkami. Zde je třeba si uvědomit, že i „nejmladší“ zeminy – sedimenty mají stáří větší než 10 000 let, mnohdy jsou však výrazně starší. Docházelo ke změnám napjatosti – zvyšující se tíhou nadloží s následným odstraněním erozí a pod – jak je zmiňováno pro překonsolidované zemin. Mění se charakter chemického složení pórové vody.

• I na měsíci, kde není voda a tím chemické vazby mezi pevnou a kapalnou fází, má zemina určitou soudržnost. Typickým případem mohou být otisky botou astronautů na měsíci, resp. zde provedené rýhy, u nichž boky zůstaly svislé.

• Také tahové zkoušky ukazují na určitou tahovou pevnost jak již dříve uvedeno.

• Míra zpevnění na kontaktech je tak různá, lze jí ocenit především zkoušením vlastností zemin na neporušených vzorcích.

• Tyto vazby se však poruší například prohnětením, nebo pokud je zemina připravená z kaše.

• Naopak vlastnosti po porušení výše uvedených vazeb lze ocenit jako charakteristickou vlastnost určité skupiny zemin a to v závislosti především na zrnitostním složení a na povaze a množství jílových minerálů, jež daná zemina obsahuje.

• Destruované vzorky, např. zmíněným prohnětením, ztrácejí výše specifikované vazby a zemina tím ztrácí svojí soudržnost. Proto z jedné strany je zde odklon od názvu soudržná zemina.

• Na druhé straně navrhování geotechnických konstrukcí musí vycházet z největší pevnosti, kterou daná zemina má a následně posoudit nebezpečí, nakolik tato maximální pevnost až může klesnout.


[email protected] 9

Zkouška typu UU – neodvodněná pevnost• Při této zkoušce typu UU – v trojosém smykovém přístroji se používají nepropustné destičky, takže vzorek je nepropustně

oddělen od svého okolí. Po zatížení komorovým tlakem se ihned může přikročit k vyvození deviátoru napětí (k svislému přitěžování vzorku).

• Pozn. Jelikož vzorek je nasycen vodou, komorový tlak nevyvolá konsolidaci vzorku a tak počáteční pórovitost pro všechny použité komorové tlaky zůstává stejná.

• Rychlost svislého přitěžování je poměrně rychlá, k porušení vzorku dochází ca za 15 minut. Rozdíly nastávají u zemin konzistence pevné resp. konzistence měkké (které např. odpovídají zeminám překonsolidovaným a normálně konsolidovaným). Vzorek konzistence pevné je křehčí, k porušení dojde dříve se zřetelnou smykovou plochou, následně odpor klesá. Pro vzorek konzistence měkké se vzorek chová plastičtěji, odpor narůstá pomaleji , charakter válečku je soudkovitý.

• Výsledek: cu = konst.

Neodvodněná pevnost tak roste s klesající počá-teční pórovitostí, která je úměrná vlhkosti, nebvšechny póry jsou vyplněny vodou:

Orientačně:Konzistence měkká – cu = 25 kPa

tuhá - 50 kPapevná - 100 kPatvrdá - 150-200 kPa

Pro normálně konsolidované jíly Skempton uvádí empirický vztah:

Kde σor je svislé efektivní napětí, jímž byl (je) vzorek konsolidován in situ

Ip – index plasticity


[email protected] 10

0u

)0037,011,0( poru Ic

Zkouška typu CD – konsolidovaná odvodněná• Krabicová smyková zkouška je typická pro tento typ zkoušky. Druhá fáze smykání probíhá až po předchozí konsolidaci

vzorku. Na sledování závislosti smykového odporu a smykového posunutí lze především soudit na potenciální nebezpečí výraznějšího poklesu pevnosti po překročení maximálního smykového odporu. Pro zajištění základní podmínky této zkoušky, aby potenciálně vznikající pórový tlak se stačil rozptýlit, je volit pro jílovité zeminy velmi pomalý vývin smykového posunu. Základní doporučení v tomto směru udávají jak učebnice, tak normy popisující provedení jednotlivých zkoušek.

