prof. dr. sc. Tanja Roje-Bonacci

Poboljšanje svojstava temeljnog tla

Split, 9. travanj 2010.

Svrha poboljšanja temeljnog tla je:

Povećanje nosivosti i smanjenje slijeganja;

−povećanje nosivosti na dodirnoj plohi temelj – tlo, odnosno povećanje nosivosti sloja tla na kojem neposredno leži temelj, nasip ili kolnička konstrukcija;−smanjenje slijeganja tla ispod nasipa i temelja uslijed dodatnog opterećenja nasipom, prometom ili temeljima;−povećanje nosivosti sloja tla i smanjenje slijeganja tog istog sloja;−smanjenje slijeganja tla u većim dubinama kada se dodatno naprezanje rasprostire u veće dubine, a tlo je izrazito loše i na tim dubinama;−ubrzanje procesa konsolidacije tj. smanjenje vremena trajanja slijeganja;− ublažavanje opasnosti od likvefakcije

Smanjenje vodopropusnosti za različite svrhe u geotehničkom inženjerstvu;

Poboljšanje fizičko-mehaničkih svojstava tla, da bi se u njemu nesmetano mogli vršiti duboki iskopi, ili čak podzemni zahvati.

Zamjena materijala je najstariji poznati način poboljšanja podtemeljnog tla

1. Zamjena betonom i produbljeno temeljenje

2. Zamjena nasipom tražene zbijenosti iznad razine podzemne vode

3. Zamjena tla nasipom kod visoke razine podzemne vode

KLASIČNI PRISTUP POBOLJŠANJU TEMELJNOG TLA

Bitno se razlikuju postupci zamjene, kada je razina podzemne vode duboko ispod temeljne plohe od onih kada je razina podzemne vode neposredno ispod temeljne plohe ili čak na površini terena.

ad 1 produbljeno temeljenjeVoda duboko ispod kote temeljenja

i zamjena betonom

Površina terena u kršu

ad 2 Zamjena nasipom tražene zbijenosti iznad razine podzemne vode- povećanje nosivosti- smanjenje slijeganja Ugradnjom sloja tražene kakvoće postiže

se veća zbijenost ugrađenih slojeva, od one koju ima prirodno tlo. Time se povećava kut unutarnjeg trenja ugrađenog materijala ϕ, čime se postiže veća nosivost.

Kada je slabo nosivi sloj veće moćnosti, nije ga potrebno zamijeniti u cijelosti već samo do određene dubine.

Pri određivanju projektnih modula stišljivosti zamjenskih slojeva, potrebno je poznavati modul stišljivosti površine prirodnog tla, na koju se ugrađuje prvi zamjenski sloj. Moduli stišljivosti (zbijenost) zamjenskih slojeva nisu neovisni o zbijenosti prirodnog tla niti prethodno ugrađenog sloja. Postoji veza između zbijenosti prethodnog sloja, debljine sloja koji se ugrađuje i najveće moguće zbijenosti koja se može postići u sloju koji se ugrađuje. Ta veza propisana je na primjer Voss-ovim (Fos) dijagramom.

−smanjenje slijeganja;Slijeganje je češće kritična, zadana veličina.

Stišljiv sloj ograničene debljine

Kada je slabi, stišljivi sloj veće moćnosti, zamjena se vrši samo do potrebne dubine,

povećanje nosivosti i smanjenje slijeganja

Najčešće je, kod pojave sloja slabe nosivosti i temeljne plohe na projektiranoj dubini, potrebno izvršiti zamjenu temeljnog tla da bi se povećala nosivost i smanjilo slijeganje. U tom slučaju postoji mogućnost prilagodbe raspodjele dodatnih naprezanja po dubini, odgovarajućim odabirom širine temeljnih stopa, ili traka.

Žitko i slabo nosivo tlo često se javlja na močvarnim i muljevitim terenima. Ovakva se tla nalaze na riječnim ušćima, plitkim lagunama, obalama jezera, starim koritima naknadno zapunjenim nanosom i sličnim lokacijama.

Zamjena tla nasipom kod visoke razine podzemne vode

Poboljšanje žitke podloge vibriranjem krupnog kamena u muljsa ili bez ograničenja u tlocrtu

Za zbijanje i odabir granulometrijske krivulje zamjenskog tla vrijedi sve rečeno za zamjenu bez prisustva vode.

