Plaanid puhkusele minna? Võta endale majutus AirBnb kaudu ja saad 37€ kontoraha Tee konto Sulge
Facebook Like

PM Loengud (1)

4 HEA
Punktid
 
Säutsu twitteris
V.Jaaniso Pinnasemehaanika 1. SISSEJUHATUS Kõik ehitised on ühel või teisel viisil seotud pinnasega. Need kas toetuvad pinnasele vundamendi kaudu, toetavad pinnast ( tugiseinad ), on rajatud pinnasesse (süvendid, tunnelid ) või ehitatud pinnasest (tammid, paisud) (joonis 1.1). a) b) c) d)
J o o n is 1 .1 P in n a s e g a s e o tu d e h i tis e d v õ i n e n d e o s a d .a ) p i n n a s e le t o e t u v a d ( m a d a l - j a v a iv u n d a m e n t) b ) p i n n a s t t o e t a v a d ( t u g is e in a d ) c ) p in n a s e s s e r a j a tu d ( tu n n e li d , s ü v e n d i d d ) p in n a s e s t r a j a tu d ( ta m m i d , p a is u d )
Ehitiste koormuste ja muude mõjurite tõttu pinnase pingeseisund muutub, pinnas deformeerub ja võib puruneda nagu kõik teisedki materjalid. See põhjustab pinnasega kontaktis olevate ehitiste deformeerumist või püsivuse kaotust. Töökindlate ja ökonoomsete ehituste kavandamiseks on vaja teada pinnase käitumise seaduspärasusi. Pinnasemehaanika tegelebki pinnases tekkivate pingete ja deformatsioonide ning tugevusprobleemide uurimisega ja tema ülesandeks on teoreetiliste aluste loomine konkreetsete konstruktsioonide ­ vundamendid , tugiseinad, tunnelid ­ projekteerimiseks ja ehitamiseks. Seega on pinnasemehaanikal samasugune roll vundamentide , tugiseinte jne projekteerimisel nagu tugevusõpetusel ja ehitusmehaanikal teras-, puit- ja raudbetoonkonstruktsioonide puhul. Eraldi distsipliini tekkimise tingis esiteks pinnase kui materjali põhimõtteline erinevus tavalistest ehitusmaterjalidest. Pinnas on dispersne materjal, mis koosneb üksteisega sidumata või väga nõrgalt seotud osakestest . Erinevalt teistest ehitusmaterjalidest on pinnase deformatsioonid seotud peamiselt tema mahu muutusega. Pinnase tugevus ja jäikus on mitme suurusjärgu võrra väiksem kui terasel , betoonil või puidul. Olulist osa pinnase käitumisel omab poorides olev vesi. Teiseks on käsitletavad ülesanded erinevad. Kui ehitusmehaanika vaatleb enamasti varrassüsteeme, siis pinnasemehaanika tegeleb tasand- või ruumiülesannetega. Pinnasemehaanika aluseks on teoreetiline mehaanika ja deformeeruva keha mehaanika ­ tugevusõpetus, elastsusteooria , plastsusteooria ja roometeooria. Käsitletav materjal erineb oluliselt tavalistest ehitusmaterjalidest. Viimased on enamasti inimese poolt soovitud omadustega valmistatud. Pinnased on looduslik produkt , mille omadusi tavaliselt ei saa muuta. Looduslikult tekkinud materjalid on keerulisemad , ebaühtlase koostisega. Nende ehitust ja omadusi aitab paremini mõista tekketingimuste tundmine . Pinnasemehaanika on tihedalt seotud geoloogia distsipliinidega, esmajoones insenergeoloogiaga. Kõigi ehitusmaterjalide puhul tuleb nende omadused katseliselt määrata. Terase, puidu või betooni puhul on võimalik tugevuse või jäikuse määramine tuhandete üksikkatsetega. Tehase tingimustes on materjali tootmine kontrolli all ja koostise ning tehnoloogilise protsessi nõuete täitmine tagab materjali vajalikud omadused. Projekteerijal ei ole vaja tegeleda katsetamisega vaid ta saab vajalikud omadused tabelitest. Vastutusrikkamatel juhtudel ehitusel tehtavad üksikud katsed (näiteks betooni tugevuse määramiseks) tehakse kontrolli eesmärgil. Pinnaste puhul on olukord sootuks teistsugune. Igal ehitusplatsil on oma geoloogiline ehitus. See võib olla muutlik isegi ühe ehituskoha piires. Seepärast on paratamatult igal konkreetsel juhul vajalikud uuringud pinnase ehituse ja omaduste määramiseks. Projekteerijal peab olema selge ettekujutus , milliseid omadusi on vaja määrata ja milliseid meetodeid selleks kasutada. Rakenduslikud distsipliinid ­ vundamentide, tunnelite, tammide, teede jne projekteerimine ­ kasutavad pinnasemehaanika loodud arvutusmudeleid, lisades kogemusel tugineva varutegurite süsteemi ja konstruktiivsed võtted. Ehitusgeoloogia , pinnasemehaanika ja eelnimetatud rakendusalad on väga tihedalt seotud, moodustades ühe komplekse süsteemi. Seda kompleksi on hakatud nimetama geotehnikaks. Kokkuvõtlikult võib öelda, et ehitusgeoloogia annab loodusega seotud alusinformatsiooni, pinnasemehaanika teoreetilised arvutusmudelid ning pinnase omaduste määramise meetodid ja vundamentide, allmaa-ehitiste, maanteede jne projekteerimist käsitlevad distsipliinid konstruktiivsed eeskirjad ning varutegurite süsteemi. Võrreldes teiste ehitustehnika distsipliiniga on geotehnikal rida iseärasusi. 1. Projekteerimiseks vajalikud lähteandmed on enamasti väga ligikaudsed. Pinnase ehituse saab selgitada piiratud hulga puuraukude andmete alusel. Puuraukude vahele jääva pinnaseprofiili kohta võib teha vaid oletusi(joonis 1.2). Üksikute pinnasekihtide omadusi saab määrata piiratud arvu katsetega. 1
P u u ra u g u d
J o o n is 1 .2 T e g e lik u d ja p u u ra u k u d e a n d m e te l m ä ä ra tu d lih tid e e ra ld u sp iirid
2. Pinnase omaduste määramine on keerukas. Proovide võtmisel, transportimisel ja katseseadmesse paigutamisel on raske tagada pinnase looduslikku struktuuri ja osakeste vaheliste sidemete säilimist. Seepärast ei anna katsed alati pinnase looduslikule olekule vastavaid tulemusi. 3. Pinnased on oma olemuselt keerukamad kui enamik ehitusmaterjale ­ nad on kihilise ehitusega, anisotroopsed , deformatsiooni sõltuvus pingest ei ole lineaarne. 4. Tegemist on tasand- või ruumiülesannetega ja sellest tulenevalt on vajalik leida vastavalt 3 või 6 üksteisest sõltumatut pinge ning pine (suhteline deformatsioon ) komponenti ning määrata seosed nende vahel. 5. Mudelkatsete tegemine teoreetiliste seoste kontrollimiseks on keerukas kuna on tülikas modelleerida pinnase omakaalu mõju. Eeltoodu tõttu kujunevad teoreetilised lahendid mõnede probleemide korral sedavõrd keerukateks, et nende kasutamine praktiliste inseneriprobleemide lahendamiseks ei ole võimalik. Seda mitte niivõrd matemaatiliste probleemide, kuivõrd matemaatilistes mudelites kasutatud parameetrite usaldusväärse määramise seadmete puudumise tõttu. Sageli on otstarbekam rangete teoreetiliste lahenduste asemel ligikaudseid praktikas kontrollitud empiirilisi või poolempiirilisi seoseid . Varemainitud tegurid on ka põhjuseks pinnasemehaanika kui teadusliku distsipliini suhteliselt hilises tekkes . Geotehnika on suhteliselt noor teadusharu . Ehitustegevus on alati seotud pinnasega. Pikka aega mängis seejuures olulist rolli proovimise ja eksimise meetodil omandatud praktiline kogemus. Esimeseks tõsiseks teoreetiliseks tööks pinnasemehaanika valdkonnas oli Coulomb ' pinnasesurve teooria aastal 1776. Teatud ülesannete puhul kasutatakse Coulomb' teooriat senini . Laiemalt on Coulomb' tuntud oma töödega elektri ja magnetismi valdkonnas. Kuid enne seda tegeles sõjaväe ehitusinseneri põhiharidusega Coulomb' praktilistel eesmärkidel pinnase tugevuse ja pinnasesurve probleemidega. Töötades pärast ülikooli lõpetamist Prantsuse asumaal Martinique saarel kindlustuste rajamisel lahendas ta küsimuse pinnasesurve suurusest ja jaotusest seintele. Tema osa pinnasemehaanikas on sama oluline kui füüsikas. Pärast Coulomb' töid oligi põhiliseks uurimisobjektiks pinnasesurve probleemid . Tuntumad on soti insener ja füüsik Rankine , matemaatik H.Poincare, Culmani, Engesseri tööd. Tööstuse ja tehnika tormiline areng möödunud sajandi teisel poolel tõi kaasa vajaduse seninägemata ehitiste püstitamiseks ­ raudteed, sillad , kõrghooned, hüdroelektrijaamad jne. Sellega kaasnesid probleemid, mida ei saanud enam ainult kogemuse alusel kuigivõrd otstarbekalt lahendada. Oli vaja teoreetilisi aluseid, et mõistliku varuga tagada vundamentide kandevõime ja vajumi jäämine talutavatesse piiridesse , nõlvade, tugiseinte ja tunnelite püsivus. Möödunud sajandi lõpul ja käesoleva algul tehti rida uurimisi, mille tulemused on tänapäevalgi inseneripraktikas kasutusel. Boussinesq'(1885) ja Flamant'( 1892) lahendused pingejaotuse kohta pinnases, Darcy ( 1856 ) uurimused pinnase veejuhtivuse kohta, Zimmermanni (1888) meetod pinnasele toetuvate liiprite arvutamiseks, Atterbergi (1911) uurimused savipinnase plastsusest ja pinnase liigitusest on ainult üksikud näited selle kohta. Kuid tolleaegsed teadmised pinnase omadustest ja käitumisest ehitise koosseisus ei moodustanud ühtset süsteemi, vaid koosnesid üksikutest omavahelise loogilise seoseta osadest. Põhiliseks takistuseks süstemaatilisele teaduslikule lähenemisele oli asjaolu, et ei mõistetud pinnase mehaaniliste omaduste olemust ega osatud neid määrata. On üldtunnustatud, et kaasaegsele pinnasemehaanikale pani aluse prof . K.Terzaghi oma töödega möödunud sajandi kahekümnendatel aastatel. Omakonstrueeritud seadmetega tehtud eksperimentaalsed pinnase mehaaniliste omaduste ­ tugevuse ja kokkusurutavuse ­uuringud näitasid, et pinnas ei ole lihtsalt osakeste kooslus , vaid süsteem. Mehaanilised omadused sõltuvad suuresti sedimentatsiooni käigus tekkinud osakeste vahelistest sidemetest . Nende sidemete rikkumine pinnasproovi võtmisel ja teimimisel moonutab oluliselt pinnase mehaanilisi omadusi. Koos K.Terzaghi poolt formuleeritud klassikalise pinnasemehaanika nurgakiviks oleva efektiiv - ja neutraalpingete kontseptsiooni ja konsolidatsiooniteooriaga moodustasid need uuringud just selle "tsemendi", millega sai ühendada senised teadmised uueks teadusharuks ­ pinnasemehaanikaks. K. Terzaghi raamatu "Erdbaumechanik auf bodenphysikalisher Grundlage" ilmumist 1925 aastal loetakse klassikalise pinnasemehaanika alguseks. 