Documentcc

MEHANIKA SVOJSTVA STIJENA

MEHANIKA SVOJSTVA STIJENADerviagid Maida

0. REZIME 0.1.Kljune rijei 1. UVOD 2. ZADATAK 3. CILJ 4. MEHANIKA SVOJSTVA STIJENA 4.1. vrstoda 4.1.1. Ispitivanje vrstode 4.2. Reoloka svojstva 4.3. Tvrdoda stijena 4.4. ilavost 4.5. Habanje stijena 4.6. Elastinost 4.6.1. Ispitivanje elastinosti 4.7. Plastinost 4.8. Tiskotropnost 5. ZAKLJUAK 6. LITERATURA 7. PRILOZI 7.1. Slikovni prikazi 7.2. Tabelarni prikazi

2


0.

REZIME

U okviru izuavanja inenjerske petrologije, kao discipline inenjerske geologije, spada i izuavanje mehanikih svojstava stijena. Mehanika svojsta stijena se ispoljavaju ako su stijene izloene djelovanju sile. Takvo naprezanje moe biti statiko i dinamiko, odnosno sa mirnim i uestalim djelovanjem sile. Osnovna mehanika svojstva stijena su vrstoda, reoloka svojstva, tvrdoda, ilavost, habanje, elastinost, plastinost i tiskotropnost. Mehanika svojstva stijena imaju utjecaj na izvoenje radova i eksplotaciju stijenskih masa, te na obradu i primjenu stijena u graevinarstvu. 0.1. Kljune rijei vrstoa-je otpor koji stijena prua ako je izloena pritisku i smicanju Tvrdoa-je otpor koji stijena prua prodiranju drugog tijela u masu Reologija-je oblast fizike koja prouava svojstva materijala u funkciji napona, deformacija i vremena ilavost-je otpor koji stijena prua udaru i uestalom djelovanju sile Habanje-je svojstvo stijena da se troi pri sili trenja Elastinost-je svojstvo stijena da pod djelovanjem vanjskih sila mjenjaju oblik i zapreminu Plastinost-je svojstvo stijena da mjenjaju forme, tj. da se deformiraju bez razaranja Tiskotropnost-je svojstvo koloidnih smjesa gline i vode da pod mehanikim utjecajem trenutno prelaze iz elatinoznog u teljivo stanje

1.

UVOD

Mehanika svojstva stijena su uzeta kao tema seminarskog rada prvenstveno zato to imaju veoma veliki uticaj kako na primjenu stijena u graevinarstvu i izvoenje radova, tako i na samu eksplotaciju stijena. U okviru ovog seminarskog rada biti de izloena osnovna podjela mehanikih svojstava stijena, odnosno tvrdoda, reoloka svojstva, vrstoda, ilavost, habanje, elastinost, plastinost i tiskotropnost. Pored same podjele, rad de sadravati i naine ispitivanja vrstode i elastinosti, dok de u okviru ostalih segmenata podjele bit opisani naini odreivanja, moduli koji se koriste, izrazi po kojima se izraunavaju pojedina svojstva kao i odreeni tabelarni i slikovni prikazi.

2.

ZADATAK

Zadatak ovog seminarskog rada jeste da u osnovnim crtama predstavi osnovna mehanika svojstva stijena, naine odreivanja i izraunavanja, odnosno prikazivanja odreenog svojstva. Takoer namjena ovog seminarskog rada je da pokae kako mehanika svojsta utiu na stijene kao i na primjenu stijena u graevinarstvu, posebno kako je pojedino svojstvo bitno i vezano za odreeni segment graevinarstva, kao npr. elastinost pri temeljenju visokih brana i drugih velikih i tekih objekata visokogradnje.

3


3.

CILJ

Cilj izbora Mehanika svojstva stijena kao naslov seminarskog rada jeste taj,da se u okviru tog naslova predstavi jedan dio izuavanja inenjerske petrologije. Ovaj naziv je izabran zato to omogudava da se u okviru njega obradi osnovna podjela mehanikih svojstava stijena, nain ispitivanja, osnovne metode, module i izraze pomodu kojih se odreuju i izraavaju svojstva. S druge strane,ovaj naslov spreava opirnost, odnosno da se eventualno drugaijim izborom naslova, obuhvate i ostali segmenti izuavanja inenjerske geologije,kao npr. fizika ili tehnoloka svojstva.

4.