Zamjena tla slojevima projektirane zbijenosti pod temeljem, pri visokoj razini podzemne vode

Crpljenje je potrebno provoditi 24 sata na dan toliko dugo dok se ne postigne dovoljna težina građevine da može nadoknaditi utjecaj uzgona.

Likvefakcija

Liquefaction is one of the primary causes of lateral spreading, failures of bridgefoundations, embankments, and ports and harbor facilities during earthquakes(e.g., 1964 Alaska earthquake, 1995 Kobe earthquake).

Likvefakcija je pojava koja uzrokuje bočno rastezanje tla, slom temelja mostova, nasipa, pristaništa i lučkih postrojenja, tijekom potresa. (primjer 1964. Aljaska, 1995. Kobe)by Thevachandran Shenthan, Rafeek G. Nashed, Sabanayagam Thevanayagamand Geoffrey R. Martin

Likvefakcija je pojava koja se javlja u rahlim, vodom zasićenim pijescima uskog granulometrijskog sastava, u trenutku cikličke promjene stanja naprezanja uzrokovanog potresom. Ciklička promjena stanja naprezanja izaziva potresanje tla, koje gubi čvrstoću na smicanje, te se ponaša kao viskozna tekućina. Da bi došlo do likvefakcije moraju istovremeno biti ispunjena dva uvjeta:

1. Tlo mora biti rahlo, zasićeno vodom, pjeskovito i na dubini od 0 do 10 metara ispod površine tla;

2. Potres mora biti dovoljno jak da bi izazvao tlo sklono likvefakciji da se pokrene.

Iz navedenog, očito je da je moguće odrediti područja koja su sklona likvefakciji, globalno, kao i mogućnost iste pojave lokalno. U tu je svrhu potrebno odrediti stupanj mogućnosti pojave likvefakcije (liquefactionpotential). S jedne strane je potrebno odrediti stupanj seizmičnosti područja, a s druge strane svojstva tla. Dok određivanje stupnja seizmičnosti spada u geofizičku struku, određivanje svojstava tla je geotehnički zadatak.

Granulometrijski sastav tla za koji se zna da je podložno likvefakciji

Karta stupnja mogućnosti pojave likvefakcije za državu Utah – SAD

Kartom je određena vjerojatnost pojave likvefakcije vezana za određivanje potresnih zona s povratnim razdobljem oa100 godina.

Visoki “potencijal likvefakcije”podrazumijeva vjerojatnost veću od 50%, a vrlo mali manju od 5%.

Određivanje stupnja mogućnosti pojave likvefakcije vezanih za svojstva tla

postoji nekoliko uobičajenih, mogućih pristupa:

pomoću izučavanja cikličkih izazvanih naprezanja;

pomoću izučavanja ciklički izazvanih deformacija.

Obje metode mogu se izučavati temeljem laboratorijskih i terenskih pokusa.

U laboratoriju se mogu izvesti ciklička troosna ispitivanja, ciklička direktna smicanja i ciklička torziona smicanja.

Na terenu se koriste dinamička penetracija (SPT), statička penetracija (CPT) i geofizička metoda mjerenja posmičnih valova. Osim ovih razvijene su još neke metode.

Najjednostavniji za praktičnu primjenu su dijagrami nastali temeljem izučavanja niza potresa i pojave ili ne pojave likvefakcije pri tim potresima.

d0v

max0v ra

65,0CSR ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛σ′

σ=

Da bi se moglo koristiti dijagramima potrebno je odrediti koeficijent cikličkog posmičnog naprezanja (cyclic shear stress ratios) CSR koji se javlja prilikom pomicanja tla uzrokovanog potresom na dubini, z. Ova se vrijednost određuje jednadžbom:

gdje su:

σv0 i σ’v0 totalno i efektivno naprezanje na dubini z,

amaks najveće vodoravno ubrzanje površine tla izraženo preko gravitacije,

rd čimbenik smanjenja ovisan o krutosti tla (za kruto tlo rd=1)

Shematski prikaz određivanja najvećeg posmičnog naprezanja τmaks i koeficijenta smanjenja naprezanja rd potrebnog za određivanje vrijednosti CSR