1936 aastal toimunud I Rahvusvahelise Pinnasemehaanika ja Vundamendiehituse Ühingu (International Society for Soil Mechanics and Foundation Engineering ­ ISSMFE) konverents pani aluse ala edasisele intensiivsele arengule. Klassikaline pinnasemehaanika rajaneb oma põhialustes suhteliselt lihtsatel mudelitel. Deformatsioonide arvutamisel käsitletakse pinnast kui lineaarselt deformeeruvat materjali. Tugevusega seotud küsimuste käsitlemisel ei pöörata deformatsioonidele tähelepanu ja pinnast vaadeldakse kui ideaalselt plastset materjali. Enamike praktiliste ülesannete lahendamiseks on sellistel eeldustel põhinevad meetodid piisava täpsusega. Kuid need meetodid ei võimalda siiski lahendada suurt hulka geotehnika probleeme. Väga suurte koormuste korral ei saa enam eeldada lineaarset seost pinge ja deformatsiooni vahel. Klassikalised meetodid ei võimalda arvutada vundamendi vajumit juhul kui pinnase tugevus tervikuna on tagatud, kuid ammendatud teatud piiratud massiivi osas. Raskused tekivad deformatsioonide prognoosimisega suure muutuva koormuse juhul. 1960 aastate keskpaigast alates algas kaasaegse mittelineaarse pinnasemehaanika areng ja käesoleval ajal on tänu kaasaja arvutustehnika võimalustele leidnud rakendusi ka inseneripraktikas. Organisatsiooniliselt ühendab eriala spetsialiste endiselt eelmainitud ühing, mis nüüd kannab nimetust International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering ­ ISSMGE . Alates 1992 aastast on ühingu liige ka Eesti, kandes nimetust Eesti Geotehnika Ühing ­ EGÜ. Varem koordineeris geotehnika probleemide lahendamist Eestis ehitusgeoloogia komisjon . Ehitusgeoloogia komisjoni 2
ja EGÜ on organiseerinud Eesti geotehnika konverentside korraldamist. Ajavahemikus 1961 kuni 2002 on toimunud 12 konverentsi. Koostöös Läti ja Leedu kolleegidega on korraldatud Balti konverentse. Viimane toimus aastal 2000 Pärnus ning võrreldes varasematega esmakordselt ISSMGE egiidi all ingliskeelsena. Geotehnika probleemide lahendamisega tegelevad peamiselt ehitusinsenerid ja ehitusgeoloogid. Viimaste osatähtsus on tavaliselt suurem projekteerimise algstaadiumis . Eriala spetsiifika tõttu on paljudes maades tekkinud spetsiaalne nimetus ­ geotehnika insener. Need on tavaliselt ehitusinsenerid, kes on süvenenumalt õppinud ehitusgeoloogiat, pinnasemehhaanikat, vundamentide, allmaaehitiste ja teiste vahetult pinnasega kokkupuutuvate või pinnasest ehitatud rajatiste projekteerimise ja ehitamise eripära. Harvemini töötavad geotehnika inseneridena ehitusgeoloogiale spetsialiseerunud geoloogid , kes on ennast täiendanud ehitustehnika erialal. Real põhjustel on Eestis käesoleval ajal kujunenud teistsugune suhe geotehnikaga tegelevate spetsialistide vahel ­ ehitusgeoloogide erikaal on oluliselt suurem. Üheks põhjuseks on siin ehitusinseneride ebapiisav kompetentsus, esmajoones pinnaseuuringute valdkonnas. Kui raudbetoon -, teras- ja puitkonstruktsioonide projekteerimiseks on olemas eestikeelsed originaalõpikud, siis geotehnikat käsitlev erialane kirjandus on äärmiselt kasin ja seegi lootusetult vananenud. See on oluliseks takistuseks inseneride enesetäiendamisele geotehnika valdkonnas. Venekeelne erialakirjandus on rikkalik ja piisavalt põhjalik, kuid paljudel juhtudel veidi ühekülgne, rajanedes peamiselt nn "kodumaise teaduse" saavutustele ja seegi vananeb kiiresti. Tsiviil- ja tööstusehituse eriala jaoks mõeldud õpikutes on väga vähe käsitletud vee mõju pinnase käitumisele, hüdrodünaamilisi pingeid pinnases jne. Eesti oludes, kus pinnasevesi on sageli maapinna lähedal, on see probleem väga oluline. Vähesel määral leidub raamatukogudes inglise- ja saksakeelset kirjandust, seejuures ka suhteliselt uut. Keeleprobleemid (muide ka vene kirjanduse puhul) ei luba aga sedagi vähest täie efektiivsusega kasutada. Käesolevaga on püütud leevendada eestikeelse erialakirjanduse puudulikust. Raamat on mõeldud õpikuks ehituse eriala üliõpilastele, kuid võib olla kasulik ka teadmiste värskendamiseks ehitusinseneridele. 2. PINNASED 2.1 Pinnase mõiste geotehnikas Mõiste pinnas omab olenevalt erialast erinevat sisu. Geoloogid mõistavad pinnase all kõiki maakoore pindmist kihti moodustavaid kivimeid. Oma vaatenurk on mullateadlastel. Pinnasemehaanikas mõistetakse pinnasena looduslikke materjale, mis koosnevad üksikutest omavahel sidumata vi nrgalt seotud osakestest - teradest. Kui sidemed terade vahel esinevad, siis on nende tugevus tunduvalt väiksem terade endi tugevusest. Seega ei vaadelda allpool kaljut (rock), mille osakesed on omavahel tugevalt ühendatud ja mis moodustavad pragusid ning lõhesid sisaldava massiivi. Laialt kasutusel olev termin kaljupinnas ei ole sobiv termin. Põhisõna pinnas eeldab osakeste vahelisi nõrku seoseid, kaljul on koostisosad väga tugevalt seotud. Võrreldes tavaliste ehitusmaterjalidega on pinnased tunduvalt erinevate omadustega. Loodusliku produktina on nende omadused muutlikumad kui inimese poolt teadlikult etteantud soovitavate omadustega toodetud ehitusmaterjalidel. Nende deformeeritavus on tuhandeid vi isegi kümneid tuhandeid kordi suurem kui betoonil ja kivimaterjalidel, rääkimata metallidest. Surve- ja tõmbetugevus on väga väike vi puudub üldse. Kandevõime määrab nihketugevus . Enamasti on pinnased väga poorsed. Pinnase deformeerumine, seejuures nii mahu- kui kujumuutus, on seotud poorsuse muutusega. Rohkem kui teiste ehitusmaterjalide puhul majutab pinnase omadusi ja käitumist poorides olev vesi. 2.2 Pinnaste teke Pinnase osakesed on tekkinud aluspõhja kivimite mehaanilisel vi keemilisel murenemisel. Aluspõhja kivimiks on mitmesugused purske-, moonde- või settekivimid (graniit, gneiss , basalt, kvartsiit , marmor, liivakivi , lubjakivi jne). Mehhaaniline murenemist põhjustab vee külmumine kalju lohedes ja pragudes, temperatuurimuutused ja taimede mõju. Jäädes keemiliselt muutmatuks, laguneb mineraal (tavaliselt kvarts) järjest väiksemateks osadeks . Mehaanilise murenemise produktiks on enamasti liiva- ja kruusaosakesed . Keemiline murenemine toimub kivimite vähempüsivate mineraalide, nagu põldpagu, vilk , augiit jne. reageerimisel pinnasevees leiduvate hapete vi alustega. Keemilise murenemise tulemusel esialgne mineroloogiline koostis muutub ja moodustuvad uued, peamiselt savimineraalid. Keemiline murenemine ongi saviosakeste tekke põhjus. Enamik pinnaseosakesi teisaldatakse oma tekkimiskohalt vee, jääliustike vi tuule mõjul. Teisaldamise käigus jätkub murenemine, toimub osakeste sorteerimine ja segamine . Osakeste settimisel veekogudes, tuule vi jää kantud materjali kuhjumisel tekkinud osakeste kogumid tihenevad nende peale kogunenud osakeste kaalu mõjul. Tihenemist vi põhjustada ka maapinnale mõjuvad koormused, näiteks liustiku jää. Tihenemise kõrval mõjutavad pinnast keemilised protsessid, mille käigus võib toimuda muutusi mineraalide keemilises koostises ja tekkida osakeste tsementeerumine. On ilmne, et pinnase omadusi mõjutavad nii nende terastikuline koostis kui ka teisaldamise viis ja aja jooksul toimuvad protsessid s.o. pinnase genees . Seepärast pööratakse pinnaste uurimisel nende geneesile suurt tähelepanu. Ühesuguse koostise ja geneesiga pinnaste mehaanilised omadused on tavaliselt sarnased. See asjaolu võimaldab mõnikord geotehniliste uuringute esialgses staadiumis hinnata pinnase omadusi ilma kulukate mehaaniliste katsetusteta ja koostada otstarbekas plaan katsete läbiviimiseks põhiuuringute ajal. Ehitustegevusega seotud pinnased asuvad peamiselt maapinna lähedal. Nende tekkimisel võivad sinna sattuda mineraalsete osakeste kõrval ka taimede osakesi ja loomse päritoluga aineid. Orgaanilise aine sisaldus mõjutab üsna oluliselt pinnase mehaanilisi omadusi, neid tavaliselt halvendades. Leidub ka põhiliselt orgaanilise päritoluga pinnaseid ­ turvas , sapropeel, diatomiit jne. 2.3 Pinnase koostisosad Pinnased koosnevad mineraalsetest vi orgaanilise päritoluga teradest nn. pinnase skeletist ja teradevahelistes poorides olevast vedelikust (enamasti vesi) ja gaasist (enamasti õhk). Juhul kui pinnases on kõik kolm komponenti nimetatakse seda kolmefaasiliseks pinnaseks. Täiesti kuivas pinnases puudub poorides vedelik ja veeküllastatud pinnases õhk Sellised pinnased on kahefaasilised. Olulisem osa pinnase omadustele on skeletil ­ osakeste suurusel, kujul ja mineroloogilisel koostisel. Vee mõju pinnase omadustele on seda suurem mida peeneteralisem on skelett . Teatud mõju avaldab ka poorides olev õhk, kuid võrreldes teiste komponentidega on tema osakaal pinnase omaduste kujunemisel tagasihoidlikum. 2.4 Pinnaseosakeste suurus ja kuju Pinnaseosakeste suurus varieerub väga laiades piires ­ alates kividest, mille läbimõõt võib olla kümnetest sentimeetritest kuni kolloidosakesteni suurusega alla 0,001 millimeetri. Jättes kõrvale jämeda fraktsiooni ( kivid ) kuuluvad pinnaseosakeste hulka kruusa , liiva, mölli ja saue terad . Pinnaseosakeste nimetused nende suuruse järgi on kokkuleppelised. Üldiselt on need seotud erinevustega osakeste mineroloogilises koostises vi pinnase mehhaaniliste omadustega. Erinevate riikide normides ning standardites on piirid mõnevõrra erinevad sõltuvalt kasutatavast mõõtühikute süsteemist ja ka kohalike pinnaste iseärasustest. Tabelis 2.1 on esitatud osakeste nimetused Eesti normide järgi. Tabel 2.1 Pinnaseosakeste nimetused 3