MEHANIKA SVOJSTVA STIJENA

Mehanika svojstva stijena se ispoljavaju ako su stijene(materijali) izloene djelovanju sile. Takvo naprezanje moe biti statiko i dinamiko, odnosno sa mirnim i uestalim djelovanjem sile. 4.1. VRSTOA vrstoda je otpor koji stijena prua ako je izloena pritisku(istezanju, savijanju, uvijanju) i smicanju. Kontinualno djelovanje djelovanje sile, uz postupan prirast, u stijeni izaziva tzv. statiku vrstodu. vrstoda zavisi od tvrdode materijala(Mohsova skala), zatim naina njihove agregacije, dodirne povrine zrna, poroznosti, mehanike otedenosti, svjeine, vrste i koliine veziva, vlanosti, smrzavanja, odmrzavanja itd. vrstoda stijene pod pritiskom ispituje se laboratorijski,na kockama standardnih dimenzija. Takvi uzorci se izlau presi, dok uzorak ne prsne. Opteredenje je ravnomjerno cijelom povrinom kocke, uz nesprijeeno bono irenje. Sila N kojom se optereduje svaki cm 2 povrine, u trenutku sloma je mjera za statiku vrstodu stijene pod pritiskom(slika 1). Ispitivanje se vri na najmanje tri uzorka istog materijala, a reprezentativni rezultat je osrednjena vrijednost, ime je odreena jednoosna(monoaksijalna) vrstoda stijene (tabela 1). Vlanost znaajno utjee na vrstodu stijena. Utjecaj vlanosti na vrstodu izraava se koeficijentom omekavanja(kom), kao kolinik vrstode vodom zasidenog uzorka('p) i vrstode suhog uzorka(p): Kom='p/p (kom je u pravilu manji od 1) U odnosu na vrijednosti, u graevinskoj praksi su najpovoljnije stijene ako je kom0,9-1,0; mogu se koristiti i stijene sa kom0,6-0,9, dok se stijene sa kom0,6 ne preporuuju pri upotrebi materijala za gradnju. In situ vrstoda se ispituje hidraulikom presom u istranim potkopima, po istom principu postupnog opteredenja razupore gore-bono, ili dolje-bono,do sloma stijenskog materijala. vrstoda na savijanje (s) se odreuje na uzorcima prizmatinog oblika, principom prikazanim na slici 2. Ovaj vid vrstode se izraava kao kolinik maksimalnog momenta na savijanje i otpornog momenta za pravougli presjek, prema relacijama:

4


Ms=pL/4 ; W=bh2/6 pri emu je : s=Ms/W=pL/4/(bh2)/6=3pL/2bh2 gdje su : Ms p L W b h - maksimalni momenat na savijanje (Nm); - sila kojom se djeluje na uzorak (N); - duina prizmatinog uzorka (m); - otporni moment (m3); -irina uzorka; -visina uzorka (m).

Sa geotehnikog stanovita, vrstoda stijena je najvanije mehaniko svojstvo. Od nje zavise iskopi, prosijecanje, zasijecanje i usijecanje pri povrinskim i podzemnim radovima,kao i tehnoloka svojstva. vrstoda nekoherentnih i koherentnih stijena zavisi od krupnode, zaobljenosti i homogenosti zrna, minerolokog sastava, zbijenosti i vlanosti stijene. Osnovni pokazatelji vrstode su kohezija ( c ) i ugao unutranjeg trenja ( o). Ako se u stijeni mijenja samo vlanost ,onda oba parametra, a osobito , izravno zavise od nje. Funkcionalna zavisnost ovih pokazatelja moe se izraziti kao: =tg + c, gdje su: -vrstoda.odnosno smiudi (tangencijalni) napon stijene; -normalni napon kojem je stijena izloena. Kako nekoherentne stijene nemaju koheziju (c=0), a to je: =tg Parametri vrstode se odreuju (iskazuju),jednoaksijalnim opitom (vrstodom), opitom direktnog smicanja i triaksijalnom opitom, u zavisnosti da li sila djeluje iz jednog, dva ili tri smijera. 4.1.1.Ispitivanje vrstode U praksi, najede se primjenjuje ispitivanje vrstode Casagrandeovim opitom direktnog smicanja, pri kojem se uzorak vertikalnog optereduje, a horizontalno smie. Apliciranje pritiska je postupno, uz konsolidaciju, iza koje slijedi horizontalno smicanje u jednakim vremenskim razmacima, sve do sloma. Oitanjem horizontalnih deformacija konstruira se - dijagram, tj.smiudi napon-horizontalna deformacija (slika 3)