Kada je poznata vrijednost CSR može se pomoću vrijednosti dobivenih terenskimispitivanjem i dijagrama koji slijede odrediti vjerojatnost pojava likvefakcije

Veza između CSR i broja udaraca SPP-a (N) za čiste pijeske temeljem rezultata objavljenih u razdoblju 1980.-2004. Krivulje su preporučljive za M=7½ i σ’v0= 1 atm

d0v

max0v ra

65,0CSR ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛σ′

σ=

Veza između CSR i otpora šiljka (qc) pri statičkom penetracijskom pokusu (CPT) za čiste pijeske su preporučljive za M=7½ i σ’v0= 1 atm

d0v

max0v ra

65,0CSR ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛σ′

σ=

U određivanju potencijala likvefakcije kao mjere mogućnosti pojave, ključnu ulogu igra relativna zbijenosti tla Dr.

minmaks

prirodnomaksr ee

eeD

−

−=

Određivanje emaks i emin izvodi se standardiziranim postupkom u laboratoriju.

pore

čvrstečestice 1

eminpore

čvrstečestice 1

emaks

eprirodno ???????

Veza otpora vrha statičkog penetrometra qci i relativne zbijenosti Dr u zavisnosti o dubini prikazanoj preko efektivnog naprezanja σ’v.

Vrste pokusa za utvrđivanje modula smika

Metode za određivanje dinamičkog modula smicanja potrebnog za modeliranje ponašanja tla prilikom potresa

Većina metoda poboljšanja svojstava temeljnog tla djeluje između ostalog i na smanjenje mogućnosti pojave likvefakcije. Na slici je prikazano djelovanje šljunčanih stupova u skraćenju vremena konsolidacijskog slijeganja i u sprječavanju likvefakcijeprilikom potresa.

Šljunčani stupovi, kao mjera poboljšanja temeljnog tla pri likvefakciji

Stabilizacija tla dodacima

Stabilizacija plitkih slojeva tla

Postoje dvije mogućnosti izvedbe plitke, površinske stabilizacije tla.

1) rijanje prirodne površine tla s dodavanjem sredstva za stabilizaciju. Nakon toga se ponovnim rijanjem miješa tlo s dodatkom i konačno zbija valjanjem bez ili sa vibriranjem, ovisno o vrsti tla. Na ovaj se način mogu stabilizirati samo relativno tanki, površinski slojevi tla.

2) stabilizirana se podloga pripravi van prostora ugradbe i ugrađuje slično kao i zamjenjujuće tlo, u slojevima uz valjanje, bez ili s vibriranjem, ovisno o vrsti tla

Pod stabilizacijom tla dodacima se podrazumijeva miješanje prirodnog tla s različitim dodacima i vodom.

Krupno zrnim tlima lošeg granulometrijskog sastava mogu se dodavati zrnati dodacitla u onom području u kojem nedostaje čestica i tako poboljšati granulometrijski sastav.

Tlu se mogu dodavati veziva. Vapno je jedno od klasičnih dodataka, a pridružio se i cement. U novije doba koriste se sintetički materijali, ulja, bitumeni i td. kao i najrazličitiji industrijski ostaci (topionička šljaka, pepeo i šljaka iz termoelektrana, leteći pepeo, ugljena prašina, cementna prašina), koji služe kao vezivo ali neki mogu služiti i kao punilo.

Mehanički sustavi Keller za miješanje do 4 m dubine

dodaci su cement, vapno ili šljaka, odnosno njihova kombinacija

Vapno se koristi za stabilizaciju glinovito – prašinastog tla. Za nekoherentna tla koristi se cement te se u literaturi takva mješavina nalazi pod nazivom soil-cement, cementirano tlo.

Stabilizacija zamjenom slojeva tla

Stabilizacija tla se može upotrijebiti kada se naiđe tlo izrazito različitih svojstava na tlocrtnoj površini jedne te iste građevine.

