m01

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
FAKULTA STAVEBNÍ
Dr. Ing. Michal Varaus
Pozemní komunikace II
MODUL 1
Zeminy, zemní práce
STUDIJNÍ OPORY
PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA
© Michal Varaus, Brno 2005
OBSAH
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
HYPER15
Úvod
Cíle
Cílem je seznámit Vás se základními druhy zemin, jejich zatříděním pro potřeby dopravních staveb a základními zkouškami. Dále jsou uvedeny požadavky při budování zemního tělesa, informace o vodním režimu v podloží, funkce a druhy geotextilií. Poslední kapitola má poskytnout základní přehled o strojích, které se používají při stavbě vozovek.
Požadované znalosti
Pro studium musíte znát inženýrskou geologii, mechaniku zemin. Dále je zapotřebí oživit znalosti z fyziky pevných látek a kapalin.
Doba potřebná ke studiu
Doba potřebná pro nastudování tohoto modulu se odhaduje na cca 8 hodin .
Klíčová slova
zemina, zatřídění, zkoušky zemin, vodní režim, geotextilie, podloží vozovky, stroje pro stavbu silnic,
Zeminy – klasifikace, zkoušení, zemní práce
Základní rozdělení
Materiály zemního tělesa jsou horniny a zeminy, jejichž názvosloví a pojmenování, geologické zařazení a popis stanoví ČSN 72 1001 “Pomenovanie a opis hornin v inženierskej geológii”. Většina inženýrských oborů si vytvořila různá doplnění nebo zjednodušení klasifikace zemin podle charakteristických vlastností, které jsou pro jednotlivé obory důležité.
Pro dopravní stavby vznikla norma ČSN 72 1002 “Klasifikace zemin pro dopravní stavby”.
Co je to zemina?
Zemina = sypká nebo slabě zpevněná, snadno rozpojitelná hornina
Rozlišujeme:
Nesoudržné zeminy (sypké): zrna nejsou vázána žádnými silami (nebo jen malými), pevnost ve smyku je zajištěna pouze třením mezi jednotlivými částicemi (zrny).
Soudržné zeminy: Zdrojem pevnosti ve smyku jsou molekulární a chemické vazby mezi částečkami zeminy. Jde o zeminy, které jsou schopny plastických deformací. Částice soudržných zemin mohou mít velikost zrn ( 0,002 mm. Nasáváním vody mohou bobtnat a vysoušením se smršťovat. V suchém stavu jsou křehké, ve vlhkém stavu jsou tvárné a lepivé.
Zeminy vznikly z pevných hornin zvětráváním a rozpadnutím působením větru, vody a změnami teploty. K tomuto jevu dochází buď na místě nebo je rozvolněný materiál přemísťován (vodou, větrem, ledovcem) a vznikají nánosy (spraš, sprašová hlína). Mechanické vlastnosti i chemické složení těchto “nánosů” je různorodé.
Mechanická pevnost zemní konstrukce je značně ovlivněna intenzitou hutnění a vlhkostí zemin a vzhledem ke složitosti těchto vztahů je velmi obtížné ji určovat analytickou metodou. Teoreticky lze pomocí Boussinesqovy teorie vypočítat napětí, jež vznikají v zemině podloží a porovnat je s dovoleným napětím, které vyhovuje vnitřní rovnováze.
Je taktéž velmi obtížné stanovit parametry a jejich proměny u všech druhů zemin, z nichž se staví silniční těleso, a proto je účelné charakterizovat zeminu několika základními mechanickými a fyzikálními vlastnostmi zjištěnými poměrně snadnými zkouškami.
Zkoušky zemin
Základní zkoušky, které se provádějí na zeminách při stavbě vozovek :
granulometrické složení (sítový rozbor) ( zjednodušené hodnocení namrzavosti zemin
mez tekutosti wl, mez plasticity wp, mez smršťování ws
index plasticity Ip
index konzistence Ic (pro stanovení vodního režimu v podloží)
Proctorova zkouška
Zkouška CBR (za optimální vlhkosti)
Přímá zkouška namrzavosti zemin
Relativní ulehlost Id
Sítový rozbor a čára zrnitosti
Zkouškou zrnitosti zemin, jež patří k základním laboratorním zkouškám identifikujícím zeminu, se určuje procentuální hmotnostní množství zrn určitého rozmezí zkoušené zeminy. Zkouška zrnitosti se provádí ve dvou posloupných operacích, jednak mechanicky proséváním zeminy (zkouška prosévací nebo promývací) sadou sít až do nejmenší velikosti síta s otvory 0,063 mm (případně 0,125 mm), jednak kombinovanou metodou hustoměrnou nebo usazovací pro částice menší než 0,063 mm (příp. 0,125 mm).