1. Fraktsioon 2. Alafraktsioon Osakeste suurus d mm Rahnud >200 Veerised 60 kuni 200 Kruusa jämeterad 20 kuni 60 Kruusaterad Kruusa keskterad 6 kuni 20 Kruusa peenterad 2 kuni 6 Liiva jämeterad 0,6 kuni 2 Liivaterad Liiva keskterad 0,2 kuni 0,6 Liiva peenterad 0,06 kuni 0,2 Mölli jämeosakesed 0,02 kuni 0,06 Mölliosakesed Mölli keskosakesed 0,006 kuni 0,02 Mölli peenosakesed 0,002 kuni 0,006 Saueosakesed 0,06 mm) hulk määratakse sõelanalüüsi teel. Peenemate osakeste hulga määramiseks kasutatakse kaudset viisi ­ terade läbimõõdu sõltuvust nende langemiskiirusest vees. Seejuures vi osakeste hulga leida kas pipettanalüüsi vi areomeetri abil. Kuna viimase tegemine on tunduvalt lihtsam ja ta tagab piisava täpsuse, siis on alljärgnevalt kirjeldatud ainult seda. 2.10.1 Sõelanalüüs Lõimise määramiseks sõelutakse 200 kuni 2000 grammi eelnevalt kaalutud kuiva pinnast läbi sõeltekomplekti. Pinnase hulk sõltub terade suurusest ­ mida jämedamad terad seda suurem peab olema sõelutav kogus. Eestis kasutatakse tavaliselt sõelu avadega 10, 5, 2, 1, 0,5, 0,25 ja 0,1 mm. Igale sõelale jäänud terad kaalutakse. Edasi leitakse iga läbimõõdu kohta sellest peenemate terade massi suhe kaalumiseks võetud kogumassiga. Tulemused kantakse graafikule, mille horisontaalteljel on tera läbimõõdu logaritm ja vertikaalteljel antud läbimõõdust väiksemate (vastava avasuurusega sõela läbinud) terade massi ja kogumassi suhe protsentides (joonis 2.12). 8
100
Summaarne sisaldus % 90 80 3 70 6 4 60 1 50 2 40 5 30 20 10 0 0 ,0 0 1 0 ,0 1 0 ,1 d10 1 d60 T e ra s u u r u s m m
J o o n is 2 .1 2 L õ im ise k õ v e r. 1 ) M ö llin e liiv , 2 )p e e n liiv , 3 ) k e s k liiv , 4 ) k ru u s liiv , 5 ) m a d ala p la stsu se g a s av i, 6 ) k es k m is e p la stsu se g a sa v i Ühendades graafikule kantud punktid saame nn. lõimisekõvera. Lõimisekõver annab võimaluse hinnata uuritava pinnase terade suurust ja jaotust. Jaotuse iseloomu saab üldjoontes hinnata visuaalselt. Graafiku horisontaalne osa viitab vastava läbimõõduga fraktsiooni puudumisele pinnases, vertikaalne osa aga vastupidi, sellise läbimõõduga fraktsiooni suuremale hulgale. Mida pikem on graafik , seda erinevama suurusega teradest pinnas koosneb st. seda ebaühtlasem ta on. Pinnase ebaühtluse täpsemaks iseloomustamiseks määratakse joonisel näidatud kaks iseloomulikku diameetrit d60 ja d10. Viimast nimetatakse efektiivdiameetriks. Nende suhet
d 60 U= d10 nimetatakse lõimiseteguriks ja see iseloomustab lõimise ebaühtlust. Kui U>3, siis nimetatakse seda ebaühtlase terastikulise koostisega pinnaseks, vastasel korral ühtlaseks.
2.10.2 Areomeeteranalüüs Areomeetri kasutamine pinnase lõimise määramiseks baseerub füüsikast tuntud Stokes 'i valemile. Viimane annab sfäärikujulise keha langemiskiiruse (cm/s) seisvas vedelikus olenevalt terade läbimõõdust ja tihedusest ning vedeliku viskoossusest ja tihedusest
s - w 2 v=g d , (2.1) 180 kus s on pinnaseosakeste mahumass (tihedus) g/cm3 w vee tihedus g/cm3 vee viskoossus Pas (Pas = 0.1 puaasi) d tera läbimõõt cm g raskuskiirendus cm/s2 (980,7) Analüüsiks võetakse tavaliselt 30 kuni 50 grammi pinnast, mis on läbinud 0,1 mm avadega sõela Pinnas segatakse veega suspensiooniks, millele lisatakse terade koaguleerimise vältimiseks dispergeeriva toimega ainet (naatriumpürofosfaati, kloorkaltsiumi vi teisi). Suspensioon kallatakse 60 mm diameetriga ja 1 liitrise mahutavusega silindrilisse mõõtklaasi, lisatakse vett suspensiooni mahuni 1 liiter ja segatakse hoolikalt, nii et pinnaseosakeste jaotus suspensioonis oleks võimalikult ühtlane. Kui suspensiooni segatud pinnase kaal oli mt, siis selle maht on Vt = mt/s. Ülejäänud osa kogumahust V on täidetud veega, mille maht on järelikult Vw = V ­ Vt ja kaal mw = (V ­ Vt) w. Suspensiooni kogukaal on mt + mw = mt (1 ­ w/s) + V w ja järelikult selle mahumass m t s - w + 0 = w (2.2) V s Teatud sügavusel z suspensiooni pealispinnast ei ole aja t möödudes enam sellise läbimõõduga teri, mille langemiskiirus on suurem kui z/t. Stokes'i valemi alusel on selliste terade diameeter millimeetrites
0,306 z d= (2.3) s - w t kus t on aeg minutites ja z sügavus sentimeetrites. Teistel suurustel on valemiga 2.1 samad ühikud. Samal ajal kui sügavusel z puuduvad terad mille läbimõõt on suurem kui d , ei ole sellest peenemate osade hulk seal muutunud. Nii palju kui neid on teatud mahust allapoole langenud nii palju neid ka ülaltpoolt samasse mahtu juurde tulnud. Järelikult 9
on teatud mahust sügavusel z kadunud kõik osad, mille läbimõõt on suurem kui d, kõigi väiksemate osade hulk aga säilinud muutumatuna. Tähistame osakeste, mille läbimõõt on väiksem kui d, kaalu ja osakeste kogukaalu suhte n-ga. Sel juhul osakeste kaal sügavusel z ajahetkel t on nmt/V ja suspensiooni mahumass
n m t s - w z = + w (2.4) V s millest
s V n= (z - w ) (2.5) - s w m t Seega on n fraktsiooni, mille läbimõõt on väiksem kui valemiga 2.3 leitud d, suhteline hulk pinnases. Tavaliselt antakse n protsentides. n ja d abil saab teha samasuguse lõimisekõvera kui sõelumise andmetest. n ja d määramiseks tuleb teatud hulgal ajahetkedel ja fikseeritud sügavustel määrata suspensiooni mahumass. Vee viskoossus ja tihedus sõltuvad temperatuurist ja see tuleb fikseerida . Suspensiooni mahumassi määramiseks kasutatakse areomeetrit. Lõimise analüüsiks kasutatavad areomeetrid on tavaliselt gradueeritud tihedustele 0,995 kuni 1,030 g/cm3. Eeldusel et suspensiooni mahumass muutub sügavuti lineaarselt, annab areomeetri lugem mahumassi suuruse vees oleva osa mahukeskmes. Seega peab areomeetri kalibreerima ja andma tabelina mahukeskme kauguse veepinnast zr iga areomeetri lugemi kohta. Kalibreerimisel peab määrama ka nn. 0 lugemi vea, see tähendab puhtas destilleeritud 20 kraadises tehtud lugemi erinevus 1,000-st. Tuleb arvestada, et saviosakeste kuju erineb tunduvalt Stokes'i valemis eeldatud sfäärilisest. Seepärast ei anna setteanalüüs pinnaseosakeste mingit faktilist mõõdet, vaid sellise sfäärilise tera ekvivalentse diameetri, mis langeb vees sama kiirusega, kui tegelik plaatja kujuga tera. 2.10.3 Pinnase liigitus terastikulise koostise alusel Pinnaseid liigitatakse mitmesuguste tunnuste alusel. Liigitada võib tekkeviisi ehk geneesi järgi, terastikulise koostise alusel, plastsusomaduste järgi vi võttes aluseks tugevuse ning kokkusurutavuse. Olenevalt kohalikest traditsioonidest ja ka esinevatest pinnaseliikidest kasutatakse erinevates riikides ja ka erinevates ametkondades erinevaid liigitussüsteeme. Eestis on seni kasutatud endise NSVL GOSTe ja kogu senine ehitusgeoloogiline teave baseerub nendel. Seepärast on veel pika aja jooksul oluline tunda GOSTidel rajanevat klassifikatsiooni. Seoses tihedamale koostööle põhjamaade, lääne- ja keskeuroopaga on vaja tunda ka seal kasutatavaid pinnase klassifikatsioone. Meil senikasutatud klassifitseerimissüsteemi aluseks oli GOST 25100-82. Analoogiline jaotus on aluseks ka " Ajutised juhised ehitusgeoloogiliseks uurimiseks Eesti NSV-s".(Tallinn 1971 ). Viimases on liigitus mõneti üksikasjalikum. GOST järgi liigitatakse terastikulise koostise järgi ainult jämeteralisi pinnaseid. Savipinnaste liigituse aluseks oli plastsusomadused. Jämeteralised pinnased jaotatakse jämepurdpinnaseks ja liivpinnaseks. Jämepurdpinnased(kruus, rähk) on teradevaheliste sidemeteta (vi väga väikese tugevusega sidemetega) ja plastsuseta pinnased, mille koostises on üle 50% teri läbimõõduga üle 2 mm. Liivpinnased jaotatakse olenevalt koostisosade suurusele järgmisteks alaliikideks: - kruusliiv osakesi > 2 mm rohkem kui 25% - jämeliiv osakesi > 0,5 mm rohkem kui 50% - keskliiv osakesi > 0,25 mm rohkem kui 50% - peenliiv osakesi > 0,1 mm rohkem kui 75% - tolmliiv osakesi > 0,1 mm vähem kui 75 % Maailmas üks tuntuimaid klassifitseerimissüsteeme on "ühtne pinnase klassifitseerimissüsteem (ASTM D-2487)" (unified soil classification system). Selle järgi jaotatakse kõik pinnased kahte suurde gruppi ­ jämeteralised ja peenteralised pinnased. Esimestel on osakesi läbimõõduga üle 0,075 mm rohkem kui 50% ja teistel vähem kui 50%. Esimene grupp jaguneb omakorda kruusadeks ja liivadeks olenevalt 4,75 mm jämedamate terade hulgast. Kui neid on üle poole, siis on tegemist kruusa, muidu liivaga . Edasi jaotatakse nii kruusad kui liivad koostise ühtluse järgi (d60/d10 kaudu) ja peente osakeste osatähtsuse kaudu. Peeneteraliste pinnaste peenem jaotus toimub niinimetatud Casagrande plastsuskaardi abil Eeltoodud liigituse põhimõtet on kasutatud ka Eesti projekteerimisnormides (tabel 2.4). Tabel 2.4. Pinnaseliigitus Eesti projekteerimisnormide alusel Rühm Liik Alaliik Peenosise sisaldus 15 - 40 Savikas liiv 20 40 %
2 ­ 60 mm 15 - 40 pinnas (peen- etralin