Primjer: temeljenje bazena

NOVE MOGUĆNOSTI

U POBOLJŠANJU TEMELJNOG TLA

1) Dubinsko miješanje tla s dodacima2) Dubinsko zbijanje tla s površine3) Dubinsko zbijanje tla sondama i vibroflotacija4) Zbijanje tla miniranjem5) Upravljanje procesom konsolidacije6) Šljunčani stupovi7) Složene tehnike poboljšanja temeljnog tla

Stabilizacija dubokih slojeva tla dodacima

Današnja tehnologija omogućuje dodavanje veziva i miješanje s tlom u dubokim slojevima. Na slici je prikazan način izvedbe ovakvog poboljšanja tla. Pribor se vrti i razrahljuje tlo do potrebne dubine. Zatim se kroz središnju cijev pod pritiskom ubacuje vezno sredstvo, pribor ubrzano rotira i miješa tlo i vezivo, a istovremeno se pribor programirano podiže.

Miješanje s tlom u dubokim slojevima II

Ovaj postupak se razlikuje od mlaznog injektiranja

Izgled mješalice za dubinsko miješanje tla i dodataka

Da je tehnologija zanimljiva pokazuje i interes koji su pokazali geotehničari Sveučilišta u Oxfordu. 2007. godine su započeli rad na projektu SMiRT

(Soil Mix Remediation Technology),

ispitujući razne vrste pribora za izvođenje i razne vrste veziva za razne vrste tala.

MIJEŠANJE U KANALU

MIJEŠANJE DVOSTUKIM REZAČEM

SUSTAV SVRDLANIH STUPOVA

SUSTAV SVRDLANIH STUPOVA, II,

Mješalica za suho miješanje tla i dodatka

Otkopana tijela stabiliziranog tla

NIJE PREPORUČLJIVO OVU TEHNOLOGIJU IZVODITI KAO ZAMIJENU ZA PILOTE.

Učinak se može provjeriti nekom od metoda penetracije.

Dubinsko zbijanje tla

– Dinamička stabilizacija tla s površine

– Dinamička stabilizacija tla s površine s dodavanjem tla u nastale udubine

– Dinamička stabilizacija vibriranjem ispod površine i vibroflotacija

Dinamička stabilizacija tla s površine

Učinak zbijanja može se približno proračunati pomoću jednadžbe

WHnDmaks =

pri čemu je W = težina utega u tonama, H = visina padanja u metrima, a n je iskustveno 0,5

Učinak zbijanja u prostoru

Dinamička stabilizacija tla s površine s dodavanjem tla u nastale udubine

Polje s nizom strojeva za dinamičku stabilizaciju s dodatnim nasipanjem

Dinamička stabilizacija vibriranjem ispod površine i vibroflotacija

Ovaj način poboljšanja temeljnog tla je učinkovitiji od zbijanja s površine. Vrlo je koristan za tla sklona likvefakciji (rahli pijesci jednolikog granulometrijskogsastava), kao i za ojačanje hidrauličkih nasipa, nastalih refuliranjem pijeska. Primijenjen je prvi put 70-tih godina 20. stoljeća u Njemačkoj. Relativno je jeftin i vremenski brz. Pokazalo se da je učinkovit do dubine od oko 4,0m. Može se izvoditi bez ili sa dodavanjem nekoherentnog tla u podtemeljno tlo.

Postupak se temelji na pobudi čestica nevezanog tla, koje se premještaju iz rahlog u zbijeniji položaj. Na taj se način postiže veća relativna zbijenost (Dr) i poboljšavaju fizičko-mehanička svojstva tla.

Postupak premještanja čestica prilikom vibroflotacije

raspodjela dodirnih točaka prije i nakon vibroflotacije

U novoj strukturi je povećan kut unutarnjeg trenja i smanjen porozitet. Smanjena je pokretljivost čestica.

Postupak vibroflotacije se u krupnozrnatim tlima vrši isključivo vibriranjem dok se u koherentnim tlima u prostor nastao vibriranjem i spuštanjem sonde, dodatno puni šljunkom i tako nastaju uspravni drenovi koji ubrzavaju proces disipcije pornog tlaka u bližoj okolini.

U koherentnom tlu nije moguće vibriranjem pokrenuti čestice tla.

