Mehanika tla
Mehanika tla (engl. Soil mechanics, fr. Mécanique des sols, nem. Bodenmechanik, rus. Механика грунтов) grana je fizike tla i primenjene mehanike koja izučava i opisuje tlo u prostoru na kojem ili unutar koga se gradi. S te je strane mehanika tla mlada nauka. Ona koristi laboratorijske metode ispitivanja i terenske "in-situ" metode ispitivanja. Rezultati terenskih ispitivanja često daju tačnije rezultate od laboratorijskih. Mehanici tla bliske su grane geologija i fizika. U mehanici tla proučavaju se osobine tla, tj. važne osobine prema kojima se može tlo klasifikovati, a onda i kako se prema tome može koristiti (npr. kakvo tlo je povoljno za izgradnju različitih vrsta objekata, koje je tlo povoljno za izgradnju nasipa itd). Ocem mehanike tla smatra se Karl Tercagi, koji se bavio proučavanjem tla i njegovih fizičko-mehaničkih svojstava.
Mehanika tla se razlikuje od mehanike fluida i mehanike čvrstih materijala u smislu da se zemljište sastoji od heterogene mešavine fluida (obično vazduha i vode) i čestica (obično gline, mulj, peska, i šljunka). Zemljište isto tako može da sadrži čvrste organske i druge materije.[3][4][5][6] Uporedo sa mehanikom stena, mehanika zemljišta pruža teoretsku osnovu za analizu u geotehničkom inženjerstvu,[7] potdisciplini građevinarstva, i inženjerskoj geologiji potdisciplini geologiji. Mehanika tla se koristi za analiziranje deformacija tla protoka fluida unutar prirodnih i veštačkih struktura koje su podržane tlom ili napravljene od tla, ili struktura koje su zakopane u tlu.[8] Primer aplikacija su građevinski i mostovski temelji, potporni zidovi, brane i ukopani cevovodni sistemi. Principi mehanike zemljišta se takođe koriste u srodnim disciplinama kao što su inženjerska geologija, geofizičko inženjerstvo, obalsko inženjerstvo, poljoprivredno inženjerstvo, hidrologija i fizika tla.
Ovaj članak opisuje genezu i sastav zemljišta, razliku između pornog pritiska vode i intergranularnog efektivnog stresa, kapilarnog dejstva fluida u porama tla, klasifikaciju tla, curenje i propusnost, vremenski zavisnu promenu zapremine usled istiskivanja vode iz sićušnih pora, takođe poznatu kao konsolidacija, otpornost na smicanje i krutost tla. Snaga smicanja tla prvenstveno potiče od trenja između čestica i blokiranja, koji su veoma osetljivi na efektivni stres.[8]
Istorijski razvoj
urediSmatra se da je prve naučne osnove za izučavanje tla dao A. Š. Kulon 1773. godine svojom teorijom zemljanih pritisaka. Daljem razvoju izučavanju tla doprineli su A. Darsi 1856. godine - „Darsijev zakon“ o proticanju vode kroz tlo i Stoks 1856. „Stoksov zakon“ o brzini tonjenjenja čestica u tečnosti.
Daljem razvoju teorije doprineli su M. Rankin (M. W. J. Rankine) 1857 sa svojom teorijom zemljanih pritisaka i J. Businesk (J. Boussinesq) 1885. koji je dao analitičke izraze za stanje napona i deformacije u homogenom, izotropnom i elastičnom poluprostoru za slučaj delovanja koncentrične sile na površini tog poluprostora.
Za razumevanje i poznavanje fizičkih svojstava tla značajan doprinos dao je A. Aterberg (A. Atterberg) 1911. godine.
Godine 1923. Karl fon Tercagi (K. von Terzaghi) objavio je svoju teoriju konsolidacije a u knjizi pod nazivom „Erdbaumechanik auf Bodenphysikalischer Grundlage“ 1925. sublimirao je sva dotadašnja saznanja o tlu u građevinskom smislu, omogućivši na taj način sagledavanje teorijskih osnova i njihovu primenu te mogućnost formiranja nove naučne discipline.