Výsledky zkoušky zrnitosti se vynášejí graficky do čáry zrnitosti, která je součtovou čárou hmotnostního podílu dílčích frakcí. Na ose x jsou vyneseny v logaritmickém měřítku průměry zrn, resp. otvory sít, na ose y v lineárním měřítku procentuální vyjádření propadů zrn jednotlivými síty.
Prosévací zkouška se provádí na sítech se čtvercovými otvory velikosti 0,063 – 0,125 – 0,250 – 0,500 – 1,000 – 2,000 – 4,000 – 8,000 – 11,200 – 16,000 – 22,400 – 31,500 – 42,000 – 63,000.
Hustoměrná zkouška spočívá v tom, že se zemina rozmíchá ve vodě, vytvoří se suspenze a potom se určuje její hustota ve stanovených časových intervalech. Hustota suspenze se postupně snižuje s rostoucím usazováním zrn a z toho se odvozuje množství a velikost zrn, jež v jednotlivém okamžiku ještě nesedimentovaly. Vychází se ze Stokesova principu, ketrý stanovuje usazovací rychlost kuliček daného průměru.
Výsledky prosévací a hustoměrné zkoušky jsou vyneseny do grafu – čáry zrnitosti (viz výše). Pro další zjištění vlastností zeminy je však nutno provést další laboratorní zkoušky.
Tabulka 1.1: Označení zrn podle ČSN 72 1001
Velikost zrn
[mm]
Označení
0,002 (
0,002 – 0,063
Jíl
Prach
0,063 – 0,250
0,250 – 1,000
1,000 – 2,000
Písek
Jemný
Střední
Hrubý
2,000 – 8,000
8,000 – 32,000
32,000 – 128,000
Štěrk
Drobný
Střední
Hrubý
128 – 256
Kameny
256
Balvany
Třídění a označování druhu zemin se provádí odlišně pro zeminy s rozhraním zrna 2,0 mm. Pro názornou klasifikaci zemin o zrnění menším než 2,0 mm je zvolen rovnostranný trojúhelník, jehož strany jsou určeny k vynášení obsahu jílovitých zrn (( 0,002 mm), prachovitých zrn (0,002 až 0,063 mm) a písčitých zrn (0,063 až 2,0 mm). Tíhové procentuální podíly jednotlivých rozmezí zrn se vynášejí souřadnicemi rovnoběžnými s příslušnými stranami trojúhelníku (vychází z ČSN 72 1001) viz obr.1.1
Název soudržných zemin se doplňuje údajem Atterbergových mezí konzistence. Pro rozlišení jílovitých zemin od ostatních je především rozhodující index plasticity. Pokud je Ip(17 %, jedná se o jíl. Když je Ip( 17 jedná se o hlíny a dále písky.
Obr. 1.1: Trojúhelníkový diagram
Obsahuje li zemina více jak 50 % zrn větších jak 2 mm, mluvíme o štěrku (podstatné jméno v názvu zeminy).
Obsahuje-li zemina méně jak 50 % zrn větších než 2 mm, tvoří se název zeminy z názvu podílu zrn do 2 mm jako samostatné zeminy a doplní se přívlastkem se štěrkem, s udáním hodnoty podílu štěrku.
Pokud je podíl zrn menších než 2 mm větší jak 25 % přidá se přídavné jméno, je-li podíl zrn menších jak 2 mm 25 % a méně, označí se jako příměs.
Bahnitý náplav (0,0002 – 0,002 mm) bývá velmi zvodnělý, často s organickými zbytky
Jíl ( do 0,002 mm) obsahuje jílové minerály (kaolinit, montmorillonit, illit, haloysit) a malé částečky křemene, slídy, živce apod. Konzistence jílu může být tekutá až tuhá. Množství vody, které jíl pojme závisí především na velikosti zrn.
Slín je vápenito-jílovitá zemina s různým poměrem obou složek.