5


4.2. REOLOKA SVOJSTVA Reologija je oblast fizike koja prouava svojstva materijala u funkciji napona, deformacija i vremena. Ta svojstva se manifestiraju: Sporim, plastinim teenjem se neprekidnim porastom deformacija pri stalnom opteredenju (puzanje); Pojavom neprekidnog opadanja naprezanja, bez promjene deformacija (relaksacija); Snienjem vrstode tokom vremena (vremenska vrstoda). Karakteristinom krivom puzanja prikazane su reoloke pojave ispoljene puzanjem (slika 4).vrstoda koja odgovara odreenom trajanju opteredenja naziva se vremenska vrstoda. Na slici 5. dat je dijagram standardne vrstode. Minimalna vrijednost vremenske vrstode, poklapa se sa asimptotom krive r, i predstavlja granicu vremenske vrstode (slika 5).Kod vedine stijena, vremenska vrstoda predstavlja 50-80 % vrijednosti laboratorijski odreene standardne vrstode. Ilustracije radi, navode se relacije vremenskih vrstoda za neke stijene u tabeli 2. 4.3. TVRDOA STIJENA Tvrdoda je otpor koji stijena prua prodiranju drugog tijela u masu. Zavisi od tvrdode minerala koji je izgrauju, te jaine izmeu njih, bilo da su veze neposredne ili posredne,i prirode veziva. Relativna tvrdoda se izraava Mohasovom skalom od 1 do 10, dok se tvrdoda stijena utvruje skleroskopskim ogledom i izraava u N/m2, ili zapreminom mase koju istiskuje otrica skleroskopa odreene teine (slika 6). Najvedu tvrdodu imaju sitnozrne stijene sa tvrdim mineralima,npr. magmatske stijene, kvarcitkvarcni pjear,itd. malu tvrdodu imaju stijene sastavljene od mehkih minerala,kao i stijene povezane slabim vezivom (gipsiti, soli,glinci). Tvrdoda stijene ima utjecaj na izvoenje radova i eksplotaciju stijenskih masa, te na obradu i primjenu stijena u graevinarstvu. 4.4. ILAVOST ilavost ili dinamika vrstoda je otpor koji stijena prua udaru i uestalom djelovanju sile i zavisi od sklopa, odnosno mineralnog sastava. Na ilavost utjeu i poroznost, te svjeina sastojaka. Za stijene koje nisu otporne na udar, kae se da su krte. ilavost se ispituje padanjem malja od livenog eljeza teine 500 N, sa sve vede i vede visine, dok ne nastupi razaranje uzoraka kockastogoblika, sa duinom ivice 5 cm i izraava se izrazom: din=R/Vu , gdje su: din -ilavost ili dinamika vrstoda stijene (J/cm3); R -silapotrebna za razaranje uzorka (J); Vu -zapremina uzorka (cm3) (tabela 3).

6


Poznavanje ilavosti ima znaaj pri koritenju stijena izloenih dinamikom djelovanju, zatim pri buenju i iskopu, te obradi stijena. 4.5. HABANJE STIJENA Habanje je svojstvo stijena da se troe pri sili trenja, to dovodi do smanjenja mase, odnosno zapremine. Ono ne zavisi samo od tvrdode minerala u stijeni, ved i od naina agregacije, svjeine sastojaka, cjepljivosti i vrste prirodnog veziva. Habanje stijena se ispituje metodom Los Angeles. Opit se sastoji u habanju 50 ili 100 N drobljenog agregata stijene u metalnom bubnju, sa 6-12 elinih kugli. Bubanj se rotira oko horizontalne osovine sa 500 ili 1000 obrtaja. Potom se prosijava i mjeri masa estica granulacije ispod 1,6 mm, stvorena udarima metalnih kugli i stijenskih agregata jednih o druge (slika 7). Drugi nain ispitivanja habanja je metoda Bhema. Habanje se vri na uzorku stijene kockastog oblika sa ivicom 7,07 cm, povrinom 50 cm2. Uzorak se postavlja na rotirajudu krunu plou, koja se okrede brzinom od 0,5 m/s. Ubrzava se stavljanjem abraziva ispod rotirajudeg uzorka, do standardnog broja obrtaja. Veliina habanja se izraava gubitkom zapremine u cm3/50cm3, ili u procentima, prema sljededem izrazu: Ha=(V1-V2)/V1 , gdje su: Ha- habanje stijena (%); V1-zapremina suhe stijene prije habanja (cm3); V2- zapremina suhe stijene poslije habanja (cm3) (tabela 4). Najnepovoljnijim se smatra veliko i nejednako habanje stijena. Poznavanje habanja stijena ima znaaj pri izgradnji puteva i ulica,odnosno za tucaniki zastor, kocku i ivinjake, izradu stepenika,mlinski kamen,bruseve itd. 4.6. ELASTINOST Elastinost je svojstvo stijena da pod djelovanjem vanjskih sila mjenjaju oblik i zapreminu, te prestankom djelovanja sile, ponovo dobiju priblino isti poetni oblik. Pri tome deformabilna sila treba biti manja od kritine, kako ne bi izazvala slom stijene. Elastinost je karakteristino svojstvo uglavnom vezanih stijena i zavisi od:vrste i tvrdode materijala, strukture i teksture,vlanosti, kao i subjektivnih inilaca, odnosno jaine i smjera opteredenja. Na elastine stijene moe se zadovoljavajudom tanosti primijeniti Hukov zakon proporcionalnosti naprezanja i deformacije: L=L P/AL , gdje su: L - deformacija uzoraka (m);