Osnovne osobine tla
uredi
Va - zapremina vazduha
Vw - zapremina vode
Vs - zapremina čestica
Vv - zapremina pora i šupljina
V - ukupna zapremina
Tlo se u opštem slučaju sastoji od tri faze: čvrste, tečne, i gasovite. Mehaničke osobine tla zavise direktno od interakcija ovih faza jednih sa drugima kao i drugih spoljnih uticaja.
Čvrsta faza tla se može sastojati od različitog udela gline ili neglinovitih minerala, organskih materija, kao i soli[9]. Ovi minerali obično se sastoje od atoma hemijskih elemenata kao što su kiseonik, silicijum, vodonik, i aluminijum. Ovi elementi zajedno sa kalcijumom, natrijumom, kalijumom, magnezijumom, i ugljenik čine preko 99% čvrstog dela tla.[9]. Iako, udeo gline manji od udela drugih čestica, glina i prisustvo organskih materija imaju veći uticaj na osobine i ponašanje tla. Čvrste čestice su klasifikovane po veličini i to kao glina, prašina, pesak, šljunak, drobina, ili blokovi.
Tečna faza u tlima je obično u vidu vode sa različitom količinom rastvorenih elektrolita.
Gasovita faza je obično u vidu vazduha, mada mogu biti prisutni organski gasovi u zonama biološke aktivnosti ili u hemijski zagađenim tlima.
Mineraloški sastav tla utiče na veličinu, oblik, i fizičke i hemijske osobine čestica tla i vezano sa tim na nosivost i kompresibilnost tla.
Podela tla
urediU mehanici tla izvršena je podela na:
- nekoherentna tla - nevezana tla - šljunak, pesak i njihove mešavine
- koherentna tla - to su vezana tla - prah, glina, organsko tlo[10]
Nevezana ili nekoherentna tla su ona čije čestice nisu vezane nikakvim vezivom (matriksom). U nevezana tla se ubrajaju:
| veličina u mm | |
|---|---|
| blokovi | 200-2000 |
| drobina | 60-200 |
| šljunak | 2-60 |
| pesak | 0.06-2 |
| prašina | 0.002-0.06 |
Vezana tla ili koherentna tla su ona kod kojih su čvrsti sastojci međusobno povezani kohezijom. To su ona tla koja se sastoje od čestica manjih od 0.002 mm.
| veličina u mm | |
|---|---|
| glina | 0.002-0.0002 |
| koloidna glina | 0.0002-0.00002 |
Pošto su homogena tla u prirodi veoma retka, to se glina obično nalazi pomešana sa drugim sastojcima i tada su to:
- ilovača - glina sa peskom ili prašinom
- laporovita glina ili lapor - glina sa krečnjakom
- uma - glina sa magnezijumom
Kada je tlo sastava sa više od 50% glinovitih sastojaka naziva se masna glina ili samo glina, a kada tlo ima manje od 50% glinovite komponente naziva se glinovito tlo.
Nedavna zbivanja
urediOsnova DSSM-a je da se tla (uključujući pesak) mogu smicati sve dok ne dostignu stabilno stanje u kojem, pod uslovima konstantne brzine deformacije, nema promene smičnog napona, efektivnog ograničavajućeg napona i odnosa praznina. Stabilno stanje je formalno definisao[11] Stiv J. Poulos,[12] vanredni profesor na Odseku za mehaniku tla Univerziteta Harvard, koji je izgradio hipotezu koju je Artur Kazagrande formulisao pred kraj svoje karijere. Stanje stabilnog stanja nije isto što i „kritično stanje”. Ono se razlikuje od kritičnog stanja po tome što specificira statistički konstantnu strukturu u stabilnom stanju. Vrednosti stabilnog stanja takođe veoma malo zavise od brzine deformacije.
Mnogi sistemi u prirodi dostižu stabilna stanja i teorija dinamičkih sistema se koristi za opisivanje takvih sistema. Smicanje tla se takođe može opisati kao dinamički sistem.[13][14] Fizička osnova dinamičkog sistema smicanja tla je Poasonov proces u kome se čestice kreću u stabilno stanje nasumičnim smicajnim naprezanjima.[15] Džozef[16] je ovo generalizovao – čestice se kreću u svoj konačni položaj (ne samo u stabilnom stanju) nasumičnim smičnim deformacijama. Zbog svog porekla u konceptu stabilnog stanja, DSSM se ponekad neformalno naziva „harvardska mehanika tla“.