Učinak vibriranja bez dodataka (detalj)

Vibriranje sa slijeganjem površine na račun smanjenja poroziteta

Nekoliko vibratora za vibroflotaciju i dubinsko vibriranje

Za bolji učinak može postojati mogućnost razbijanja tla vodom pod visokim pritiskom

Sonda za vibroflotaciju sa cijevi kroz koju se dodaje šljunak u osvojeni prostor u koherentnim tlima, vide se otvori za vodu

Postupak vibroflotacije u rahlom, nekoherentnom tlu bez dodavanja šljunka

Vrh s vodom Vrh s vodom

Gubitak visine na račun zbijanja

Postupak vibroflotacija u koherentnom tlu uz dodavanje šljunka u nastali prostor ispod sonde – vibratora

Tandem za vibroflotaciju u radu

Vibroflotacija s šljunčanim zasipom, ispod razine vode

Za korištenje ove metode nema izravnih teoretskih rješenja. Do danas postoje praktična iskustva koja su dostupna korisnicima najčešće na način da ih izvođači stavljaju korisnicima na raspolaganje. Postoje i razrađeni modeli za proračune s pripadajućim računalnim programima. Pored svega bitno je provesti strogu provjeru učinkovitosti postupka. Na slici je prikazan dijagram odnosa efektivnog naprezanja i otpora prodiranja šiljka statičkog penetrometra u ovisnosti o relativnoj zbijenosti Dr. Dijagram se može koristiti za ocjenu uspješnosti dubinskog vibriranja u tlu.

+

Najbolji podaci o postupku dubinskog vibriranja tla mogu se postići izradom probnog polja (slično kao kod injekcionih radova). Na slici je prikazano jedno takvo probno polje s različitim razmacima između mjesta vibriranja. Provjera zbijenosti vrši se, kao i kod dinamičke stabilizacije s površine, statičkim (CPT) penetracijskim pokusom ili dinamičkim, standardnim (SPP) penetracijskim pokusom, ili nekim drugim pokusom za utvrđivanje poboljšanja svojstava tla.

Zbijanje i zamjena tla miniranjem

Metoda je poznata dugi niz godina. Korištena je u Rusiji za zamjenu lošeg, površinskog sloja tla, naročito treseta, pri gradnji prometnica. Postupak se sastoji u tome da se u tlu izvedu bušotine u koje se ugradi eksploziv, a zatim se prostor prekrije određenom količinom šljunka tako da nakon eksplozije šljunak utone u novonastali prostor.Tijekom vremena se ova tehnika zamjene tla i poboljšanja temeljnog tla usavršila. Danas se na tržištu mogu naći izvođači specijalizirani za ove vrste radova

Tehnologija je usavršena tako da se danas koristi u dva pravca: miniranje s površine i miniranje u bušotini.

Miniranjem se pobuđuju potresni valovi unutar mase tla. Oni izazivaju flotaciju čestica. Koristi se za površinsko i dubinsko zbijanje rahlih, nekoherentnih tala, najčešće rahlih pijesaka sklonih likvefakciji.

Raspored čestica u tlu. Lijevo prije miniranja; desno nakon miniranja

Učinak miniranja na površini sličan je dinamičkoj stabilizaciji s površine. Prema postojećim podacima, 1kg eksploziva (TNT) odgovara energiji udarca malja od 5 tona koji slobodno padne s visine od 100 metara.

Tehniku mikrominiranja moguće je primijeniti pri visokoj razini podzemne vode kao i na površini tla (dnu) ispod vode.

Učinak mikrominiranja na površini tla i ispod površine vode

UČINAK MINIRANJA NA POVRŠINI

Mogući načini punjenja pri mikro miniranju u bušotini

U koherentnim tlima nije moguće izazvati flotaciju i pomicanje čestica. Tu se mikro miniranje može koristiti za izvedbu pješčanih drenova. Za to je potrebno površinu, na kojoj se izvodi poboljšanje tla, prekriti nasipom od pijeska provjerene granulacije da zadovolji filtarsko pravilo. U trenutku miniranja pijesak puni nastali prostor u koherentnom tlu i oblikuje uspravni dren koji uvjetuje radijalno dreniranje.

