10.       Vlastnosti hornin

Charakterizovat geologické prostředí s ohledem na jeho chování ve vztahu k inženýrskému záměru znamená také určit soubor vlastností jednotlivých typů hornin, které toto prostředí tvoří. Podkladem pro zjištění vlastností zemin a skalních hornin je realizace polních zkoušek (stanovení in situ) nebo odběrů vzorků hornin (laboratorní stanovení). Reprezentativnost zjištěných hodnot vlastností závisí zejména na výběru

·         místa a metodiky odběru, typu vzorku nebo

·         umístění, metodiky a typu polních zkoušek.

Parametry získané z laboratorních rozborů odebraných vzorků jsou do jisté míry zkreslené, jelikož charakterizují horninový materiál vyjmutý z jeho přirozeného prostředí.

Hodnoty vlastností (získané kterýmkoliv z výše uvedených způsobů) následně vstupují do geotechnických výpočtů a modelů a jsou podkladem pro vyhodnocení inženýrskogeologického či geotechnického průzkumu.

Vlastnosti hornin lze rozdělit na popisné, fyzikální, mechanické a technologické. Níže jsou jednotlivé vlastnosti rozepsány, je uvedena jejich bližší charakteristika se způsoby jejich stanovení.

1. Popisné-petrologické vlastnosti:

• mineralogické složení - popisem, mikroskopicky

(bližší charakteristika viz. kapitola 6.1)

·         barva - popisem, srovnáním s etalony

(bližší charakteristika viz. kapitoly 6.1.1, 7.1.1)

• struktura - popisem, mikroskopicky

     (bližší charakteristika viz. kapitola 6.1.1)

• textura - popisem, mikroskopicky

     (bližší charakteristika viz. kapitola 6.1.1)

• zrnitost - popisem, mikroskopicky, sítovým rozborem, hustoměrem

     (bližší charakteristika viz. kapitoly 6.2, 7.1.1)

• obsah uhličitanů - Jankův vápnoměr

     (bližší charakteristika viz. kapitola 7.1.1)

• obsah organických látek - oxidací dvojchromanem draselným

     (bližší charakteristika viz. kapitoly 7.2.1, 7.2.2)

2. Fyzikální vlastnosti

·         vlhkost (w) - vysoušením při 105⁰C a vážením

     (bližší charakteristika viz. kapitoly 6.1, 7.2.1)

·         měrná hmotnost ()- pyknometricky, v odměrném válci

(bližší charakteristika viz. kapitola 6.1, orientační hodnoty viz. tab. 10.2 a tab. 10.3)

·         objemová hmotnost () - vážením, rtuťovým objemometrem

(bližší charakteristika viz. kapitola 6.1, orientační hodnoty viz. tab. 10.3)

·         pórovitost (n) - výpočtem z měrné a objemové hmotnosti

(bližší charakteristika viz. kapitoly 6.1, 6.2, orientační hodnoty viz. tab. 10.4)

·         číslo pórovitosti (e) - výpočtem z pórovitosti nebo hmotností

(bližší charakteristika viz. kapitola 6.2)

·         stupeň nasycení () -  výpočtem z objemové vlhkosti () a pórovitosti () nebo z vlhkosti, měrné hmotnosti a čísla pórovitosti; lze vyjádřit jako poměr objemu pórů vyplněných vodou k celkovému objemu pórů:     

·         relativní ulehlost (I_D) -  výpočtem z maximálního a minimálního čísla pórovitosti nebo objemové hmotnosti

(bližší charakteristika viz. kapitola 7.2.1)

·         meze konzistence - stanovením vlhkosti na konzistenčních mezích

-          tekutosti (w_L) - měřením v Atterbergově misce, Vasiljevovým kuželem

-          plasticity (w_p) - formováním válečku zeminy

(bližší charakteristika viz. kapitoly 6.2, 7.2.1, orientační hodnoty viz. tab. 10.5)

·         index plasticity (I_P) – výpočtem z vlhkosti na konzistenčních mezích

(bližší charakteristika viz. kapitola 6.2)

·         číslo konzistence (I_C) - výpočtem z přirozené vlhkosti, vlhkosti na mezi tekutosti a čísla plasticity

(bližší charakteristika viz. kapitoly 6.2, 7.2.1)

a) při styku s vodou:

• rozpadavost - sledování zcela suchého vzorku ponořeného do vody
• bobtnavost - měření změny výšky neporušených vzorků stejné jemnozrnné zeminy v oedometru v důsledku působení tlaku; bobtnací tlak zkoušené zeminy je roven zatížení toho vzorku, který nezmění objem
• smrštitelnost - měřením délky vzorku, objemometrem; výstupními parametry jsou mez lineárního smrštění (w_s) a součinitel lineárního smrštění S
• nasákavost - stanovením změn hmotnosti při sycení vodou; slouží k nepřímému ocenění mrazuvzdornosti horniny
• namrzavost - ze zrnitostní křivky, zmrazovacími cykly; závisí na kapilaritě a propustnosti

b) filtrační vlastnosti

• propustnost - propustnoměrem, terénními hydrodynamickými zkouškami, ze zrnitostní křivky