DSSM obezbeđuje veoma bliska prilagođavanja krivama naprezanje-deformacija, uključujući i peskove. Pošto prati uslove u ravni defekta, takođe obezbeđuje bliska prilagođavanja osetljivim glinama i muljem posle defekta, nešto što druge teorije nisu u stanju da urade. Dodatno, DSSM objašnjava ključne odnose u mehanici tla koji su do danas jednostavno uzeti zdravo za gotovo, na primer, zašto normalizovane nedrenirane vršne čvrstoće na smicanje variraju sa logaritmom koeficijenta prekomerne konsolidacije i zašto se krive napon–deformacija normalizuju sa početnim efektivnim ograničavajućim naponom; i zašto u jednodimenzionalnoj konsolidaciji koeficijent praznina mora da varira sa logaritmom efektivnog vertikalnog napona, zašto je kriva na kraju primarnog dela jedinstvena za povećanje statičkog opterećenja i zašto je odnos vrednosti puzanja Cα prema indeksu kompresije C mora biti približno konstantan za širok spektar zemljišta.[17]
Reference
uredi- ^ „Leaning Tower of Pisa (tower, Pisa, Italy) – Britannica Online Encyclopedia”. Britannica.com. 17. 10. 2023. Pristupljeno 12. 4. 2019.
- ^ „Fox and Franz Josef Glaciers”. Fox Glacier Guiding. Arhivirano iz originala 14. 07. 2016. g. Pristupljeno 12. 4. 2019.
- ^ Mitchell, J.K., and Soga, K.: Fundamentals of soil behavior, Third edition, John Wiley and Sons, Inc. 2005. ISBN 978-0-471-46302-3.
- ^ Santamarina, J.C.; Klein, K.A.; Fam, M.A. (2001). Soils and Waves: Particulate Materials Behavior, Characterization and Process Monitoring. Wiley. ISBN 978-0-471-49058-6.
- ^ Powrie, W. (2004). Soil Mechanics (2nd izd.). Taylor & Francis. ISBN 978-0-415-31156-4.
- ^ A Guide to Soil Mechanics, Bolton, Malcolm,Macmillan Press. 1979. ISBN 978-0-333-18931-3.
- ^ „Built Environment - Routledge”. Routledge.com. Pristupljeno 14. 01. 2017.[mrtva veza]
- ^ a b Lambe, T. William & Robert V. Whitman. Soil Mechanics. Wiley. 1991. ISBN 978-0-471-51192-2. str. 29.
- ^ a b Mitchell, J.K. 1993. Fundamentals of Soil Behavior. John Wiley & Sons, Inc.
- ^ Najdanović N., Obradović R.: Mehanika tla u inženjerskoj praksi, Biro za grafičku delatnost Instituta za vodoprivredu „Jaroslav Černi“, Beograd, 1981.
- ^ Poulos, Steve J. (1981). „The Steady State of Deformation”. Journal of Geotechnical Engineering. 107 (GT5): 553—562.
- ^ „Steve J. Poulos”. Arhivirano iz originala 17. 10. 2020. g. Pristupljeno 13. 11. 2022.
- ^ Joseph, Paul G. (2009). „Constitutive Model of Soil Based on a Dynamical Systems Approach”. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 135 (8): 1155—1158. doi:10.1061/(asce)gt.1943-5606.0000001.
- ^ Joseph, Paul G. (2010). „A Dynamical Systems Based Approach to Soil Shear”. Géotechnique. LX (10): 807—812. Bibcode:2010Getq...60..807J. doi:10.1680/geot.9.p.001.
- ^ Joseph, Paul G. (2012). „Physical Basis and Validation of a Constitutive Model for Soil Shear Derived from Micro-Structural Changes”. International Journal of Geomechanics. 13 (4): 365—383. doi:10.1061/(asce)gm.1943-5622.0000209.
- ^ Joseph, Paul G. (2014). „Generalized soil deformation model based on dynamical systems theory”. Geotechnical Research. 1 (1): 32—42. doi:10.1680/geores.14.00004
.
