4.    Vlastnosti skalních hornin a zemin

Vlastnosti zemin a skalních hornin se stanovují podle konkrétních požadavků, nejčastěji pro účely stavební praxe. K hodnocení vlastností se přistupuje s ohledem na dlouhotrvající a nezřídka složitý petrogenetický vývoj horninového prostředí, s ohledem na stadium geologického vývoje (např. vlastnosti předkvartérních zemin jsou odlišné od vlastností kvartérních sedimentů).

Faktory, které ovlivňují vlastnosti hornin, jsou dány především procesem vzniku horniny a procesy dalšího přetváření. Proces vzniku horniny probíhal za různých podmínek, které určily minerální a chemické složení, celkový petrografický charakter i základní prostorové formy horninových těles (struktury, textury, úložní poměry atd.). Při procesu dalšího přetváření hornin (zvětráváním, diagenezí, metamorfózou, endogenními silami, působením podzemních vod atd.) se mění např. minerální složení, textury i struktury, pevnost strukturních vazeb apod. (Čabalová, Baliak, Kopecký, 1999).

Horniny se v přírodě nacházejí v horninových masivech, tělesech v přírodním stavu, jejichž celistvost je porušena plochami diskontinuit (plochy vrstevnatosti, puklinové systémy aj.). Charakter horninového materiálu určuje, zda se jedná o skalní nebo zemní masiv. Zemní masiv je tvořen zeminami, skalní horninový masiv je složen z bloků skalních hornin. Bloky jsou od sebe odděleny plochami diskontinuit. Masiv bývá do  menší či větší hloubky narušen zvětráváním, okolí puklin a dislokací dlouhodobě ovlivňují účinky podzemní vody.

Při hodnocení vlastností se horniny rozdělují podle pevnosti strukturních vazeb na skalní horniny a zeminy.

4.1    Vlastnosti skalních hornin

Skalní horniny mají pevné krystalizační a cementační vazby mezi horninotvornými částicemi. Jsou typické širokým spektrem vlastností, které jsou dány jejich nehomogenitou a anizotropií, protože se každá skalní hornina, jako trojfázový systém, skládá z tuhé fáze (vlastní hmoty) a pórového prostranství, které může být vyplněno plynnou (vzduch, plyny) nebo kapalnou fází (tekutiny).

Analýza vlastností skalních hornin zahrnuje petrografické studium, terénní a laboratorní výzkum.

Petrografická analýza studuje popisné vlastnosti, kterými jsou minerální složení, kvantitativní a kvalitativní údaje o minerálech, vzájemná vazba zrn, texturní a strukturní znaky. Studium se neobejde bez mikroskopie. Výsledky petrografické studie pomáhají prognózovat vlastnosti horniny, upřesňuje výsledky získané terénním nebo laboratorním výzkumem.

Interakci stavebního díla a geologického prostředí posuzuje terénní výzkum, který je veden v závislosti na účelu, pro který se vykonává. Pro stavební účely se při něm zjišťuje charakter, mocnost, úložní poměry horniny, hloubka zvětrání, hustota a charakter ploch diskontinuit. Terénní výzkum je realizován vhodně situovanými polními geotechnickými zkouškami, které zahrnují např. zkoušky pro určení stavu napjatosti, deformovatelnosti, tahové, tlakové a smykové zkoušky apod.

Při laboratorních zkouškách se vlastnosti zkoumají na vzorcích hornin, které pocházejí z vrtných jader, případně z bloků hornin uvolněných ze skalního masivu. Ke zkoumaným vlastnostem patří vlastnosti fyzikální, které lze vyjádřit fyzikálními jednotkami, mechanické, které udávají schopnost horniny odolávat porušení vlivem vnějšího zatížení, a technologické, na základě nichž se posuzuje vhodnost horniny pro daný účel.

Pro skalní horniny se nejčastěji stanovují měrná a objemová hmotnost, pórovitost, vlhkost, nasákavost, pevnost, koeficient změknutí, obrusnost, odolnost proti otluku, mrazuvzdornost, koeficient mrazuvzdornosti v tlaku, ohladitelnost kameniva.

·                Měrná a objemová hmotnost

Měrná hmotnost r_s v g.cm^-3 je hmotnost objemové jednotky pevné fáze (Pašek, Matula a kol., 1995). Voda, která se neodpaří při 105°C, se považuje za součást pevné fáze. Měrná hmotnost se stanovuje na vzorku předem rozemletém na prášek pomocí pyknometru.

Objemová hmotnost r (g.cm^-3) je hmotnost všech složek v objemové jednotce horniny. Rozlišuje se podle okamžité vlhkosti objemová hmotnost zcela vysušené (r_d), částečně nasycené (r) a zcela nasycené horniny (r_sat). Stanovuje se na geometricky pravidelných vzorcích změřením rozměrů, v případě nepravidelných vzorků se tento ponoří do vody v kalibrované nádobě. Objemová hmotnost je menší než měrná a také rozmezí hodnot u ní je větší (Pašek, Matula a kol., 1995).