(vyjadřuje se koeficientem propustnosti nebo koeficientem filtrace, orientační hodnoty viz. tab. 10.6)

• kapilarita -  kapilarimetrem, sledováním výšky zvlhčení (ztmavnutí) vzorku v trubici postavené do vody

3. Mechanické vlastnosti 

a) pevnostní (orientační hodnoty viz. tab. 10.7)

• v tlaku - v lisu , souosými roubíky, bodovým zatížením

(viz. kapitoly 6.1, 7.1.1, orientační hodnoty viz tab. 10.8)

• v tahu - v trhacím přístroji, odstředivce

(orientační hodnoty viz. tab. 10.8)

• v příčném tahu - v čelisťovém přístroji
• ve střihu - ve střihových matricích

(bližší charakteristika viz. kapitola 6.1, orientační hodnoty viz. tab. 10.7)

• ve smyku - triaxiálními zkouškami (Mohrova obálka)

(bližší charakteristika viz. kapitola 6.1, orientační hodnoty viz. tab. 10.8, tab. 10.9)

• při triaxiálním namáhání - v triaxiálu

(bližší charakteristika viz. kapitola 6.1)

• pevnost vtlačná - vtláčením roubíku

b) deformační 

• modul pružnosti () - vyjadřuje závislost mezi změnou napětí () změnou pružného přetvoření ():

modul přetvárnosti () - měří se v terénu (in situ) zatěžovací deskou jako změna délky měrné základny vytyčené na zkušebním tělese v příslušném směru, zahrnuje pružné i celkové (nevratné) deformace, orientační hodnoty viz. tab. 10.11

 - přírůstek normálového napětí, které způsobí přírůstek zatlačení desky o hodnotu

 - průměr desky

 - součinitel závislý na tvaru, tuhosti a způsobu zatížení (pro kruhovou, dokonale tuhou, centricky zatíženou desku  = 0,8)

 - Poissonovo číslo zeminy

• presiometrický modul () - pomocí sondy, zapouštěné do vrtu, s pružným pláštěm vyplněným kapalinou, který se pomocí CO₂ rozpíná; výsledkem je presiometrická křivka, z jejíhož průběhu se stanoví: ; hodnota presiometrického modulu se blíží hodnotě oedometrického modulu:  (- reologický součinitel = 0,25 ÷ 1,0)
• součinitel β - je funkcí Poissonova čísla a používá se k vyjádření závislosti mezi modulem přetvárnosti a oedometrickým modulem:
• Poissonovo číslo ()- udává poměr osového (ve směru působícího napětí - ) a příčného přetvoření (): ; je-li větší než 0,5, přesáhlo napětí mez pružnosti a začíná porušování horninové struktury
• stlačitelnost zemin - laboratorní stanovení na neporušených vzorcích v oedometru, triaxiálu; měří se závislost výšky vzorku na jeho zatížení, výsledkem je koeficient stlačitelnosti C nebo oedometrický modul: , orientační hodnoty viz. tab. 10.12

4. Technologické vlastnosti

·         abrazivnost - měřením úbytku hmoty roubíku

·         zhutnitelnost - stanovena Proctorovou zkouškou

·         trvanlivost kameniva - úbytek hmotnosti při působení Na₂SO₄ udávaný v hmotnostních procentech

·         a další

Veličiny, jednotky a vzájemné vztahy vybraných vlastností jsou uvedeny v tabulce 10.1.

Povědomost o orientačních hodnotách vlastností zemin a skalních hornin je velmi důležitou součástí odborných znalostí inženýrského geologa. Tyto znalosti lze využít pro více účelů, zejména však pro prvotní odhad vlastností geologických těles, pro zpětnou kontrolu hrubých chyb výsledků laboratorních zkoušek nebo měření in situ polními zkouškami apod. Z tohoto důvodu jsou orientační hodnoty výše uvedených vybraných vlastností ve formě tabulek součástí této kapitoly a v textu je na ně odkazováno. Ostatní orientační hodnoty vlastností zemin jsou náplní směrných normových charakteristik uvedených v kapitole 9.

V následujících tabulkách 10.14, 10.15 a 10.16 jsou uvedeny technické požadavky pro vybrané účely použití.

10.1      Zadání programu

Název programu: Výpočtové úlohy

 

Příklad č.1:

Vypočítejte měrnou hmotnost zeminy r_s, objemovou hmotnost vysušené zeminy r_d, pórovitost n, číslo pórovitosti e, vlhkost w a stupeň nasycení S_r pro vzorek o průměru d (mm), výšce v (mm) a hmotnosti m (g).

Vážením byla stanovena hmotnost vysušeného vzorku m_d.