Hlína je směs jílu, prachu a písku (štěrku) bez vápníku. Podle poměru jednotlivých složek bývá nazýván např. písčitá hlína, jílovitý písek, hlinitý písek apod.
Spraš je prachovitá nevrstevnatá zemina vzniklá vyvátím a usazením. Hlavními částicemi spraše mohou být křemen, opuka, vápenec, živec apod. Spraš vykazuje velkou stlačitelnost.
Slatina je organogenní zemina, skládající se většinou z organických zbytků rostlin.
Hnilokal je zbahnělá zemina prachového charakteru tmavé barvy a nízké objemové hmotnosti, příznačného hnilobného zápachu. Obsahuje rostlinné zbytky. Konzistence kašovitá až tuhá.
Rašelina je organogenní sediment, vzniklý z odumřelé rostlinné hmoty pod vodou. Má tmavě hnědou barvu a nízkou objemovou hmotnost.
Ornice (humus) je vrchní vrstva půdy obsahující bakterie, a velký obsah organických součástí.
Zjednodušeně lze usuzovat na základě zrnitosti na namrzavost zemin. V tomto případě je uplatňováno tzv. Casagrandeho kritérium: zemina je nenamrzavá pokud je podíl částic ( 0,02 mm ( 3 % (viz obr. 1.2).
Obr. 1.2 Namrzavost zemin podle zrnitosti
Přímá zkouška míry namrzavosti zemin
Přímá laboratorní zkouška stanovení míry namrzavosti zemin (ČSN 72 1191) napodobuje účinek mrazu na vozovku při stálém vodno-tepelném režimu. Vzorek zeminy se nahutní podle ČSN 72 1015 (Proctor) při optimální vlhkosti na max. obj. hmotnost. Nahutněný váleček zeminy se vloží do tepelně izolačních prstenců a na horní plochu válečku zeminy se osadí chladicí deska, kterou se zchlazuje vzorek na –4oC. Zespodu se vzorek sytí vodou o teplotě cca +4oC. Voda vzlíná směrem nahoru k nulové izotermě a pokud je zemina namrzavá, začne se horní část válečku vlivem tvorby ledových čoček uvnitř válečku zvedat. Zdvih válečku je měřen snímačem. Míra namrzavosti zemin se určuje vyhodnocením parametru (..
( = (h/ ((Im)0,5
( h = naměřený zdvih zkoušeného vzorku (mm)
Im = index mrazu (oC.h)
Nenamrzavá zemina (( 0,25
Mírně namrzavá a namrzavá ( = 0,25 – 0,5
Nebezpečně namrzavá zemina ( ( 0,5
Obr.1.3: Tvorbaledových čoček
Mez tekutosti, mez plasticity, index plasticity, index konzistence
Konzistenci zeminy, tedy stav zeminy v závislosti na vlhkosti, vyjadřuje její odolnost proti deformaci. Podle vlhkosti může být konzistence zeminy :
Tuhá (pevná, bez smršťování),
Polotuhá (pevná se smršťováním),
Plastická,
Tekutá.
Přechod jednotlivých stavů je spojitý a rozhraní mezi jednotlivými stavy je vymezeno tzv. Atterbergovými mezemi: mez tekutosti wl, mez plasticity (vláčnosti) wp, mez smršťování ws.
Obr.1.4: Přístroj pro stanovení meze tekutosti
Obr. 1.5: Atterbergovy meze
index plasticity :
Ip = wl – wp
index konzistence Ic - na základě kterého je možné stanovit vodní režim v podloží :
Ic = wl – w / Ip
Zkouška Proctor standard a Proctor modifikovaný
Cílem Proctorovy zkoušky je stanovení tzv. optimální vlhkosti zeminy, při které je možné zeminu nahutnit na max. obj. hmotnost. Zemina dovezená do laboratoře se nejdříve vysuší, po vysušení se vzorek rozdělí na několik dílčích vzorků, z nichž se každý přivlhčí jiným množstvím vody. Tyto se pak zhutní pomocí pěchu do Proctorova hrnce. Z váhy nahutněné zeminy v hrnci a známých rozměrů hrnce se vypočítá obj. hmotnost vlhké zeminy,  která se na základě zjištěné vlhkosti přepočítá na objemovou hmotnost suché zeminy. Ta se pak vynese do grafu pro jednotlivé vlhkosti dílčích vzorků. Body v grafu se proloží křivka a