Möllpinnas Sauesisaldus peenosises 20 10
% Savimöll 10 - 20 > 40
Möllsavi Savipinnas > 20 - 40 Sauesisaldus peenosises > 20%
Savi > 40
Selle alusel jaotatakse pinnased olenevalt põhilise terasuuruse alusel kahte rühma ­ jämedateralised pinnased ja peeneteralised pinnased. Mõlemates rühmades on kaks pinnaseliiki. Jämepinnaste hulka kuuluvad kruuspinnas ja liivpinnas, peenpinnase hulka möllpinnas ja savipinnas. Olenevalt peenosise ja sauesisaldusest jaotuvad eelnimetatud liigid alaliikideks. Näiteks möllikas kruus, mölline liiv, savimöll, möllsavi. Liide -kas viitab vähesele peenosise hulgale, liide -ne suuremale. Alaliigi põhinimetuste ­ kruus, liiv, möll ­ ette võib lisada enamesineva alafraktsiooni nimetuse (jäme-, kesk-, peen-).
2.11 Kaalulis-mahulis suhted pinnastes Kaalulis-mahulis suhete all mõistetakse selliseid pinnase omadusi nagu mahumass (tihedus), poorsus , poorsustegur , veesisaldus , küllastusaste jne. Venekeelses kirjanduses on neid nimetatud ka pinnase füüsikalisteks omadusteks. Ilmselt on füüsikalised omadused palju laiem mõiste, kui ainult tiheduse, pooride hulga ja veesisaldusega seotud suurused. Sobiv võiks olla ka mõiste ­ tunnusomadused. Kõige otstarbekam on eeltoodud omadusi defineerida joonisel 2.13
Õ hk
Vp mw V esi
mt M in e r a a l Vt osa d
J o o n is 2 .1 3 P in n a s e k o o s tis o s a d .
toodud suuruste kaudu. Joonisel on pinnase koostisosad - terad, vesi ja gaas - üksteisest eraldatud. Vt tähistab terade mahtu, Vp pooride mahtu, gt terade massi ja gv vee massi. Võrreldes terade ja vee massiga on gaasi mass tühine ja sellega ei ole vaja arvestada.
2.11.1 Mahumass (tihedus) ­ . Pinnaste puhul on otstarbekam kasutada füüsikalise mõistena tuntud tiheduse asemel mõistet mahumass. Tihedust kasutatakse geotehnikas ka terade omavahelise pakkimistiheduse tähenduses ­ kohev ja tihe pinnas. Näiteks lause "väga tiheda turba mahumass on väiksem koheva liiva mahumassist" annab mõtte edasi selgemalt, kui lause "väga tiheda turba tihedus on väiksem koheva liiva tihedusest". Mahumass on pinnase mass mahuühikus, seega
+ = mt mw kg/ m 3 (t/ m 3) (2.6) Vt+ Vp
Kuna mahumass on geotehnilistes arvutustes kasutatav suurus, tuleb ta määrata võimalikult täpselt. Loodusliku pinnase mahumass määratakse enamasti lõikerõnga meetodil. Selleks surutakse lõikerõngas, milleks on lahtiste otstega silinder , üleni pinnasesse. Pinnase tihenemise vältimiseks ei tohi, eriti liiva puhul, lõikerõnga süvistamiseks kasutada lööke ega vibreerimist. Enne rõnga väljavõtmist toestatakse selles asuv pinnas altpoolt plaadiga. Seejärel tasandatakse ülemine pind sirge servaga noaga ning niiskuse kao vältimiseks kaetakse samuti plaadiga. Pinnasega täidetud lõikerõngas kaalutakse koos plaatidega. Kui sellest kaalust lahutada rõnga ja plaatide kaal, saame rõngas oleva pinnase massi. Rõnga mõõtmete ­ siseläbimõõdu ja kõrguse ­ kaudu leiame pinnase mahu ja võime arvutada mahumassi. Lõikerõngas peaks olema võimalikult õhukeseseinaline, ühest otsast teritatud servaga ja piisavalt suure läbimõõduga, et vältida pinnase tihenemist proovi võtmisel. Läbimõõt peab olema seda suurem, mida jämedamad on pinnaseosakesed. Kui puhastel savidel piisab 40 mm läbimõõduga silindrist, siis liivadel on vajalik diameeter vähemalt 100 mm ja kruusateri sisaldaval moreenil 300 ja enam millimeetrit. Pinnastel, milledesse lõikerõnga surumine ei ole võimalik, (kõva savi või jämedaid teri sisaldav savipinnas) saab mahumassi määrata parafineerimise meetodil. Selleks valmistatakse suvalise kujuga proovikeha , millel ei tohiks olla teravaid nurki ja pinnale ulatuvaid tühemikke. Proov kaalutakse ja kaetakse seejärel kuuma parafiini kastmise teel parafiinikihiga. Kaaludes parafineeritud proovi, saame kahe kaalumise vahest parafiini kaalu ja teades tema mahumassi, saame arvutada ka mahu. Parafineeritud proovi saab kaaluda vees ilma, et tema veesisaldus muutuks. Arhimedese seaduse põhjal saab arvutada parafiiniga kaetud proovi mahu. Lahutades sellest eelnevalt leitud parafiini mahu, saame ebakorrapärase geomeetrilise kujuga pinnaseproovi mahu. Eeltoodu alusel saab mahumassi arvutada valemiga 11
m pinnas = (2.6) m pinnasparaf - m pinnasparafvees m pinnasparaf - m pinnas - vesi paraf Looduslike pinnaste mahumass on enamasti piires 1500 kuni 2100 kg/m3. Orgaanilist ainet sisaldavatel pinnastel võib ta olla väiksem ­ turbal näiteks isegi 1000 kg/m3. Väga tihedatel moreenidel võib olla ka mõnevõrra suurem eespooltoodud piiridest.
2.11.2 Erimass (pinnase osakeste mahumass) s Erimass on pinnase osakeste mahumass mahuühikus. Kasutades joonisel 2.13 toodud suurusi saame
mt s = kg/ m 3 ( t/ m 3) (2.7) Vt Pinnased koosnevad suhteliselt vähestest mineraalidest - kvartsist ja nn savimineraalidest. Nende mineraalide mahumass ei erine väga oluliselt. Kvartsil on see 2660-2670 kg/m3, savimineraalidel mõnevõrra suurem - 2700 -2850 kg/m3. Seetõttu saab osakeste mahumassi sageli piisava täpsusega leida ilma otsese katselise määranguta eeldusel, et pinnaseliik on teada. Keskmised osakeste mahumasside väärtused on esitatud tabelis 2.5. Tabel 2.5 Pinnase terade mahumassi keskmised suurused
Pinnase liik Mahumass kg/m3
Liiv 2670
Savimöll 2700
Möllsavi 2720
Savi 2750
Juhul kui pinnases leidub teisi mineraale või orgaanilist ainet, tuleb osakeste mahumass määrata katseliselt. Selleks puistatakse uuritava pinnase proov peene kaelaga anumasse , püknomeetrisse ja see kaalutakse (m2). Seejärel täidetakse anum selle kaelal oleva märgini veega ja kaalutakse jälle (m3). Kui nüüd täita anum ainult veega kaelal oleva märgini ja kaaluda (m4) ning on kaalutud ka tühi anum (m1), siis on olemas vajalikud andmed - pinnase mass ja maht - mahumassi arvutamiseks. Pinnase mass on m2 - m1. Ainult veega täidetud anumas on vee maht (m4 - m1)/w, kus w on vee mahumass. Anumas pinnase ja veega on sama kogumaht ning vee maht (m3 ­ m2)/w. Järelikult on pinnase maht nende vee mahtude vahe ning pinnaseosakeste mahumassi saab arvutada valemiga
m 2 - m1 s = w (2.8) m 4 - m1 - m3 + m 2 Vajaliku täpsuse saavutamiseks peab kasutama destilleeritud ja keetmisega deaereeritud vett ning kõik kaalumised tegema ühesugusel temperatuuril (20° C). Vees lahustunud gaase võib eraldada ka vakumeerimisega. Viimane moodus on ainuvõimalik, kui vees lahustuvate pinnaseosakeste puhul kasutatakse muud vedelikku näiteks petrooleumi.
2.11.3 Veesisaldus e. niiskus w Pinnase veesisaldusest sõltuvad otseselt savipinnase mehaanilised omadused. Samaaegselt on ta üks lihtsamini määratav pinnase omadus. Seepärast tehakse veesisalduse määranguid geotehnilisel uurimisel võimalikult suurel hulgal. Veesisalduse (mõnikord nimetatakse vene keele terminoloogia mõjul ka niiskuseks) mõistet kasutatakse paljudel erialadel , kuid selle tähendus võib olla erinev. Geotehnikas mõistetakse veesisaldusena alati vee ja pinnaseosakeste massi suhet. Joonisel 2.13 toodud tähistuste kaudu on veesisaldus järelikult
w = mw (2.9) mt Veesisaldus väljendatakse suhtarvuna või protsendina. Veesisalduse määramiseks kaalutakse pinnaseproov ja seejärel kuivatatakse püsiva kaaluni temperatuuril 105° C. Sellisel temperatuuril eraldub pinnasest kogu vaba vesi ja suurem osa seotud vett. Teatud osa seotud vett jääb siiski pinnasesse. Kõrgema temperatuuri kasutamine võimaldaks ka sellest vabaneda, kuid siis võivad hakata lagunema ka teatud mineraalid . Seepärast on valitud temperatuur tinglik ja kokkuleppeline ning tulemuste omavaheliseks võrreldavuseks tuleb sellest veesisalduse määramisel kinni pidada. Looduslike pinnaste veesisaldus kõigub tunduvalt laiemas diapasoonis kui mahumass. Väga tihedal savipinnasel on ta isegi pooride täieliku veeküllastuse puhul ~ 10%. Nõrgal, voolava konsistentsiga lääne-eesti viirsavil võib see ulatuda 80% ja turbal mõnesaja protsendini. 2.11.4 Arvutuse teel leitavad näitarvud Peale eelnevalt vaadeldud otseselt teimimisega määratavate suuruste kasutatakse geotehnikas veel teisi näitarve, mida saab leida arvutuse kaudu, kasutades , s ja w väärtusi. Kuivmahumass (kuivtihedus, skeleti mahumass) d on kuiva pinnase mass kogumahus. Joonisel 2.13 kasutatud tähiseid kasutades 12
mt d = (2.10) V t + Vp Arvestades, et
m t + m w ja et V t + Vp = m w = w mt saame kuivmahumassi leida valemist
d = (2.11) 1+ w Mõnikord määratakse d otseselt teimimisega, kuivatades enne kaalumist lõikerõngas oleva pinnase. Sellisel juhul tuleb lõikerõnga juurest looduslikust pinnasest võtta veel proovid pinnase veesisalduse määramiseks. Eeliseks on asjaolu , et ei ole vaja mahumassi määramiseks vajalikku suurt pinnaseproovi kaitsta veesisalduse vähenemise eest. Väikest proovi, mille abil saab määrata veesisalduse, on aga hõlpsam isoleerida . Mahumass arvutatakse sel juhul valemiga
= d (1 + w) (2.12) Poorsus n on pooride mahu ja pinnase kogumahu suhe ja seega kirjutatav kujul Vp n= = 1- d (2.13) V t + Vp s Sagedamini kui poorsust kasutatakse geotehnikas poorsuse iseloomustamiseks mõistet poorsustegur e, pooride ja terade mahu suhet. Eeliseks on asjaolu, et pooride mahu muutus (näiteks pinnase tihenemisel) on võrdeline poorsusteguriga e, poorsusega n aga mitte. Koos pooride mahuga muutub ka kogumaht. Terade maht jääb aga muutumatuks. Poorsusteguri saab avaldada kujul