• Pojmem smykové pevnosti se rozumí maximální dosažitelný smykový odpor pro danou zeminu – vrcholovou pevnost

označovanou jako τf. Odpor následně klesá až do ustálení a to po poměrně velkém posunu. Ustálený odpor se nazývá reziduální (zbytková) pevnost. Obecně se vrcholová pevnost přisuzuje struktuře (makrostruktuře) všesměrné (nebo částečně ovlivněné podmínkami sedimentace), zatímco reziduální pevnost odpovídá odporu vysoce orientované struktury.

• Pro překonsolidované zeminy je pokles pevnosti výrazně vyšší než pro stejnou zeminu normálně konsolidovanou. Dostáváme tak různé odpory pro hodnotu maximální pevnosti, ale prakticky stejný odpor po velkém přetvoření – při dosažení reziduální hodnoty. Pro svislé deformace vzorku platí stejné závěry jako pro písky ulehlé a kypré – dilatantní a kontraktantníchování. Vyhodnocení efektivního úhlu vnitřního tření pro překonsolidovaný a normálně konsolidovaný jíl se téměř neliší,

rozdíl je v soudržnosti. Pro zeminy konsolidované z kaše lze získat i cef = 0. Velikost soudržnosti tedy závisí jak na velikostipřekonsolidačního napětí, tak na čase, po který překonsolidační napětí působilo, neboť čas hraje významnou úlohu ve vývinu vzájemných vnitřních vazeb



ef

r

ef

r

Cr=0

Cr=01ef

1ef ef

Ce

f

SM

YK

OV

Á

PE

VN

OS

T

1ef

1ef

POSUN

r

f

f r1

2

1

SM

YK

OV

É

NA

PĚ

TÍ

Zkouška typu CUP – konsolidovaná, neodvodněná s měřením pórového tlaku

• Typický průběh výsledku triaxiální zkoušky s měřením pórového tlaku je znázorněn na přiloženém obr. U zemin překonsolidovaných (graf 2) dochází v oblasti smykové plochy k dilatanci, k nadzvednutí a vývinu podtlaku (negativního pórového tlaku). Tento podtlak má vliv na zvýšení poměrného přetvoření, při němž dojde k porušení. U normálně konsolidovaného jílu (graf 1) vznikají kladné pórové tlaky. Spodní obr znázorňuje, jak se toto rozdílné chování projeví při znázornění drah napětí.

• Z pohledu provedení zkoušky – jen shrnutí – po zatížení komorovým tlakem se otevře drenáž spojená se vzorkem přes propustnou destičku a měří se množství vody vyteklé ze vzorku jako funkce času Za využití Casagrandeho či Taylorovy metody se vyhodnotí součinitel konsolidace cv. Po skončení prvé fáze konsolidace nastává druhá fáze zkoušky – ve svislé přitěžování deviátorem napětí.

• Po dobu druhé fáze se měří pórové tlaky, takže pro porušení dostáváme nejenom maximální deviátor napětí, ale též pórový tlak a tak vyhodnotit efektivní hlavní napětí:

• Metodika zkoušky CUP se využívá též pro stanovení Skemptonových koeficientů pórového tlaku B, A, , jež jsou součástí vztahu přírůstku pórového tlaku Δ u na přírůstku hlavních napětí:

resp.

Z prvé fáze zkoušky, kdy se měří přírůstek pórového tlaku v závislosti na přírůstku komorového tlaku, kontrolujeme koeficient pórového tlaku B, jenž by měl být pro nasycený vzorek roven 1.

Z druhé fáze se vyhodnotí koeficient pórového tlaku A – pro normálně konsolidované zeminy pro okamžik porušení je Af ≈ 1, u překonsolidovaných zemin nabývá záporných hodnot.


12

1-3

1-

3

z z

21

zz

u

+

-

0 0

zz

-

A

1,0+

0,5

0,5

0 0

0,5

-0,5

-1,5

Kf

1

2

u us

B

ESPTSP

(T-us)SP

C E

A

D

Cu E

q

B

TSPESP

(T-u)SP

D

usA

Kf

q

p, (p-us), pef

tfV log

uu efef 3311

)( 313 ABu )( 313 ABu

Rozsahy efektivních parametrů smykové pevnosti

• Hodnoty efektivních smykových parametrů při porušení (vrcholové pevnosti) zjištěné při zkouškách typu CD resp. CUP na vzorcích zeminy odebraných in situ se z pohledu úhlu vnitřního tření pohybují nejčastěji v rozsahu 17 –310 , což odpovídá tg φ ´= 0,3 – 0,6. Horní hranice se již blíží spodní hranicí pro hrubozrnné zeminy. Naopak hodnoty efektivní soudržnosti jsou silně odvislé od předchozí historie, mohou na jedné straně dosahovat jednotky kPa, a začínají se blížit měkkým horninám, mohou však klesnout až téměř k nule pro měkké, normálně konsolidované jíly, a tím se přiblížit jílům prohněteným, když tímto prohnětením všechny vnitřní vazby byly porušeny. U vzorků odebraných in situ vždy bude záviset na kvalitě odběru těchto vzorků.