Pospješenje toka vode ka drenovima naizmjeničnom izvedbom drenova i eksplozijom između njih

Površina nasipa pijeska nakon miniranja koherentnog sloja tla

∆e∆e

Upravljanje procesom konsolidacijeKonsolidacija je pojava slijeganja tla u vremenu. Nastaje u slabo propusnim, koherentnim tlima s malim vrijednostima koeficijenta propusnosti, k. Pri procesu konsolidacije javlja se tečenje vode u porama iz područja većeg pornog pritiska u područje manjeg pornog pritiska. Na račun istekle vode smanjuje se zapremina pora.

Dugotrajno slijeganje nanosi velike šteta građevinama, a u nekom je slučajevima neprihvatljivo te ga je potrebno svesti u vremenski prihvatljive granice.

Pojava je naročito neugodna kada na ovakvom tlu leže građevine velikih površina(nasipi raznih namjena), ali i druge plošne građevine kao na pr. bazeni, uređaji za pročišćavanje voda koji rade na principu gravitacije i slično, a koje nije moguće točkasto temeljiti u dublje, bolje slojeve tla ili bi takvo temeljenje bilo nerazmjerno skupo u odnosu na vrijednost građevine.

pore

čvrstečestice 1

e1q[l/s]e2

Rješenja se mogu naći korištenjem slijedećih postupaka:

1) Predopterećenje

2) Uspravna drenaža – radijalna konsolidacija

Predopterećenje

Teret q1 izazvati će ukupno slijeganje s1, u nekom vremenu t. Građevina, koja će na tlo predati teret q2, znatno manji od predpoterećenja q1 (q2<<q1), izazvati će proporcionalno manje slijeganje s2<s1. Kako je konsolidacijsko slijeganje većim dijelom nepovratno, to se trajanje predopterećenja može programirati tako, da izazove odgovarajući, odabrani postotak slijeganja (konsolidacije U%), koje bi izazvala predviđena građevina, a nakon kojeg su slijeganja dovoljno mala da ne mogu više imati štetan utjecaj na stabilnost i uporabivost te građevine.

Kada se predviđeno slijeganje postigne, predopterećenje se zamijeni projektiranom građevinom.

Ovaj je postupak moguće primijeniti na površinama, za koje se unaprijed zna da će kroz neko vrijeme postati građevinsko zemljište s unaprijed približno određenim opterećenjima.

Površina je ograničena količinom gradiva koje se koristi kao predopterećenje. Postupak se često koristi za slijeganje većih površina stišljivog, slabo propusnog tla (mulj) ispod budućih platoa koji nastaju nasipanjem. Tada se može izvesti nasipe dvostruko i više veće visine od projektiranih. Kada se postigne zadovoljavajući stupanj konsolidacijskog slijeganja, nasipi se skidaju na projektiranu kotu, a slijeganje je ili završeno ili preostaje vrlo mali postotak koji ne šteti budućoj namjeni platoa. Uobičajene visine nasipa za predopterećenje su 4-6 metara, a uobičajeno izazovu slijeganje od 0,3 do 1,0 metra.

Konsolidacijsko slijeganje ubrzano dodatnim opterećenjem

dijagram slijeganja s učinkom predopterećenja

Postupak se može ubrzati izvedbom uspravnih drenova u malo propusnom tlu ispod predopterećenja,

Uspravna drenaža – radijalna konsolidacija

Prema teoriji (Terzaghi, 1943.), vrijeme, t, potrebno da se odvije određeni postotak konsolidacije, U%, ovisi između ostalog o kvadratu puta koji je potreban da prijeđe čestica vode od mjesta najvišeg do mjesta najnižeg potencijala u promatranom sloju tla

v

2

cH*Tt =

Bezdimenzionalni vremenski faktor T ovisi isključivo o prosječnom stupnju konsolidacije (T=f(U%)), a koeficijent konsolidacije cv o svojstvima tla i gustoći vode (mv, k, γw). Te se dvije vrijednosti za određenu lokaciju i tlo ne mogu mijenjati. Ostaje jedino put vode, H, kao vrijednost pomoću koje se može regulirati vrijeme potrebno da se odvije željeni stupanj konsolidacije.

Za postizanje takvog učinka pokazali su se idealni uspravni drenovi. Odabirom njihovog međusobnog razmaka može se regulirati potrebni stupanj konsolidacije.