V p s e= = -1 (2.14) V t d n ja e on omavahel seotud ja arvutatavad juhul kui ühe suurus on teada, järgmiste seostega n e e= n= 1- n 1+ e Arvestades, et poorsus tähendab sisuliselt pooride mahtu ühikulises pinnase mahus , võib terade mahu ühikmahus väljendada seosega 1/(1+e). Terade ja pooride mahu summa peab olema järelikult üks
1 e 1 n+ = + =1 1+ e 1+ e 1+ e Viimasel ajal on pinnase pooride suhtelist hulka hakatud väljendama nn. erimahuga v ( Wood 1990)
Vt + Vp s v = 1+ e = = (2.15) Vt d Pinnase tihenemisel on v muutus võrdeline pinnase mahumuutusega ja ühikulise pinnaga pinnasesamba kõrguse muutusega, see tähendab vajumiga. Paljudel juhtudel võimaldab v kasutamine e asemel kirjutada lihtsamalt matemaatilisi avaldusi .
Pinnase pooride veega täitumise astme iseloomustamiseks kasutatakse mõistet küllastusaste Sr (Iw). See näitab, kui suur osa pooride mahust on täidetud veega ning on järelikult defineeritav kui vee ja pooride mahu suhe. Kuna vee maht on gw/w, siis
m w = m w = m w s = w s Sr = (2.16) w V p w V t e w m t e e w Sr suurus on vahemikus nullist üheni. Täiesti kuival pinnasel Sr=0 ja täielikult veega küllastunud pinnasel Sr=1. Liiva võib lugeda veeküllastunuks kui Sr>0,8. Siis on poorides olev vesi hüdrauliliselt seotud ja kehtib Arhimedese seadus terade kaalukaotuse kohta. Täielikult veeküllastunud pinnase (Sr=1) kohta kehtib seos
s e=w (2.17) w 13
Seega täielikult veeküllastunud pinnase poorsusteguri leidmiseks piisab, kui on määratud selle veesisaldus ja liik (liiv või savi). Mahumassi kasutamine geotehnilistes arvutustes on ebamugav. Näiteks pinnase omakaalust põhjustatud pinge arvutamisel tuleb mahumass korrutada kihi paksusega ja seejärel veel raskuskiirendusega g. Otstarbekam on kohe mahumass korrutada raskuskiirendusega ja kasutada arvutustes selliselt saadud suurust ­ mahukaalu = g. Analoogselt siis ka kuivmahukaal d = d g ja terade mahukaal ehk erikaal s = sg. Sobiv ühik mahukaalu jaoks on kN/m3.
2.11.5 Liivpinnase tihedust iseloomustavad näitarvud Liivpinnase tiheduse (osakeste paigutustiheduse) hindamiseks kasutatakse mõistet tihedusaste ID (suhteline tihedus Dr), mis leitakse seosest
e max - e ID = , (2.18) e max - emin kus e on uuritava pinnase poorsustegur, emax on pinnase poorsustegur maksimaalselt kohevas olekus, emin on pinnase poorsustegur maksimaalselt tihedas olekus. emin määratakse kuiva pinnase vibreerimise ja tampimisega kindla mahuga silindris kuni selle kaal enam ei suurene. Seejärel arvutatakse max ja emin. emax leidmiseks kallatakse kuiv pinnas väikeselt kõrguselt ettevaatlikult silindrisse, mille põhja on asetatud traadist kobestaja (joonis 2.14).
J o o n is 2 .1 4 T ra a d is t k o b e s - ta j a p in n a s e s u u r im a v õ im a - lik u p o o r s u s e s a a v u ta m is e k s
Pärast silindri täitmist tõmmatakse kobestaja välja, kaalutakse silindris olev pinnas ja leitakse min ning e max. ID võib leida ka otseselt mahumasside kaudu. Kui kasutatakse kuiva pinnast, siis d = ja
max - min ID = (2.19) max - min Pinnaste jaotus tiheduse alusel K.Terzaghi järgi on toodud tabelis 2.6. Tabel 2.6 Pinnase tihedus Terzaghi järgi
ID Kirjeldus
0-1/3 Kohev
1/3-2/3 Kesktihe
2/3-1 Tihe
Das (Das 1994) annab üksikasjalikuma jaotuse, mis on toodud tabelis 2.7. Tabel 2.7 Liiva tihedus B.Das järgi
ID Kirjeldus
0-0.15 Väga kohev
0.15-0.5 Kohev
0.5-0.7 Kesktihe
0.7-0.85 Tihe
0.85-1 Väga tihe 14
Liival võib maksimaalse tiheduse saavutada tema tihendamisel õhkkuivana. Üldjuhul on aga maksimaalne tihedus saavutatav teatud optimaalse veesisalduse juures. Optimaalse veesisalduse määramiseks kasutatakse standardset Proctor' teimi vi selle modifikatsioone. Pinnas tihendatakse mitmesuguse veesisalduse juures, kasutades selleks teatud kindlat energia hulka. Standardsel Proctor' teimil tihendatakse pinnas kihikaupa (kolm võrdse paksusega kihti) 2,5 kg raskuse tambiga, mis langeb 30,5 sm kõrguselt. Tihendamine toimub anumas, mille läbimõõt on 102 mm ja kõrgus 116 mm. Tihendamise järel määratakse tihendatud pinnase kuivmahumass d. Seejärel lisatakse pinnasele vett ja korratakse katset. Saadud andmetel koostatakse graafik d sõltuvuse kohta veesisaldusest (joonis 2.15), dmax
1,72
1,70
1,68
1,66 d
1,64
1,62
1,60 10 12 14 16 18 w opt w Jo o n is 2 .1 5 P ro c to rte im i tu lem u se d .
millelt saab leida tihendamiseks vajaliku veesisalduse wopt ja antud tihendamisenergia puhul maksimaalse kuivmahumassi dmax.
2.11.6 Savipinnase plastsust iseloomustavad näitajad. Tavakogemusest on teada, et savi teatud veesisalduse puhul on plastne , see tähendab laseb ennast hästi vormida ja oma kuju muuta ilma, et puruneks ja praguneks seejuures. Savi kuivatades tema plastsus teatud veesisalduse juures kaob ning savi muutub kõvaks. Ulatuslikum kujumuutus välise jõuga kutsub esile purunemise. Lisades plastsele savile vett, võib jõuda teise piirini kus plastsed omadused kaovad ja savi muutub pudrutaoliseks või isegi voolavaks massiks. Seejuures on veesisalduse muutus, mis on vajalik, et viia algselt kõva savi voolavasse olekusse, sõltuv saviosakeste hulgast pinnases ja nende mineroloogilisest koostisest. Seetõttu on otstarbekas iseloomustada savipinnast nende iseloomulike veesisalduste kaudu, mille juures ta läheb kõvast olekust plastsesse ja plastsest voolavasse. Sellise ettepaneku tegi 1911. aastal rootslane Atterberg põllumajanduslikel eesmärkidel. Mõistes savi iseloomu selgitamise otstarbekust Atterbergi meetodil, võtsid geotehnikaga tegelevad insenerid selle peatselt kasutusele. Niinimetatud plastsuspiirid (Atterbergi piirid) on praeguseni kasutusel pinnaste liigitamisel. Neid kasutatakse ka pinnase mehaaniliste omaduste ligikaudseks hindamiseks. Sellist veesisaldust, mille puhul selle väikenegi vähendamine muudab plastse savi kõvaks, nimetakse plastsuspiiriks wP. Selle määramine on jäänud muutumatuks Atterbergist alates. Savitükike rullitakse 3 mm paksuseks nööriks seni kui ta niiskuse vähenemise tõttu hakkab pragunema ja pudenema tükkideks. Sellise olekus määratakse pinnase veesisaldus, mida loetaksegi plastsuspiiriks. Veesisaldust, mille puhul selle väikenegi suurendamine põhjustab savi muutumise plastsest voolavaks, nimetatakse voolavuspiiriks wL. Atterberg määras wL kui veesisalduse, mille puhul kaussi määritud savikiht hakkab kerge raputuse mõjul voolama, täites savikihti eelnevalt tehtud kitsa prao. Subjektiivsuse mõju vähendamiseks teimi tulemustele valmistas Casagrande aparaadi, mis tagab kausi ja selle raputamise standardsuse, lastes seda igal löögil kukkuda täpselt 10 mm kõrguselt. Kausi põhja asetakse uuritav pinnas 8 mm paksuselt ja tehakse sellesse vagu , mille laius on kausi põhjal 8 mm ning savi pinnal 11 mm. Pinnas loetakse olevaks voolavuspiiril, kui vagu 25 löögi järel täitub 13 mm pikkuselt. Teimides mitmesuguse veesisaldusega pinnaseproove, leitakse järk- järgulise lähenemisega selle tingimuse täitmiseks vajalik veesisaldus. Üksikteimide hulka on võimalik vähendada, kasutades empiiriliselt leitud seost löökide arvu ja veesisalduse vahel, mille puhul vagu pinnasega täitub (Das 1994)
w = - IF log N + C Järelikult on veesisalduse ja löökide arvu logaritmi vahel lineaarne sõltuvus. Kui mitmesuguse veesisaldusega pinnasega on määratud löökide arv ja andmed kantud poollogaritmilisele graafikule, siis läbi katsepunktide tõmmatud sirgelt saab leida 25 löögile vastava veesisalduse ­ wL (joonis 2.16).
wP wL w
0 1 IL K õva V o o la v P la s tn e
J o o n is 2 .1 6 S a v ip in n a s e o le k u s õ ltu v u s v e e s is a ld u s e s t ja p la s ts u s p iir id e s t
On esitatud empiirilisi valemeid voolavuspiiri leidmiseks ühe teimi andmetel (R. Karlsson 1981)
wn n 0,121 wL = ; wL = wn ( ) , 1,419 - 0,3 log n 25 kus n on löökide arv, mille puhul vagu täitub ja wn katsetatava pinnase veesisaldus. 15
Voolavuspiiri määramiseks kasutatakse Casagrande aparaadi kõrval ka mitmesuguseid koonusteime. Enamkasutatavad on Vassiljevi ja rootsi koonus . Vassiljevi koonus oli aluseks voolavuspiiri leidmisel vastavalt NL GOST -ile ja seda on kasutatud eranditult kõigi geotehniliste uuringute puhul Eestis. See on 76 g raskune 30° tipunurgaga koonus, mis lastakse vajuda pinnaseproovi. Savi loetakse olevaks voolavuspiiril, kui koonus vajub savisse 10 mm. Rootsi koonuse kaal on 60 grammi ja tipunurk 60°. Koonus on ühendatud statiiviga, mis võimaldab täpselt fikseerida pinnasese tungimise sügavust. Vooluspiiril olevaks loetakse pinnas kui koonuse süvis on 10 mm. wL väärtuse võib leida ka juhul kui süvis on vahemikus 7 kuni 15 mm kasutades seost (R.Karlsson)
wL = M w n + N kus
1,8 M= n 1,8 + 2 log 10 ja
n 34 log N= 10 n 1,8 + 2 log 10 Casagrande aparaadiga määratud voolavuspiir on mõnevõrra suurem Vassiljevi koonusega määratust. Rootsi koonuse puhul ei ole erinevus aga eriti oluline. Eesti savipinnaste kohta on 145 paralleelteimi andmetel saadud järgmine empiiriline sõltuvus (Lemberg 1992)
w LC = 1,11w LR - 3,06 Vassiljevi koonuse kasutamisel on erinevus suurem. Samadel andmetel on saadud empiiriline seos
w LC = 1,37 w LV - 5,42 Voolavuspiiri ja plastsuspiiri kaudu arvutatakse plastsusarv IP ja voolavusarv IL