• Efektivní soudržnost zemin zhutněných energií odpovídající Proctorově standardní zkoušce (kapitola o zhutňování zemin) se pohybuje v rozsahu 5 až 25 kN/m2 (kPa).

• Přestože výsledné hodnoty odvisí od historie, výše uvedené hodnoty jsou výsledkem statistiky velkých souborů. Tyto soubory jsou v učebnicích či normách uváděny v tabulkové formě a lze je využít při řešení úloh spojených s menším rizikem.

Hodnoty reziduálních efektivních smykových parametrů. Jak již ukázáno, pevnost (úhel φ´) je nižší, soudržnost na vyhlazené ploše prakticky nulová. Čím bude zemina obsahovat více jílovitých částic a aktivnější jílové minerály, tím bude reziduální úhel menší. Minimální uváděné hodnoty jsou ca 4 – 6 stupňů.

Z různých možných korelací je uváděna závislost na indexu plasticity (Vaughan

a Hamza – 1977). Z něho je zřetelné, že výrazný pokles pevnosti oproti vrcholové

nastává pro I p = 25 – 30 - když paralelní uspořádání jílových části na smykové

ploše se může významněji projevit.

Z praktického hlediska a při posuzování

rychlosti poklesu pevnosti Bishop používá

Index křehkosti:



f

rf

BI

posun

sm

yk

ov

é n

ap

ětí

(a)

(b)

(c)

IB=0,1

IB=0,6

1,0

0,80,6

0,4

0,2

0

Obecné dráhy napětí vedoucí k porušení• Doposud byl popsán základní případ zatěžování vzorku – po izotropní konsolidace byl vzorek zatěžován svisle. K porušení

však může dojít i po jiných drahách napětí.

• Pro izotropní konsolidaci písku (bod A) v prvé fáze (zkouška typu CIUP) jsou na obr. znázorněny 4 tyto základní dráhy napětí,z nichž výše uvedená je jednou z nich. Efektivní dráhy napětí (ESP) znázorněné v souřadnicích p, q představují následné 4 kombinace:

- vertikální stlačení – pro kladné hodnoty q , když

- vertikální protažení – pro záporné hodnoty q, když

- zkouška s přitěžováním - - když hodnota p se zvětšuje

- zkouška s odlehčováním – když hodnota p se zmenšuje

Při protnutí efektivní dráhy napětí s přímkou porušení Kf se sledovaný

vzorek poruší, přičemž čára Kf je spojnice vrcholů Mohrových kružnic

Porušení, když platí:.



)( hv

)( hv

seckcef )(sin 1 tgef

Obecné dráhy napětí vedoucí k porušení a aplikační úlohy• Při řešení aplikačních úloh je obecně správnější vycházet z anizotropní konsolidace v prvé fázi triaxiální zkoušky (zkouška

typu CAUP), když se rozlišují svislé a vodorovné geostatické napětí.

• 4 základní úkoly, které budou teprve probírány, reprezentují:

• - klasické svislé stlačení s přitížením - dráhy napětí bodu A pod plošným základem

• - svislé stlačení s vodorovným odlehčením - dráhy napětí bodu A za opěrnou stěnou při vzniku aktivního zemního tlaku

• - svislé protažení s bočním přitížením – dráhy napětí bodu A za

opěrnou stěnou, kde dochází k vývoji pasivního zemního tlaku

• - svislé protažení se svislým odlehčením – dráhy napětí bodu A,

který se nachází pod úrovní dna hloubeného výkopu

Zkoušky sledující uvedené dráhy napětí nemají za účel pouze

stanovit smykové parametry, ale zejména sledovat deformace

nutné pro dosažení stavu porušení. Zkoušky typu CIUP, resp. CAUP

Sledují také různý vývoj pórového tlaku.