7


P A L

-koeficijent zavisan od vrste stijene; -normalna sila (kN); -popreni presjek uzorka (m2); -prvobitna duina uzorka (m).

Elastinost stijena se izraa modulem elastinosti ili Jungovim modulom, Poasonovim brojem i koeficijentom. Modul Junga (E) je sila koja uzorak jedininog poprenog presjeka izdui za iznos prvobitne duine. On nije konstantan. Poasonov broj (m), kao odnos izmeu relativne uzdune deformacije i relativnog poprenog skradenja, promjenjiv je, i varira izmeu 5-10, dok Poasonov koeficijent (), kao reciprona vrijednost Poasonovog broja iznosi od 0,1 do 0,4,za vedinu stijena,oko 0,25 (tabela 5). 4.6.1.Ispitivanje elastinosti Modul elastinosti odreuje se u laboratoriji statikim i dinamikim postupcima tzv.ultrazvunim mjerenjima na uzorcima. U terenu, najede se primjenjuje metoda tzv.hidraulikog jastuka(slika 8). Poznavanje pokazatelja elastiosti stijena ima primjenu u odreivanj podzemnih pritisaka, i pri temeljenju visokih brana i drugih velikih i tekih objekata visokogradnje. Osim toga, vrijednost modula elastinosti je odreujuda i pri usvajanju debljine obloge tunela i drugih velikih podzemnih prostorija. 4.7. PLASTINOST Plastinost je svojstvo stijena da mjenjaju forme, tj. da se deformiraju bez razaranja, djelovanjem vanjskih sila te da za razliku od elastinosti, novoostvarene oblike zadre i nakon prestanka djelovanja sila. Plastinost je karakteristino svojstvo glinovitih stijena. Ona zavisi od mineralnog sastava, koliine i sastava porne vode, kao i od kapaciteta i vrste izmjenjivih jona. Kod stijena se plastinost manifestira i pri niim temperaturama, pri odreenoj vlanosti. Plastino stanje je srednje konzistentno stanje ( konzistencija se definira kao stupanj pokretljivosti mineralnih estica u stijeni, poddjelovanjem vanjskih sila). Granica skupljanja (Ws) je granica izmeu vrstog i poluvrstog stanja konzistencije. Granica plastinosti (Wp) ili granica valjanja, odreuje se valjanjem u valjku debljine 2-3 310 m. Granica teenja (Wl) karakterizirana je vlanosti stijene na prelasku iz plastine u tenu konzistenciju (tabela 6). Na osnovu granica konzistencije i prirodne vlanosti stijene, dobivaju se karakteristine plastinosti, kao i moudnost klasificiranja materijala prema stanju konzistencije u prirodi, koja se izraava indeksom konzistencije.indeks konzistencije (Ic) definiran je izrazom: Ic=(WL-W)/IP ,gdje su: IP -Indeks plastinosti;

8


WL -granica teenja; WP -granica plastinosti; IC -indeks konzistencije; W -prirodna vlanost. Ako je IC 0 konzistentno stanje je teljivo; IC=0-1 plastino;a IC 1 vrsto. Indeks plastinosti (IP) predstavlja razliku vlanosti na granici teenja i plastinosti,tj. pokazuje koja je koliina vode potrebna da neko koherentno tlo pree iz plastinog u teljivo stanje, prema relaciji: IP=WL-WP (slika 9).

4.8. TISKOTROPNOST Tiskotropnost je svojstvo koloidnih smjesa gline i vode da pod mehanikim utjecajem trenutno prelaze iz elatinoiznog u teljivo stanje. Tiskotropnost ovisi od vrste mineralne supstance,granulacije, pH, vrste i koliine elektrolita i koliinskog odnosa vode i mineralne supstance. Praktina primjena tiskotropnosti stijena je pri injektiranju terena, kod izradnje visokih brana i stvaranja akumulacija, te pri geotehnikim konsolidacijama terena.

5.