IP = w L - w P (2.20) w - wP IL = (2.21) wL - wP IP iseloomustab pinnase "savikust". Mida suurem on IP, seda rohkem on pinnasel savile iseloomulikke omadusi. Seetõttu kasutatakse antud näitajat laialdaselt pinnaste klassifitseerimisel. "Ajutised juhised..." (1966) järgi määras savipinnase liigi plastsusarv (tabel 2.8). Tabel 2.8. Savipinnase liigitus "Ajutiste juhiste..." järgi. Liik Alajaotus Plastsusarv Ip Saviliiv Kerge 1 Ip 4 Raske 4 Liivsavi Kerge 7 rasvane Ip > 27
IL määrab savipinnase oleku, tema konsistentsi . Kui IL 1 voolav (joonis 2.17). Täpsem savipinnaste oleku liigitus "Ajutiste juhised..." (1966) järgi on toodud tabelis 2.9. Tabel 2.9. Pinnase jaotus voolavusarvu järgi. Nimetus Voolavusarv IL Kõva 0,25 - 0,5 Poolpehme > 0,5 - 0,75 Pehme > 0,75 - 1,00 Voolav > 1.0
Eesti projekteerimisnormides on savipinnast iseloomustatud voolavusarvuga (tabel 2.10) 16
Tabel 2.10. Pinnase jaotus voolavuspiiri järgi Nimetus Voolavuspiir wL % Väheplastne 50 - 70 Üliplastne > 70
Platsusnäitajate kasutamisel praktikas tuleb arvestada, et need määratakse rikutud struktuuriga proovidega. wL määratakse sisuliselt, kui piir mille puhul savipasta tugevus on väga väike, kuid siiski nii suur, et seda piisava täpsusega veel mõõta saab. Ligikaudu on savi tugevus voolavuspiiril 2÷2,5 kPa. Loodusliku struktuuriga savi, mille IL on 1, tugevus võib olla oluliselt suurem. Näiteks eesti nõrkadel savidel, mille IL on reeglina suurem kui 1, ulatudes mõnikord 1,5 vi isegi 2-ni, on tugevus tavaliselt suurem kui 14 kPa ja on kaugel "voolamisest". Muidugi tuleb arvestada, et selliste nn. peitvoolava konsistentsiga savide tugevus struktuuri rikkumise järel kahaneb oluliselt. Saueosakeste aktiivsust, nende suurust ja mineroloogilist koostist iseloomustab aktiivsustegur (Skempton 1953)
A = IP , sf kus sf on saueosakeste hulk pinnases. Mida suurem on A seda aktiivsem on pinnas. Aktiivsuse järgi jaotatakse pinnased järgmiselt: mitteaktiivsed A 1,25
3. VEE MÕJU PINNASE KÄITUMISELE
Pinnase poorides oleval veel on oluline mõju pinnase käitumisele. Vesi mõjutab pinnase mahukaalu, tugevust ja vundamendi vajumise ajalist kulgu. Vundamendi rajamine allapoole pinnasevee taset suurendab kulutusi veetõrje tõttu. Vee külmumine põhjustab külmakerkeid. Paljudest vee mõjul toimuvatest nähtustest käsitletakse käesolevalt pinnase veejuhtivust, kapillaarsust, vee külmumisega seotud protsesse pinnases ja pinge jaotust pinnase osakeste ning vee vahel. Pinnase leondumist, pundumist, kuivamiskahanemist ja teisi veega seotud omadusi käsitatakse kursuse osades, kus nende mõju esineb konkreetsete ülesannete lahendamisel.
3.1 Veejuhtivus Veejuhtivus on pinnase omadus lasta endast pooride kaudu vett läbi. Vee voolamine võib toimuda mitmesugustel põhjustel. Tähtsaim neist on gravitatsioonijõud, kuid teatud juhtudel võib see olla tingitud kapillaarjõust, temperatuuride vahest, osmootilisest rõhust vi mõnest muust tegurist. Teatavasti võib vee liikumine olla turbulentne vi laminaarne. Mida väiksem on vee liikumise kiirus ja voolukanali läbimõõt ning mida suurem on vedeliku viskoossus, seda suuremad on eeldused, et liikumine on laminaarne. Pinnastes on vee liikumise kiirus ja pooride suurus sedavõrd väiksed, et voolamine on pea alati laminaarne. Turbulentseks võib voolamine muutuda ainult väga jämedateralistes pinnastes ja kalju lõhedes. Laminaarse voolamise korral saab läbi pinnaühiku ajaühikus filtreeruva vee hulga leida empiirilise Darcy valemiga
q = kI, (3.1) kus I on hüdrauliline gradient ja k võrdetegur mida nimetatakse filtratsioonimooduliks. Hüdrauliline gradient on veesamba kõrguste vahena väljendatud rõhkude vahe pikkuse ühiku kohta (joonis 3.1).
i h 1
L P in n a s Jo o n is 3 .1 H ü d ra u lilise g ra d ie n d i m õ iste q ühikuks on kiirus ja seda nimetatakse ka filtratsioonikiiruseks. Et gradient on ühikuta suurus, siis on ka k ühikuks kiirus. Teda saab defineerida kui filtratsioonikiirust ühikulise gradiendi puhul. Ta on sõltuv pinnase omadustest, eeskätt pooride mõõtmetest ning hulgast aga ka vedeliku viskoossusest. Kuna pooride mõõtmed on sõltuvad pinnaseosakeste mõõtmetest, siis on viimastel otsustav osa filtratsioonimooduli suurusele. Osakeste suuruse kõrval mõjutab k suurust muidugi osakest pakkimise tihedus, see tähendab pinnase poorsus. v ei ole võrdne tegeliku vee liikumise kiirusega pinnases. Eelmärgitud pinnaühik, mille läbi vesi voolab, hõlmab nii terade kui ka pooride pinna. Tegelik voolamine toimub läbi pooride, mille pind moodustab kogupinnast e/1+e (e on poorsustegur). Järelikult on tegelik voolukiirus v = v(1 + e)/e. Pinnase veejuhtivust on vaja teada rea praktiliste ülesannete lahendamisel. Siia kuuluvad pinnasest süvendisse voolava veehulga arvutus, veealandamiseks vajaliku drenaazi kavandamine, pinnase keemilise tugevdamise meetodi valik aga ka vundamendi vajumise ajalise kulgemise prognoosimine eeldab veejuhtivuse suuruse teadmist. Filtratsioonimooduli määramiseks kasutatakse laboratoorseid teime, välikatseid vi empiirilisi seoseid teiste, lihtsamini määratavate pinnase omaduste näitarvude vahel. 17
3.1.1 Veejuhtivuse laboratoorne määramine Lihtsaima veejuhtivuse määramise seadme skeem on esitatud joonisel 3.1. Seda nimetatakse püsiva rõhuga permeameetriks. Läbi toru, mille ristlõike pindala on A ja pinnasega täidetud osa pikkus L, voolab aja t vältel püsiva rõhkude vahe h korral Darcy valemi järgi vee hulk
h Q = qAt = kA t (3.2) L Kuna voolutakistus pinnases on tunduvalt suurem kui toru pinnasega mittetäidetud osas, ei ole rõhu languga viimases vaja arvestada. Kui veehulk Q mõõta, saab filtratsioonimooduli arvutada valemiga
QL k= (3.3) Aht Püsiva rõhuga permeameetriga saab määrata suhteliselt jämedateralise pinnase veejuhtivust. Peeneteralistel pinnastel võib veejuhtivus olla sedavõrd väike, et osutub võimatuks tagada reaalselt vastuvõetava aja vältel veehulga mõõtmise vajalikku täpsust. Vähe vettjuhtivate pinnaste k määramiseks kasutatakse langeva rõhuga permeameetrit. Seadme skeem on esitatud joonisel 3.2.
a
h1 A h2 L
J o o n is 3 .2 L a n g e v a rõ h u g a p e r m e a m e e te r Peenes mõõtskaalaga varustatud torus, milles asuv veesammas tekitab voolamiseks vajamineva rõhu, on veehulka võimalik täpsemalt mõõta taseme muutuse kaudu. Kuid taseme muutus põhjustab voolu tekitava rõhkude vahe h muutuse katse vältel. Vooluhulk ajaühikus läbi pinnase on kAh/L. Peenes torus on see adh/dt, kus a on toru ristlõike pindala. Kuna vooluhulgad peavad olema võrdsed, siis h dh kA =a L dt Eraldades muutujad, saame
aL dh dt = kA h Integreerides vasakut poolt nullist t-ni ja paremat poolt h1-st h2-ni, saame
aL h1 t= ln kA h 2 ehk
aL h1 k= ln , (3.4) At h 2 kus h1 on veesamba kõrgus katse algul ja h2 katselõpul hetkel t. Rohkesti saviosakesi sisaldava pinnas veejuhtivuse määramine ei õnnestu ka langeva rõhuga permeameetri abil. Väga väikese veejuhtivusega pinnase k saab määrata kaudselt , pinnase tihenemise kiiruse kaudu. See selgitatakse täpsemalt osas 4.
3.1.2 Välikatsed veejuhtivuse määramiseks Laboratoorne veejuhtivuse määramine võib olla seotud oluliste vigadega, mille peamised põhjused on: a) kasutatavad pinnaseproovid on vähem vi rohkem rikutud struktuuriga. b) väikeste proovikehade veejuhtivus ei pruugi kajastada pinnasemassiivi, kui terviku keskmist veejuhtivust. c) veejuhtivus võib olla anisotroopne, see tähendab erinev näiteks vertikaal - ja horisontaalsuunas. Seda on keerukas laboratoorsetes tingimustes määrata. Suurema usaldusväärsusega saab veejuhtivuse määrata välikatsega. Selleks tuleb rajada puurauk , millest toimub vee väljapumpamine (vi vee lisamine). Puuraugu ümbruses veepind alaneb ja tekib niinimetatud depressioonilehter (joonis 3.3). 18
r1 r2 V a a tlu s k a e v Q
V e e ala n - A lg n e v e e tas e d u sk a ev V e e tas e p ä ra st p u m p am is t h2 h1
J o o n is 3 .3 F iltra tso o n im o o d u li m ä ä ra m in e p ro o v ip u m p a m ise g a tä ielik u s t k ae v u s t (v e ttp id a v a k ih in i u la tu v as t).
Depressioonilehter on seda järsem, mida väiksem on pinnase veejuhtivus. Pumpamist teostatakse kuni statsionaarse olukorra saavutamiseni, see tähendab seni kuni püsiva väljapumbatava vee hulga juures (m3/tunnis) veetase puuraukudes jääb püsivaks. Kui nüüd määrata depressioonilehtri kuju veetaseme mõõtmisega vaatluspuuraukudes saab vajalikud andmed veejuhtivuse määramiseks. Sobiva arvutusmeetodi valikuks peab teadma uuritava ala geoloogilist ehitust, esmajoones kas on tegemist ühtlase vi kihilise pinnasega, survelise vi surveta veega, kas läheduses asub veekogu jne. Lihtsaimal juhul, kui puurauk läbib tervikuna uuritavat enam-vähem ühtlast pinnasekihti, saab filtratsioonimooduli arvutada valemiga
2,303Q k= log r1 (3.5) (h12 - h 22) r2
3.1.3 Empiirilised seosed k määramiseks Ligikaudselt saab filtratsioonikoefitsiendi suuruse määrata ilma otseste katseteta empiiriliste seoste abil lähtudes pinnase lihtsamalt määratavatest omaduste näitarvudest. Üks lihtsamaid ja tuntumaid on Hasen'i valem, mis seob filtratsioonimooduli suurused pinnase efektiivdiameetriga