Případy odlišné od dosud uvedených

Zemina nenasycená

- Zkoušku typu UU lze provádět i na částečně nasycených zeminách, při aplikaci narůstajícího všesměrného zatížení se vzorek částečně stlačuje i když je neodvodněný, neb se stlačuje vzduch. Tento nárůst pevnosti lze v praktické aplikaci využít –typickým příkladem je podloží pod plošnými základy, kde s tímto postupem byly získány velmi dobré zkušenosti. Nárůst je možné zobrazit Mohr-Coulombovou přímkou pouze pro očekávaný rozsah napětí (pro plošné základy nejčastěji v rozsahu 50 – 200 kPa)

získané parametry se mohou označovat jako φuu, cuu a dále se musí zohlednit, nakolik se může saturace s časem měnit (především v období do dokončení plošných základů). Uvedení rozsahu napětí je nutné, neb při velkých všesměrných zatíženích ca 600 – 800 kPa může být stlačen veškerý vzduch v pórech a zemina se začne chovat jako nasycená a obálka postupně přechází ve vodorovnou.- Při zkoušce CU vzorku nenasyceného též pevnost vzrůstá, ale opět lze výsledky použít pouze pro daný problém (hlavně tam, kde předpověď vývoje pórových tlaků při přitížení je problematická) .

Pro svojí citlivost ke konkrétním podmínkám, tyto parametry φcu a

ccu nejsou tabelovány.- Při zkoušce typu CUP, lze dnes měřit jak tlak vody v pórech, tak tlak vzduchu, ale upřednostňuje se zkouška vzorku nasyceného, aniž je změněna pórovitost (počáteční stav) a to prostřednictvím souběžné změny komorového a zpětného sytícího tlaku (uvnitř) vzorku – obdobný přístup je volen při měření propustnosti jílovitých vzorků zhutněných.- Zkouška typu CD v krabicovém smykovém přístroji se provádí na zalitém vzorku, v triaxiálu je zpětný sytící tlak nutný tam, kde lze očekávat negativní pórové tlaky i po skončení první fáze konsolidace (např. u silně překonsolidovaných zemin)

Kritická pevnost- Koncept kritické pevnosti byl ukázán pro hrubozrnné zeminy. Tzv. Cambridžská škola tento koncept využívá i pro jemnozrnné zeminy, aby mohla studovat vlastnosti zemin nezávislé na předchozí historii.

- Pracuje s tzv. prohněteným vzorkem, když všechny vazby, které měly vliv na soudržnost zeminy byly porušeny. Často tento vzorek je připraven z kaše – vlhkost je vyšší než mez tekutosti a jednoose konsolidován na velmi malé zatížení (1 kPa). Nejvyšší získaná efektivní pevnost je označena jako kritická a v principu odpovídá chování písku kyprému a odpovídá stavu nulových objemových změn –výsledek: nulová soudržnost a úhel vnitřního tření φ´c.

- Teorie předpokládá, že za tohoto stavu dochází k turbulentnímu posunu v oblasti smykového porušení – jednotlivá zrna se přes sebe převalují.

- Není blíže specifikováno jak se vzorek chová při dalším smykovém posunu pokud vzorek obsahuje jílové minerály, které mají tendenci k jednosměrnému uspořádání, jako u reziduální pevnosti pro jílovité vzorky.

- Je zřejmé, že aplikace této pevnosti v návrhu geotechnických úloh je proto velmi problematická. Neuvažování s reálnou pevností, a tím odmítnutím koncepce efektivní soudržnosti, je jednak v rozporu se znalostmi o efektivní tahové pevnosti, a navíc aplikace by vedla k velmi konzervativním návrhům geotechnických konstrukcí, což není zdůvodnitelné.

- Před použitím této teorie vytvořené pro rekonstituované vzorky varuje i sám představitel této teorie. Prof Atkinson píše.“ The behaviour described and the theories developed (in my book) were largely idealizations for behaviour of reconstituted soils, but natural soils differ from reconstituted soils in a number of important aspects““.

- Tato citace je uváděna úmyslně, neb se stále objevují tendence (i v ĆR) aplikovat výše uvedenou teorii i na praktickou úlohu. Opět citace Prof Atkinsona: „It is very difficult to discover the true behaviour of natural soils –the best we can do is to take and test an impact sample with the very minimum of disturbance.