Příklad č.2:

         Kolik musíme navážit přirozeně vlhké zeminy o vlhkosti  w = 3,6 % a kolik dodat vody, aby se ze zeminy mohl připravit vzorek rozměrů 35 x 5 x 5 cm o objemové hmotnosti vysušené zeminy r_d = 1,79 g.cm^{-3 a vlhkosti w = 19% , je-li měrná hmotnost} r_s = 2,74 g.cm^-3.

Příklad č.3:

Vypočítejte objemovou hmotnost písku nasyceného vodou při stanovené   objemové hmotnosti sušiny r_d a měrné hmotnosti r_s.

Příklad č.4:

         Určete objemovou tíhu písčité zeminy vysušené g_d, saturované g_sat a pod vodou g_su pro pórovitost n = 20, 38, 43 %, je-li stanovena měrná hmotnost zeminy r_s.

Příklad č.5:

          Z odběrné jamky v terénu byl odebrán písek třídy S 2 o hmotnosti m₁ (kg). Byla stanovena hmotnost sušiny m_d, měrná hmotnost r_s a minimální a maximální pórovitost n_min, n_max. Do jamky byl nasypán suchý normový písek o hmotnosti m₂ = 2,20 kg a objemové hmotnosti r_{d 2} = 1 600 kg.m^-3.

Vypočítejte objem jamky V, objemovou hmotnost vysušeného písku r_d a index relativní hutnosti I_D. Uveďte směrné normové charakteristiky.

Příklad č.6:

Vypočtěte z naměřených hodnot I, II, III vlhkost zeminy s obsahem jemné frakce f > 65%, mez plasticity w_P, mez tekutosti w_L, stanovte číslo plasticity I_P (v semilogaritmickém grafu, kde na logaritmickou osu naneseme počty úderů, na dekadickou osu vlhkost w) a stupeň konzistence I_C. Upřesněte symbol a třídu zeminy a uveďte směrné normové charakteristiky.

     I   =  hmotnost vlhké zeminy s miskou

     II  =  hmotnost suché zeminy s miskou

     III          =  hmotnost misky

          počty úderů Atterbergovy misky pro mez tekutosti w_L: 35, 28, 21, 17

 

Postup řešení:

Příklad č.1

 

Objem zrn skeletu:                                                     

Měrná hmotnost zeminy:                                            

Objem neporušeného vzorku:                                    

Objem. hmotnost přirozeně vlhké zeminy:                 

·         Objem. hmotnost vysušené zeminy:                    

·         Pórovitost:                                                          

·         Číslo pórovitosti:                                                 

·         Vlhkost zeminy:                                                  

·         Stupeň nasycení vodou:                                       

 

Příklad č.2

 

·       Potřeba sušiny:

                                                                                     m_s = V. r_d

·       Potřeba vody:

m_v = m_s . w

         

·       Množství vody ve vlhké zemině 3,6%:              

m_vz3,6 = m_s . 0,036

 

·       Potřebné množství zeminy o vlhkosti 3,6 %:

 

                                                                                     m_zv3,6 = m_s . m_vz3,6

 

·       Potřebné doplnění vody :

                                                                                     m_dv = m_{v -} m_vz3,6

 

Příklad č.3

·         pórovitost:         

pro S_r=1:

 

·         objemová hmotnost:     r = r_d + n × s_r × r_w

Příklad č.4

                   g_d    =   ( 1 - n ) × g_s                                                              g_s  =   r_s × g

                   g_sat, =   g_d + n × g_w                                                                 g_w  =   10 kN × m^-3

                         g_su    =   ( 1 - n ) × ( g_s -  g_w  )                                 

 

Příklad č.5

                                         m₂

·         Objem jamky V = ¾¾  m³

                                         r_{d 2}

 

·         Zhutněný písek má

 

                    m₁                                            m_d

            r = ¾¾    (kg.m^-3)                  r_d = ¾¾  (kg.m^-3)

                    V                                                V

 

 

                        r_d                                    n                             n_min                      n_max

n = 1 - ¾ . 100   (%)       e =  ¾¾¾          e_min =  ¾¾¾        e_max = ¾¾¾

            r_s                               100 - n                     100 - n                   100 - n

 

        e_max - e

I_D =  ¾¾¾¾   =  písek

       e_max - e_min

 

·         Směrné normové charakteristiky  -  viz. kapitola 9

Příklad č.6

·         Laboratorně stanovené hodnoty např.

 

 

·         Vlhkost

 

        m_w        I - II

w = ¾¾ = ¾¾¾ . 100

        m_d       II - III

 

 

·         Mez plasticity

 

        w_{P 1} - w_{P 2}

w_P = ¾¾¾¾

        w_{P 2} - w_{P 3}

 

 

·         Mez tekutosti

       

        w_{L 1} - w_{L 2}

w_L = ¾¾¾¾

        w_{L 2} - w_{L 3}

 

·         Pro jednotlivé počty úderů vyneseme vypočtené hodnoty w_L do semilogaritmického grafu.

 

·         w_L stanovíme pro 25 úderů (viz. níže)

 

 

 

 

I_P =  w_L - w_P

 

        w_L - w

I_C =  ¾¾¾

        w_L - w_P