H2R

Istraživanja su pokazala da ove metode poboljšanja tla nisu učinkovite za organska tla i tresete, u kojima se slijeganje očituje kao sekundarno. Proračun pretpostavlja da u tlu ne postoje vodoravni slojevi veće propusnost.Većina tala pokazuje anizotropiju u pogledu veličine koeficijenta procjeđivanja, k, na način da je kh>kv. Ova činjenica pogoduje primjeni uspravnih drenova u skraćenju vremena primarne konsolidacije.

Teoretska rješenja primarne konsolidacije dali su Barron (1948.) i Carrillo (1942.). Pojednostavljeni prikaz postavki potrebnih za proračun prikazan je u osno simetričnom obliku na slici koja slijedi.

Da bi se pojavu moglo razmatrati potrebno je da budu zadovoljene slijedeće pretpostavke a) tlo je potpuno zasićeno; b) čestice tla i vode su nestišljive;

c) vrijedi Darcy-ev zakon; d) deformacija je mala;

e) stišljivost u tlu se odvija isključivo u uspravnom smjeru;

f) Koeficijent stišljivosti je nepromjenjiv.

Smanjenjem poroziteta mijenjaju se svi ulazni računski parametri, pa u svim drugim slučajevima pretpostavke nisu točne.

Osno simetrični model stanja oko uspravnog drena potrebna za proračun stupnja konsolidacije U %

Diferencijalna jednadžba disipacije pornog tlaka pri radijalnoj konsolidaciji glasi

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

∂∂

+∂∂

=∂∂

ru

r1

ruc

tu

2

2

h

Pri tome je ch, koeficijent konsolidacije u vodoravnom smjeru; ch=kh/(γw*mv); mv, modul promjene volumena iz edometarskog pokusa, a r je udaljenost promatrane točke od osi valjka koji se drenira; u=u0 za t=0 u svim točkama modela, a u =u0 u drenovima za cijelo vrijeme t>0.

Rješenje se može postići za dva rubna uvjeta. 1) jednoliko raspodijeljenog opterećenja na površini tla – slobodna deformacija2) jednolikog slijeganja površine – jednake deformacije.

Jednostavnije rješenje daju rubni uvjeti 1).

Pretpostavivši da je uspravno tečenje beznačajno, za idealne uvjete prosječni stupanj konsolidacije može se izraziti kao:

FT8

h

h

e1U−

−=

pri čemu je

2e

hh

Dtc

T⋅

= vremenski faktor u vodoravnom smjeru, a De=2Re, promjer valjkastog područja utjecaja drena. (De=2Re),

Funkcija F se sastoji od tri dijela

F=F(n)+Fs+Fr pri čemu:

F(n) ovisi o razmaku drenova (n=Re/rw); Fs je posljedica poremećaja tla pri ugradnji drena (poremećeno područje polumjera rs), Fr ovisi o otporu koji tečenju pruža sam dren.

Vrijeme, potrebno da se odvije prosječni stupanj konsolidacije, hU, iznosi:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−

µ∗=

hh

2e

U11ln

c8D

t

Uobičajeni razmak drenova je određen na način da je veličina n>12, a F(n)=µ . Za vrijednosti, µ, Stapelfeldt daje izraz:

2

2

2

2

n41n3)nln(

1nn −

−−

=µ

za praktičnu primjenu može se koristiti izraz:

( )w

h2

w

hqkzl2z75,0)sln(

kk

snlnFrFs)n(FF −π+−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=++=

pri čemu je s=rs/rw (prema slici), a kwje smanjena propusnost u poremećenom području.

(n=Re/rw)

U slučaju kad postoji samo učinak poremećenog područja tada se za parametar F može pisati:

75,0)sln(kk

snlnFs)n(FF

w

h −⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=+=

odnosno za savršeni dren bez otpora, a često i dovoljno precizno za praktičnu primjenu:

75,0)nln()n(FF −==

Za proračun vremena, t, potrebnog da se odvije odabrani postotak konsolidacije potrebno je poznavati koeficijent konsolidacije ch koji iznosi:

tTD

mkc h

2e

wv

hh

∗=

γ∗=

Odatle je za odabrani vremenski faktor Th moguće odrediti vrijeme t kao:

h

2eh

cDTt ∗

=

Krivulje odnosa vremenskog faktora T i prosječnog stupnja konsolidacje , za različite vrijednosti koeficijenta n.

