Mechanika zemin

1. Vznik zemin , fáze zeminy, půdně mechanické vlastnosti, obsah pevné fáze (složení - velikost částic), mineralogické (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

4 základní procesy

• Denudace (různé typy zvětrávání- fyzikální, chemické)

• Transport a ukládání• 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, (povrchová absorpce vody), rozlišujeme hydrolýzu, výměnu kationtů, oxidaci, rozpouštění atd.

Klima vliv podnebí, topografie, biologických faktorů

Transport

•Reziduální zeminy (eluvia) vznikly zvětráním a nebyly transportovány

Transportované zeminyDeluviagravitační projevy na svazích (svahové z.)z.)

Aluviazeminy transportované vodou

Struktura zemin

MAKROSTRUKTURA - Velké měřítko, sledujeme texturu zeminy - vrstvičky zemin, trhliny a místa oslabeníoslabení

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)• Bentonit (stavebnictví)

Disperzní struktura

Umělý stav pomocí chemických látek, výslednice všech sil je záporná, kontakt je záporná, kontakt stěna - stěna

Flokulace

Sedimentace v moři, výslednice

všech sil je kladná, všech sil je kladná, kontakt hrana -

stěna

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)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.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 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 dopočítatv % 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 zrndx 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)

Celkový objem po rů ( )pVe =

Celkový objem po rů ( )

Celkový objem pevné fáze ( )p

s

Ve

V=

3 poměry objemů

(1) Číslo p=orovitosti e (dáno desítkov ě, 0.65)

(2) Pórovitost n (dána procentn ě, 65%)

Celkový objem po rů ( )

Celkový objem pevné fáze ( )p

s

Ve

V=

(2) Pórovitost n (dána procentn ě, 65%)pro e = 1 je n = 50%

(3) Stupeň nasycení Sr (dán desítkov ě, 0,25)

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=

Stupeň nasycení - saturace

• Dělení zemin dle Sr:vysušené - Sr = 0,0 suché - Sr = 0 až 0,22zavlhlé - Sr < 0,25vlhké - Sr = 0,25 až 0,80vlhké - 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 1,0 0,40 50 29 13,0 18,5Stejnozrnný 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 (3)Hydraulická vodivost

Která zemina (A či B) má vyšší hydraulickou vodivost? A)

e = 0.91

B)e = 0.65

Voda může snadněji proudit zeminous vyšší hydraulickou vodivostí

Pórovitost (4)•

A)e = 0.91

• Ucpání

B)e = 0.65

Malá částice nemůže projít skrz pór

Obsah vody v zemině

• Vlhkost (hmotnostní) w (dána procentn ě )

Hmotnost vody ve vzorku ( )100%

Hmotnost vzorku vysušeného ( )v

s

Mw

M= ⋅

• Pro některé organické zeminy w>100% až do 500 %• Pro „quick“ jíly (sensitivní), w>100%

• Hustota vody (závisí na teplotě)

s

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)

HmotnostHustota,

Objem

Tíha HmotnostObjemová tíha, =

g

ρ

γ

=

×=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

Objemová tíha, =Objem Objem

: gravitační zrychlení

9.81sec

Voda, 9.8

g

mg

kNm

γ

γ ρ ρ

γ

=

= ⋅ = ⋅

=

Hmotnosti zeminy

• a. Objemová hmotnost suché zeminy

• b. Objemová hmotnost zeminy v p řirozeném uložení (0%<S<100%, Nenasycená)

Hmotnost pevných částic( )

Celkový objem vzorku ( )s

d

M

Vρ =

• c. Objemová hmotnost pln ě nasycené zeminy (S=100%, Va =0)

• d. Objemová hmotnost zeminy pod hladinou vody

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.

wsat' γ−γ=γ

vytlačené tělesem.

• Hustota pevných částic (měrná hmotnost pevných částic):

• Měrná tíha pevných částic:

ss

s

M

Vρ =

s s gγ ρ= ⋅

Zeminy nesoudržné charakteristiky

Zeminy soudržné charakteristiky

Index plasticity

Stupeň konzistence

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.během okamžiku.

Jílové

částice

Voda

Typical Values of Specific Gravity

•

Otázky a odpovědi

1. Zapamatujte si základní definice w, e, ρs, Sr,

2.Fáze v zemině přes zobrazení fází.3.Pokud nemám objem tělesa, tak 3.Pokud nemám objem tělesa, tak

předpokládám Vs=1 or Vt=1,.

PříkladU neporušeného vzorku o průměru 120 mm a výšce 30 mm byla zjištěna hmotnost m, hmotnost vysušeného vzorku ms, měrná hmotnost zrn ρρρρs, vlhkosti na mezi tekutosti wL a plasticity wP.Stanovte objemovou hmotnost přirozeně vlhké (ρρρρ) i vysušené (ρρρρd) zemi-ny, vlhkost (w), pórovitost (n), číslo pórovitosti (e), stupeň nasyce-ní (S ), číslo plasticity (I ), pórovitosti (e), stupeň nasyce-ní (Sr), číslo plasticity (IP), stupeň konzistence (IC), plasticitu a konzistenci. Dále stanovte objemovou hmotnost plně nasycené zeminy (ρρρρsat) a objemovou tíhu zeminy pod vodou (γγγγsu). m [g] ms [g] ρs [kg/m3] wL [%]wp [%]

Velikost zrn

Křivka zrnitosti

Zkoušky

Charakteristiky křivky

Charakteristiky křivky (2)

Zrnitostní křivka

Proctorova zkouška

•

Křivky zhutnění

•

Jednotný systém klasifikace UCSCS

•

Dělení štěrků

Trojúhelníkový digram

•

Popis zeminy

•

Voda v zemině

Darcyho zákon

•

Propustoměr

•

Koeficient propustnosti

•