2 k = Cd10 , (3.6) kus C on tegur, mille suurus sõltub k ja d10 dimensioonidest. Kui efektiivdiameeter d10 on millimeetrites ja k cm/s, siis C=1÷1,5. Hasen'i valem annab rahuldavaid tulemusi kohevate vi kesktihedate puhaste , ilma tolmu ja savilisanditeta liivade puhul. Seos ei arvesta liiva tihedust ega lõimise ebaühtlust. Casagrande on andnud lihtsa seose liivade tiheduse arvestamiseks
k = 1,4 e 2 k 0,85 (3.7) kus k0,85 on filtratsioonimoodul, kui poorsustegur e = 0,85 ja e on uuritava pinnase poorsustegur. Teoreetilised uuringud (Kozeny-Carman) näitavad, et veejuhtivus peaks olema võrdeline e3/1+e suurusega. Seda kinnitavad ka eksperimentaalsed uuringud. Lisades veel lõimise ebaühtluse mju, on Amer ja Awad ( ? ) esitanud valemi
3 2,32 k = C2 d10 U e (3.8) 1+ e
kus U on lõimisetegur ja C2 katsetest määratav tegur. Savi puhul võib veejuhtivuse sõltuvuse poorsusest väljendada kujul
k = k 0 exp[C3 (e - e 0)] (3.9) kus k0 on filtratsioonimoodul, kui poorsustegur on e0 ja C3 katsetest leitav tegur. Joonisel 3.4 19
2 ,0 P ro o v 1 1 ,9 P ro o v 2 P ro o v 3 1 ,8 1 ,7 1 ,6 e 1 ,5 1 ,4 1 ,3 1 ,2 1 ,1 10 -9 lo g k c m /s e k (x 1 0 ) J o o n is 3 .4 P ä rn u v iir s a v i f iltr a ts io o n i- m o o d u li s õ ltu v u s p o o r s u s te g u r is t.
on toodud näide Pärnu viirsavi veejuhtivuse sõltuvusest poorsustegurist. See näitab poorsusteguri ja filtratsioonimooduli logaritmi lineaarset sõltuvust, mida kirjeldab valem 3.10.
3.1.4 Veejuhtivuse tüüpilised suurused Filtratsioonimooduli suurus kõigub pinnastel väga laiades piirides. Filtratsioonimooduli suurus antakse mingi kiiruse ühikuga. Enamlevinud on cm/s, m/s, m/ööpäevas, m/aastas. Euronormides on soovitatud m/s vi m/aastas. Tabelis 3.1 on toodud pinnaste liigitus veejuhtivuse järgi, k väärtused enamlevinud pinnaste kohta ja võimalikud määramismeetodid. Tabel 3.1 10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 mm/sec
Hästi vettjuhtiv Halvasti vettjuhtiv Praktiliselt veetõke Kruus Liiv Möll, möllsavi Savi Püsiva rõhuga permeameeter Langeva rõhuga permeameeter Välikatse proovipumpamisega Kaudne määrang tihenemiskiiruse järgi
3.1.5 Darcy seaduse kehtivusest Veejuhtivuse käsitluse alguses oli öeldud, et kuna pinnastes on poorid sedavõrd peened ja voolukiirus väike, on voolamine laminaarne ja seepärast saab filtratsioonikiiruse arvutada Darcy seaduse alusel. Kui see on nii, siis järelikult peab filtratsioonikiirus v olema proportsionaalne hüdraulilise gradiendiga i viimase igasuguse väärtuse korral. Joonisel 3.5
v B
B A
tu rb u le n tn e v o o l
O i 3 .5 D a r c y s e a d u s e k e h t i v u s
väljendab seda joon OAB. Liivpinnastega tehtud eksperimentaalsed uuringud kinnitavad seda, vähemalt suhteliselt väikeste gradientide korral. Suuremate gradientide korral muutub sõltuvus kõverjooneliseks - joon OAB' joonisel 3.5, see tähendab vool muutub turbulentseks. Kui suure gradiendi puhul see toimub, sõltub terade läbimõõdust ja poorsusest. Ohde (1951) on annab järgmised gradiendi piirid olenevalt terade suurusest: i 800 100 12 0,8 0,1 d= 0,05 0,1 0,2 0,5 1 mm Kui gradient on suurem, peaks kasutama Darcy valemi asemel seost
m v = kI (3.10) kus m väärtus on 1 ja 2 vahel. Seega esineb oht, et Darcy seadus ei kehti, ainult väga jämedate liivade vi väga suurte gradientide korral. Erinevalt liivadest on savipinnastel täheldatud kõrvalekaldumist Darcy seadusest väga väikeste gradientide korral. Keraamiliste filtrite uurimisel avastati, et filtratsiooni ei toimunud enne kui gradient saavutas teatud läviväärtuse. Hiljem täheldati sama nähtust ka tihedatel savidel. Filtratsioonikiiruse saab lävigradiendi I0 esinemisel väljendada seosega
v = k(I - I0 ) (3.11) 20
Seos kehtib, kui I > I0. Graafiliselt väljendub seos joonisel 3.6
v C
v = k ( i ­ i0 ) B A O i i0 J o o n is 3 .6 L ä v ig ra d ie n t
esitatud sirgega AC. S.Hansbo (1960) uurimused selgitasid, et filtratsioon väikestel gradientide juures küll toimub, kuid väiksema kiirusega nagu kujutatud joonisel joonega 0BC. Nähtuse olemust seletatakse mitmete põhjustega. Näiteks seotud vee teatud nihketugevusega, mille ületamise järel võib alles vee voolamine alata . Põhjuseks võib olla õhumullide esinemine pinnases, mis takistavad voolamist. On ka rida teisi teoreetilisi kaalutlusi. Probleem omab suurt praktilist tähtsust pinnase deformeerumise, seega vundamendi vajumi prognoosimisel. Pinnase mahu vähenemine on peamiselt tingitud tema poorsuse vähenemisest ja täieliku veeküllastuse puhul võimalik ainult juhul, kui vesi pooridest saab välja surutud. Kui seda ei toimu väikest gradientide korral, ei toimu ka vajumist. Probleemi ei saa lugeda lõplikult lahendatuks. Rida uurimusi (Matyas 1966, Mitchell 1969) on näidanud , et Darcy seadus kehtib savides ka väikeste gradientide puhul. Eesti pinnaste kohta vastavasisulised uuringud seni puuduvad.
3.2 Kapillaarnähted pinnases Kapillaarsus on füüsikast tuntud vedaliku omadus tõusta peentes torudes vi piludes pindpinevuse mõjul üle vaba veepinna taseme. Seda muidugi juhul kui vedelik märgab anuma seinu. Vastasel juhul veepind alaneb. Tõusu kõrguse määrab toru raadius (vi pilu laius), vedeliku pindpinevus ja tihedus ning märgamisnurk (joon. 3.7)
hk
J o o n is 3 .7 K a p illa a r tõ u s u k õ rg u s to r u s ja on ümmarguse toru puhul väljendatav seosega
2 Ts hk = cos (3.12) w rg kus Ts on pindpinevus (N/m), r toru raadius (m), w vee tihedus (kg/m3), raskuskiirendus (9,81 m/s2) ja märgamisnurk. Arvestades, et vee pindpinevus on 0,073 N/m ja märgamisnurk puhta klaasi puhul 0°, on kapillaartõusu kõrgus meetrites toru läbimõõdu puhul millimeetrites 0,03/d. Pinnase poorid on enamasti küllalt peened, et vesi neis võiks üle oma normaaltasapinna tõusta. Kuna pooride mõõted on sama suurusjärguga kui teradel, siis on ilmselt tõusu kõrgus sõltuv terastikulisest koostisest. Kapillaartõusu ligikaudseks hindamiseks kasutatakse valemit
C h= , (3.13) e d10 kus h on kapillaartõusu kõrgus mm, e on poorsustegur, d10 efektiivdiameeter ja C empiiriliselt määratav tegur, mille suurus on enamasti vahemikus 10 kuni 50 mm2. Pinnaste poorid ei ole ühtlase läbimõõduga. Neid võib modelleerida joonisel 3.8 d1
d 2
d1 d2 h1
h3
h2
J o o n is 3 .8 K a p illa a r tõ u s u k õ r g u s e b a ü h tla s e lä b im õ õ d u g a to ru s
näidatud ebaühtlase jämedusega toruga . Vesi saab sellises torus tõusta ainult esimese laienduseni. Kui aga selline toru täita veega, 21
sulgeda ülemine ots ja asetada otsapidi vette, siis pärast otsa avamist langeb veetase ühtlase jämedusega torus olevale kõrgusele. Taoline olukord pinnases tekib
80% sisust ei kuvatud. Kogu dokumendi sisu näed kui laed faili alla
Vasakule Paremale
PM Loengud #1 PM Loengud #2 PM Loengud #3 PM Loengud #4 PM Loengud #5 PM Loengud #6 PM Loengud #7 PM Loengud #8 PM Loengud #9 PM Loengud #10 PM Loengud #11 PM Loengud #12 PM Loengud #13 PM Loengud #14 PM Loengud #15 PM Loengud #16 PM Loengud #17 PM Loengud #18 PM Loengud #19 PM Loengud #20 PM Loengud #21 PM Loengud #22 PM Loengud #23 PM Loengud #24 PM Loengud #25 PM Loengud #26 PM Loengud #27 PM Loengud #28 PM Loengud #29 PM Loengud #30 PM Loengud #31 PM Loengud #32 PM Loengud #33 PM Loengud #34 PM Loengud #35 PM Loengud #36 PM Loengud #37 PM Loengud #38 PM Loengud #39 PM Loengud #40 PM Loengud #41 PM Loengud #42 PM Loengud #43 PM Loengud #44 PM Loengud #45 PM Loengud #46 PM Loengud #47 PM Loengud #48 PM Loengud #49 PM Loengud #50 PM Loengud #51 PM Loengud #52 PM Loengud #53 PM Loengud #54 PM Loengud #55 PM Loengud #56 PM Loengud #57 PM Loengud #58 PM Loengud #59 PM Loengud #60 PM Loengud #61 PM Loengud #62 PM Loengud #63 PM Loengud #64 PM Loengud #65 PM Loengud #66 PM Loengud #67 PM Loengud #68 PM Loengud #69 PM Loengud #70 PM Loengud #71 PM Loengud #72 PM Loengud #73 PM Loengud #74 PM Loengud #75 PM Loengud #76 PM Loengud #77 PM Loengud #78 PM Loengud #79 PM Loengud #80 PM Loengud #81 PM Loengud #82 PM Loengud #83 PM Loengud #84 PM Loengud #85 PM Loengud #86 PM Loengud #87 PM Loengud #88 PM Loengud #89 PM Loengud #90 PM Loengud #91 PM Loengud #92 PM Loengud #93 PM Loengud #94 PM Loengud #95 PM Loengud #96 PM Loengud #97 PM Loengud #98 PM Loengud #99 PM Loengud #100 PM Loengud #101 PM Loengud #102 PM Loengud #103 PM Loengud #104 PM Loengud #105 PM Loengud #106 PM Loengud #107 PM Loengud #108 PM Loengud #109 PM Loengud #110 PM Loengud #111 PM Loengud #112 PM Loengud #113 PM Loengud #114 PM Loengud #115 PM Loengud #116 PM Loengud #117 PM Loengud #118 PM Loengud #119 PM Loengud #120 PM Loengud #121 PM Loengud #122 PM Loengud #123 PM Loengud #124 PM Loengud #125 PM Loengud #126 PM Loengud #127 PM Loengud #128 PM Loengud #129 PM Loengud #130 PM Loengud #131 PM Loengud #132 PM Loengud #133 PM Loengud #134 PM Loengud #135 PM Loengud #136 PM Loengud #137 PM Loengud #138 PM Loengud #139 PM Loengud #140 PM Loengud #141 PM Loengud #142 PM Loengud #143 PM Loengud #144 PM Loengud #145 PM Loengud #146 PM Loengud #147 PM Loengud #148 PM Loengud #149 PM Loengud #150 PM Loengud #151
Punktid 50 punkti Autor soovib selle materjali allalaadimise eest saada 50 punkti.
Leheküljed ~ 151 lehte Lehekülgede arv dokumendis
Aeg2009-01-09 Kuupäev, millal dokument üles laeti
Allalaadimisi 151 laadimist Kokku alla laetud
Kommentaarid 1 arvamus Teiste kasutajate poolt lisatud kommentaarid
Autor badanto Õppematerjali autor