Uspravni se drenovi u pravilu postavljaju u pravokutnim ili šesterokutnim rasterima

Odabirom vrijednosti, R, može se regulirati proces konsolidacije u promatranom prostoru. Pri tom ne treba zanemariti hidraulički proračun radijusa utjecaja drena ovisno o vodoravnom koeficijentu filtracije kh i drugim prethodno navedenom čimbenicima.

Izvedba drenova

Ugradnja šljunčanih pilota

Savitljivi, predgotovljeni dren: lijevo plastični, desno prirodna vlakna

Savitljivi (meki) drenovi, lijevo detalj, desno shema gužvanja u nasipu

Uređaj za ugradnju savitljivih (mekih) drenova

Polje s ugrađenim uspravnim, plastičnim drenovima

Uspravna drenaža s vakuumom

Polje podvrgnuto vakuum konsolidaciji

Detalj izlaza cijevi ispod nepropusne membrane

Šljunčani stupovi (piloti)

Ugradnja šljunčanih stupova, pilota je odavno poznati način poboljšanja podtemeljnog tla. Izvodili su se nekom od tehnika za izvođenje pilota, s tim da je umjesto betona u tlo ugrađen šljunak. Nove tehnologije znatno su proširile mogućnosti izvedbe šljunčanih stupova kao i njihovu učinkovitost. Danas se izvode uz vibriranje, što bitno povećava poboljšanje podtemeljnog tla u smislu dodatnog zbijanja. Ovako zbijenije tlo ima povećanu čvrstoću na smicanje čime je povećana nosivost, smanjeno slijeganje, ubrzano dreniranje, a smanjena je i opasnost od likvefakcije.

Ugradnja šljunčanih stupova je bila jedna od prvih mjera za ublažavanje posljedica likvefakcije. Šljunčani stupovi imaju dvostruki učinak. Kada se izvode nekom od metoda opisanih u poglavlju o pilotima, koje bitno zbijaju okolno tlo, tada imaju učinak zbijanja. U tu se svrhu primjenjuju u rahlim nekoherentnim tlima i u mekim, koherentnim tlima.

Prilikom potresa, šljunčani stupovi otežavaju nastanak likvefakcije u njoj sklonom tlu. Jedan od razloga je različita krutost šljunčanih stupova i okolnog tla. Na šljunčane stupove, kod kojih su dominantne gravitacijske sile, nije moguć tako snažan utjecaj ubrzanja od potresa. Šljunčani stupovi djeluju drenirajuće i trenutno mijenjaju sliku pornih pritisaka u korist povećanja efektivnih naprezanja u okolnom tlu.

Tehnologije izvođenjaU svim tehnikama izvođenja smisao je da se postigne:1) zbijanje okolnog tla;2) punjenje nastalog prostora nekoherentnim tlom veće propusnosti od okolnog tla.

Temeljno je da se ugradnja vrši usporedo s dubinskim vibriranjem te se na taj način zbija okolno tlo, ali se zbija i ugrađeni kameni agregat te postižu značajni učinci.

Šljunčani pilot punjen odozgo

Detalj - shema izvođenja šljunčanog stupa punjenog odozgo: 1 vibriranje i stvaranje otvora; 2 ubacivanje šljunka; 3 vibriranje šljunka; 4 gotovi stup

Stroj za izvedbu šljunčanih stupova u radu

Šljunčani stupovi na površini tla

Složene tehnike poboljšanja

Najnovija istraživanja u SAD-u se kreću u području primjene više metoda poboljšanja temeljnog tla istovremeno.

1. Razvoj numeričkih modela za simulaciju i izučavanje zgušnjavanja tla prilikom ugradnje šljunčanih stupova i postupka dinamičkog zbijanja;

2. Određivanje parametara kojim se utvrđuje gustoća tla po završetku postupka stabilizacije pri oba postupka;

3. Razvoj uputa za projektiranje povećanja gustoće tla korištenjem navedenih postupaka.

Zbijanje uvibriranim šljunčanim stupovima bez i s dodatkom savitljivih drenova

Ogledni raspored šljunčanih stupova i mekih drenova