ZAKLJUAK

Mehanika svojstva stijena predstavljaju jedan dio podjele inenjerske petrologije,koja se javlja kao disciplina inenjerske geologije. Osnovni razlog izbora ove teme za seminarski rad jeste taj to mehanika svojstva stijena imaju veoma veliki znaaj kako za same stijene, tako i za upotrebu stijena u graevinarstvu. Rad na ovom seminaru omogudio je da se proire ved ranije usvojena znanja iz podruja inenjerske petrologije, prvenstveno znanja o mehanikim svojstvima stijena. Da bi se mogao kvalitetno odradit ovaj seminarski rad, bilo je neophodno prouiti i ostala svojstva stijena, to se pokazalo jako korisno prilikom pripreme za predstojedi ispit. Na osnovu prethodnog,moe se zakljuiti da je ovaj seminarski rad omogudio da se utvrde ved steena znanja kao i usvoje neka nova, to predstavlja dobru podlogu za ispit, ali i dobar nain da se usvoje neka trajna znanja.

6.

LITERATURAInenjerska geologija; Mirza Baagid; Sarajevo; 2007 god

9


7. PRILOZI7.1. Slikovni prikazi

Slika 1: Princip ispitivanja vrstode jednoosnim opteredenjem,uz nesmetano bono irenje uzorka

Slika 2: Princip ispitivanja vrstode na savijanje

10


Slika 3: Dijagrami odnosa - (napon-deformacija)

Slika 4: Karakteristina kriva puzanja: OA poetna, trenutna deformacija; AB normalni tok deformiranja; BC ustaljeno plastino teenje (puzanje); CD porast brzine deformisanja sa momentom sloma u D.

11


Slika 5: Dijagram vremenske vrstode

Slika 6: Skleroskop 1-postolje;2-uzorak stijene;3-kanal sa skalom;4-odbojnik; 5-odskakiva;6-visina;h1-visina odskoka

12


Slika 7: Shematski presjek Los Angeles opita A-uzduni presjek;B-popreni presjek

Slika 8: ematski presjek istranog potkopa i rova sa hidraulikim jastukom

13


Slika 9: Dijagram plastinosti

14


7.2.

Tabelarni prikazi

Primjeri vrstode na pritisak nekih stijena (MN/m2) dati su u donjoj tabeli:

Stijena Gabro Balzat Dacit Granit Gnajs Mramor Krenjak Pjear Bihacit Tabela 1 Relacije vremenskih vrstoda za neke stijene: Stijena

Suhi uzorak 397 405 210 188 205 224 144 109 14

Vlani uzorak 360 306 175 140 193 205 99 96 16

Magmatske stijene Metamorfne stijene Sedimentne stijene

Smrznuti uzorak 255 251 170 138 190 204 81 78 16

vrstoda (MN/m2) standardna 76 38 30-40 3,7 3,1 1,35 Tabela 2.

dugotrajna 49 28 15-18 2,3 2,1 1,0

Kvarcni pjear Krenjak Glinac Kreda Pjeskoviti lapor Glina (zbijena)

Procentualno snienje 64,5 73,7 50-45 62,2 67,7 74,1

Primjeri ilavosti stijena: Stijena Bazalt (jedar) Bazalt (porozan) Pjear (silicijski) Mramor (sitnozrni) Mramor (krupnozrni) Kalkarenit ilavost (MN/m2) 71,1 52,8 40,3 27,2 17,0 13,3

Tabela 3.

15


Prema veliini habanja, stijene se standardno razvrstavaju na slijededi nain: Otpornost na habanje Veoma otporne Otporne Srednje otporne Neotporne Veoma neotporne Veliina habanja (%) Do 4 4-6 6-10 10-15 15

Tabela 4.

Vrijednost modula elastinosti (E) i Poasonovog koeficijenta () nekih stijena,daje se tabelarno: Modul elastinosti (GN/m2) 35,0 31,0 10,0-30,0 20,0 10,0 Poasonov koeficijent 0,20-0,36 0,05-0,25 0,25-0,30 0,20-0,30 0,35-0,40

Granit Kvarcni pjear Mramor Krenjak Lapor

Tabela 5.

Standardno se razlikuje sedam stanja konzistencije,odnosno, takva stanja se ispoljavaju unutar tzv. Atterbergovih granica: Stanje konzistencije Redni broj 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Granice konzistencije (Atterberg) Podruje skupljanja(WS) Granica plastinosti(WP) Granica teenja(Wl)

Okvirno stanje vrsto Plastino Teno

Pojedinano stanje vrsto poluvrsto ilavo-plastino Ljepljivo-plastino ilavo-teno Gusto-teno Rijetko-teno

Tabela 6.

16

Documents

Documentcc