- A touto cestou jde i společná evropská norma o navrhování geotechnických konstrukcí - ČSN EN 1997 „Navrhování geotechnických konstrukcí“, která rozlišuje různé kategorie kvality vzorků a pro náročné úkoly vyžaduje nejkvalitnější vzorky, co nejlépe vystihující vlastnosti dané zeminy in situ.



Terénní zkoušky smykové pevnosti

• Terénní zkoušky lze opět rozdělit na přímé a nepřímé. Z přímých budou uvedeny 2 příklady a to zkouška na bloku zeminy vrtulková zkouška. Obě v případě, že odběr vzorku (co nejméně porušeného je málo pravděpodobný.

• Zkoušky na bloku se provádějí na rozpadavých jílovitých břidlicích. Zkouška je náročná na vybavení i čas, takže je spíše výjimkou, vymezenou pro náročné úlohy. Schema uvádí přiožený obr. Očištěný blok je obejmut rámečkem svislé zatížen a následně šikmou silou přitěžován až do porušení a to vždy pomocí výkonných hydraulických lisů s protireakcí.

• Výsledné normálové a tangenciální napětí na smykové ploše je dáno vztahy:

• Vrtulková zkouška je vhodná pro zjištění neodvodněné pevnosti (typ UU) a

Proto se používá pro plastické normálně konsolidované zeminy, pro kaly v

odkalištích, bahnité náplavy. Při znalosti kroutícího momentu a plochy po které

došlo k usmyknutí lze vyhodnotit neodvodněnou pevnost Su = cu

Z nepřímých terénních zkoušek jde opět o penetrační zkoušky a zkoušky pressiometrické,

zmíněné již v kapitole o deformačních vlastnostech. Mnohdy nejde o vyhodnocení deformačních

a pevnostních charakteristik, ale o přímé využité výsledků měření pro návrh konkrétní geotechnické

konstrukce. Využitelnost vyplývá i z ČSN EN 1997 Navrhování geotechnických konstrukcí, resp.

z publikace ČGtS ČSSI – EC 7 Část 1 Obecné zásady (Čiháková, Rupp, Vaníček,). Pro

nenáročné konstrukce lze průzkum provést jeden den a druhý již přímo navrhovat.

Je zřejmé, že vzhledem k problémům s kvalitou vzorků a jejich zkoušením v lab, bude význam

průzkumných metod umožňující přímý návrh stoupat. Francouzi s využitelností Ménardova

pressiometru jsou zřejmě v tomto směru nejdále.



A

F

A

NF

cossin

Odlišnosti laboratorní metody od reálných podmínek• V této části se nehodnotí otázka reprezentativnosti, zda zkoušený vzorek je či není dostatečně reprezentativní.

• Vliv času – obecně v lab se provádějí zkoušky rychleji při srovnání se skutečným případem porušení in situ. Pro zkoušky CD a CUP byl význam času zmiňován. Zvlášť velký vliv času se ukazuje při měření neodvodněné pevnosti. Obecně platí, že při pomalejším přitěžování pevnost klesá.

• Vliv anizotropie – kromě anizotropie napětí (rozdílnost svislého a vodorovného) je významná anizotropie geometrická, typická pro sedimenty, když sedimentované částice mají tendenci ukládat se podélnou osou vodorovně.

• Pro neodvodněnou pevnost je tento efekt zřetelný z přiloženého obr.

• U zkoušek typu CUP – se anizotropie projeví zejména z pohledu rozdílných

efektivních drah napětí vedoucí k porušení vzorku – obr.

• Vliv velikosti zkušebního vzorku

Čím je vzorek menší, tím je pravděpodobnější, že neobsahuje plochy nespojitosti či oslabení.

Pevnost s větším vzorkem klesá, což je nutné respektovat především pro tuhé až pevné potrhané jíly.



jíl - London, Ashfordjíl - London, Wraysburyjíl - Surtejíl - San Franciscojíl - Weland

rela

tivn

í p

evn

ost

1,5

1,0

0,5

00

30 60 90

pevnost zemin - cvut.czdepartments.fsv.cvut.cz/k135/data/...c-8-pevnost...smyková pevnost...

Documents