Lisainfo

kõik pinnasemehaanika loengud!
jaanisso konspekt

Mõisted

konkreetsete konstruktsioonide, ehitusmaterjalidest, pinnasemehaanika aluseks, pinnased, pinnasemehaanika, tehase tingimustes, pinnaste puhul, rakenduslikud distsipliinid, allmaa, pinnased, varemainitud tegurid, geotehnika, ehitustegevus, laiemalt, liigitusest, teadusharuks, real põhjustel, üheks põhjuseks, käesolevaga, loodusliku produktina, deformeeritavus, pinnase osakesed, mitmesugused purske, komponentidega, kruusa, terade kujul, saueosakesed, jämedamad pinnaseosakesed, peenemad pinnaseosakesed, võrreldes liiva, savimineraalid, erinevatel mineraalidel, kaoliniidil, illidil, montmorilloniidil, sellistele savidele, eesti savides, uurimised, vee molekulid, difusioonivesi, lubja lisamine, liivad, kapillaarjõud, kapillaarjõud, kaltsium, 3 jäme, teistel suurustel, analoogiline jaotus, liide, alaliigi põhinimetuste, 11 kaalulis, pinnaste puhul, mahumass, rõnga mõõtmete, erimass, pinnase mass, viimane moodus, 3 veesisaldus, poorsus n, pinnase tihenemisel, sr suurus, otstarbekam, terzaghi järgi, tavakogemusest, üksikteimide hulka, enamkasutatavad, süvis, samadel andmetel, eesti projekteerimisnormides, veejuhtivus, pinnastes, hüdrauliline gradient, pinnase veejuhtivust, seadme skeem, depressioonilehter, casagrande, erinevalt liivadest, kapillaarsus, vee pindpinevus, mõõted, poorid, savipinnastes, külmakerkeid, üheks põhjuseks, puhastes savides, 4 efektiiv, printsiip ise, toodud skeemidel, pinnase poorid, anum ii, anum i, rõhk poorivees, peenemas materjalis, teisisõnu vool, lihtsustuseks, eelduste kohaselt, saadud diferentsiaalvõrrand, sõnades väljendatuna, sügavusel z, jäikus, jäikusparameetrid, praktilistes rakendustes, mahumuutus, kompresiooniaparaadiks, ronga läbimõõt, teimi käik, deformatsiooni saavutamiseks, vastav osa, eeltoodud põhjustel, kõvadel savidel, kõver 3, poollogaritmilises teljestikus, proovi dreenimine, kompressioonikatsel, deformeerumise põhjuseks, väljatõrjumisega, vee kokkusurutavus, jõud vedrus, kogupinge, u i, lahend, mugavam, koguvajum konsolidatsioonist, uurimised, ü he, koormisplaadiks, koormusplatvormi kasutamisel, vaibumise kriteeriumina, kandevõime ammendumine, esimestel koormusastmetel, töötlusel, otstarbekam, enim tunnustatum, suurendades järk, pressiomeeter, pressiomeetri eriliigiks, iseloomustamine, enamkasutatavad, liivadel, savipinnastel, cv ühikuks, eelnevast, savipinnasest, pinnase deformatsioon, pinnase nihketugevus, pinnase nihketugevust, paljudest tugevusteooriatest, graafiliselt, 1 mohri, seletatav, niiskele liivale, kambri seinad, võrreldes lõiketeimiga, kolmtelgsel survel, poorivees, teim, enamkasutatavad, nihketugevust, parandustegurite suurused, analoogilise graafiku, q c, igitugevus, pinnase puhul, pingekomponenti, pinnastes, viimaste puhul, geostaatilisteks, koondatud jõud, sen, sügavamal, määramiseks vertikaal, peapinged, geomeetriast, peapingete abil, nihkepinge, pinnased, keskpunkti all, analoogiline, savi tugevus, sen, võrdluseks, elastsusteooria abil, elastsusteooria lahendid, vaadeldud, rakenduspunkti all, pingejaotuse illustreerimiseks, kõigil juhtudel, rakenduspunktist kõrgemal, tunduvalt halvem, üheks taoliseks, vundamendi projekteerimisel, nurgapunkti vajum, praktiliseks kasutamiseks, summeerimismeetod, summeerimismeetodil, pingete leidmiseks, eeltoodud reegel, elementaarkihtideks jaotamine, 14 abil, peck, hilisemad uurimused, kk väärtused, inseneri seisukohast, valemi tuletamisel, teised tähised, m väärtused, jegorov, ruumiülesande puhul, purunemine, purunemine, matemaatiliselt, olemasolevates lahendites, kötteri valemid, maksimaalne peapinge, lahend, kandevõimetegurid, hilisemad uurimused, kõigil juhtudel, kandevõimetegurid, brinch, berezantsev, brinch, liivpinnaste puhul, enamikes lahendites, brinch, parandustegurid, brinch, valemites v, brinch, brinch, brinch, inseneripraktikas, pinnase sisehõõrdenurgast, sealt alates, dünamomeetri asendit, osakeste liikumine, passiivsurve mobiliseerimiseks, kihi paksus, praktilistes arvutustes, eelduseks, pingeepüür, pingeepüür, tugisein, surve seinale, arvutusskeemil, maapinna kaldenurk, aktiivsurve, määramiseks, sellistel juhtudel, numbriliselt, ühtlases pinnases, valemi tuletuskäik, passiivjõud, inseneriülesannete lahendamiseks, käesolevalt, kraavi seinad, arvutusskeem, integreerimiskonstandi leidmiseks, projekteerimise seisukohast, tüüpilised näited, komposiitseintest, püsivus ümberlükkele, ümberlükkavaks, 33 b, nihutavaks jõuks, püsivustegur, üldstabiilsuse kontroll, suurustest, vastasel korral, arvutuslikud lõiked, surve jaotus, arvutusskeem, sulundseina puhul, sügavamal, ülemine ots, taolises olukorras, 48 a, skeemil c, looduslikud nõlvad, varikaldenurk, iteratsiooniprotsess, hõlpsamaks lahendamiseks, nendes lõikudes, paigalhoidvad jõud, filtratsioonijõud, püsivustegur, kinnihoidvad jõud, valemites p1, janbu meetod, looduslikud nõlvad, taimestiku, nõlva kõrgus

Meedia

Kommentaarid (1)

KS profiilipilt
KS: milleks küsida punkte materjali eest, mis pole su enda oma ja mis on niigi epi kodulehel üleval?
18:47 22-10-2009


Sarnased materjalid

46
pdf
Pinnasemehaanika - Pinnas ja vesi
5
doc
Eksami abimees
54
pdf
Geotehnika
136
pdf
Raudbetooni konspekt
47
docx
Geotehnika kordamisküsimused
14
doc
Eksami abimees
528
doc
Keskkonnakaitse lõpueksami küsimused-vastused
23
doc
Maateadus alused





Faili allalaadimiseks, pead sisse logima
Kasutajanimi / Email
Parool

Unustasid parooli?

UUTELE LIITUJATELE KONTO MOBIILIGA AKTIVEERIMISEL +50 PUNKTI !
Pole kasutajat?

Tee tasuta konto

Sellel veebilehel kasutatakse küpsiseid. Kasutamist jätkates nõustute küpsiste ja veebilehe üldtingimustega Nõustun