- ^ Joseph, Paul G. (2017). Dynamical Systems-Based Soil Mechanics (first izd.). CRC Press/Balkema. str. 138. ISBN 9781138723221. Arhivirano iz originala 2018-03-24. g. Pristupljeno 2017-05-14.
Literatura
uredi- Casagrande, A., 1937. Seepage through dams, Journal of New England Water Works, 51, 295-336 (also listed as: Harvard Graduate School Eng. Pub. 209)
- Cedergren, Harry R. (1977), Seepage, Drainage, and Flow Nets, Wiley. ISBN 0-471-14179-8
- Chanson, H. (2009). Applied Hydrodynamics: An Introduction to Ideal and Real Fluid Flows. CRC Press, Taylor & Francis Group, Leiden, The Netherlands, 478 pages. ISBN 978-0-415-49271-3.
- Knappett, Jonathan and R.F. Craig, 2012. Craig's Soil Mechanics 8th edition, Spon Press. ISBN 978-0-415-56126-6
- Ferris, J.G., D.B. Knowles, R.H. Brown & R.W. Stallman, 1962. Theory of Aquifer Tests. US Geological Survey Water-Supply Paper 1536-E. (available from the USGS website as a pdf)
- Harr, M.E., 1962. Groundwater and Seepage, Dover. ISBN 0-486-66881-9 — mathematical treatment of 2D groundwater flow, classic work on flow nets.
- Mitchell, J.K. (1960). „Components of Pore Water Pressure and their Engineering Significance” (PDF). Clays and Clay Minerals. 9 (1): 162—184. Bibcode:1960CCM.....9..162M. S2CID 32375250. doi:10.1346/CCMN.1960.0090109. Arhivirano iz originala (PDF) 2019-02-18. g. Pristupljeno 2013-02-17.
- Zhang Chao; Lu Ning (2019-02-01). „Unitary Definition of Matric Suction”. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 145 (2): 02818004. doi:10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0002004 .
- Das, Braja (2011). Principles of Foundation Engineering. Stamford, CT: Cengage Learning. ISBN 9780495668107.
- Wood, David Muir. „Pore water pressure”. GeotechniCAL reference package. Bristol University. Pristupljeno 2014-03-12.
- Dunnicliff, John (1993) [1988]. Geotechnical Instrumentation for Monitoring Field Performance. Wiley-Interscience. str. 117. ISBN 0-471-00546-0.
- Materials Engineering and Research Laboratory. „Procedure For Using Piezometers to Monitor Water Pressure in a Rock Mass” (PDF). USBR 6515. U.S. Bureau of Reclamation. Arhivirano iz originala (PDF) 16. 06. 2015. g. Pristupljeno 2014-03-13.
- Coduto, Donald; et al. (2011). Geotechnical Engineering Principles and Practices. NJ: Pearson Higher Education, Inc. ISBN 9780132368681.
- Zhang, Y; et al. (2015). „Rate effects in inter-granular capillary bridges.”. Unsaturated Soil Mechanics-from Theory to Practice: Proceedings of the 6th Asia Pacific Conference on Unsaturated Soils. CRC Press. str. 463—466.
- ISO (1995). „Soil quality -- Determination of pore water pressure -- Tensiometer method”. ISO 11276:1995. International Standards Organization. Pristupljeno 2014-03-13.
- Schofield, Andrew Noel; Wroth, Peter (1968). Critical State Soil Mechanics (na jeziku: engleski). McGraw-Hill. ISBN 9780641940484.
- Lambe, T. William; Whitman, Robert V. (1969). Soil mechanics (na jeziku: engleski). Wiley. ISBN 9780471511922.
- Burland, J. B. (1990-09-01). „On the compressibility and shear strength of natural clays”. Géotechnique. 40 (3): 329—378. Bibcode:1990Getq...40..329B. ISSN 0016-8505. doi:10.1680/geot.1990.40.3.329.
- Coduto, Donald (2001), Foundation Design, Prentice-Hall, ISBN 0-13-589706-8
- Kim, Myung-mo (2000), Soil Mechanics (na jeziku: korejski) (4 izd.), Seoul: Munundang, ISBN 89-7393-053-2
- Terzaghi, Karl (1943), Theoretical soil mechanics, John Wiley&Sons, Inc., str. 265