·                Pórovitost

Podíl objemu pórů v celkovém objemu horniny udává pórovitost (n). Lze ji stanovit pomocí objemové hmotnosti zcela vysušené zeminy a měrné hmotnosti podle vzorce:

Při vynásobení 100 je hodnota vyjádřena v procentech. Pórovitost u skalních hornin kolísá v širokém rozmezí. Zatímco pevné skalní horniny mívají hodnotu pórovitosti jen několik procent, např. u pórovitých vulkanických hornin mohou hodnoty přesáhnout i 30% (Čabalová, Baliak, Kopecký, 1999). Celková pórovitost však neumožňuje prognózovat negativní vlastnosti horniny při styku s vodou nebo odolnost vůči zvětrávání. Záleží totiž především na pórové struktuře, tvaru, objemu a prostorovém uspořádání pórů a na možnosti vzájemné komunikace mezi póry.

U hornin lze stanovit také číslo pórovitosti (e). Jedná se o poměr objemu pórů k objemu pouze pevné fáze horniny. Mezi pórovitostí a číslem pórovitosti platí:

       a       

·                Vlhkost

Vlhkost (w) představuje poměr hmotnosti vody v pórech ke hmotnosti pevné fáze horniny.

Hmotnost vody se stanovuje z rozdílu hmotnosti vlhkého vzorku a vzorku vysušeného při 105 a 110°C.

S vlhkostí souvisí také stupeň saturace (S_r), který vyjadřuje, jaká část pórů je vyplněna vodou a počítá se pomocí objemové vlhkosti a pórovitosti podle vztahu:

Stupeň saturace i vlhkost jsou bezrozměrné veličiny, při vynásobení 100 se dostává hodnota v procentech.

Vlhkost (tab. 4.1.1)je důležitá především u hornin, které obsahují jílové minerály. Při kolísání vlhkosti se u těchto hornin výrazně mění jejich mechanické vlastnosti.

Tab. 4.1.1  Příklady přirozené vlhkosti hornin ((Pašek, Matula a kol., 1995)

·                Nasákavost

Nasákavost (N) se vyjadřuje v procentech pomocí vlhkosti. Představuje schopnost horniny přijímat vodu do tzv. otevřených pórů, které jsou spojeny s okolním prostředím (Pašek, Matula a kol., 1995). Stanovuje se jako přírůstek vody, kterou zkušební těleso přijímá za normou stanovených podmínek. Vzorek horniny se sytí vodou za normálního tlaku vzduchu nebo ve vakuu. Hodnota nasákavosti se řídí podmínkami stanovování, charakterem pórové struktury, rychlostí ponoru vzorku do vody (Čabalová, Baliak, Kopecký, 1999).

Opačnou vlastností je vododajnost, schopnost horniny uvolnit a vydávat při neovlivňovaném odtoku určité množství vody z pórů. Tato vlastnost je důležitá pro zásobování vodou.

·                Pevnost

Skalní horniny jsou schopny vyvíjet odpor proti porušení celistvosti vlivem vnějšího namáhání. V okamžiku dosažení napětí na mezi pevnosti dochází k porušení. Podle způsobu namáhání se rozlišuje pevnost v prostém tlaku, v trojosém tlaku, v tahu za ohybu, ve smyku a ve střihu (tab. 4.1.2).

Tab. 4.1.2  Orientační meze hodnot jednotlivých pevností (Pašek, Matula a kol., 1995)

Pevnost v prostém tlaku s_c (MPa) je největší zatížení, které je vztaženo na jednotku původního průřezu zkušebního tělesa (Pašek, Matula a kol., 1995). Zkušební těleso je při tomto zatížení porušeno zpravidla smykem. Hodnota pevnosti se vypočítá pomocí hodnoty zatížení při porušení (F) a plochy příčného průřezu tělesa (A) podle vztahu:

Poměrem hodnot tlakové pevnosti mezi zkouškami na vzorcích nasycených vodou a vysušených se získá koeficient změknutí K_Z, který udává pokles pevnosti kamene po nasycení vodou. Čím vyšší je hodnota koeficientu, tím kvalitnější hornina je. Skalní horniny dosahují hodnot koeficientu  mezi 0,7 až 1,0.

Pevnost při trojosém tlaku se stanovuje na válečkových vzorcích při tzv. nepravé triaxiální zkoušce. Pravou triaxiální zkouškou se získává pevnost smyková.

Pevností v tahu s_t (MPa, kPa) se rozumí největší zatížení, vztažené na původní průřez zkušebního tělesa (Pašek, Matula a kol., 1995). Výpočet je obdobný jako v případě pevnosti v prostém tlaku. Zkušební těleso mívá zpravidla tvar dlouhého trámečku pravoúhlého nebo kruhového průřezu.

Pevnost v tahu za ohybu je největší tahové napětí v krajních vydutých vláknech ohýbaného zkušebního tělesa, při kterém se vzorek „zlomí“ (Pašek, Matula a kol., 1995). Při zkoušce je zkušební těleso namáháno jak tahem, tak tlakem. Protože je ale tlaková pevnost horniny vždy vyšší, vzorek je porušen právě tahem.

Pevnost ve smyku (video - Smyková krabicová zkouška) je definována jako maximální tangenciální napětí, které vyvolá porušení v tělese s rovnoměrnou napjatostí, plochy porušení se samovolně vytvářejí v místech největšího namáhání (Pašek, Matula a kol., 1995). Pevnost ve střihu t_s je největší tangenciální síla, vztažená na jednotku plochy porušení, která vede k porušení na této ploše, jejíž poloha je dána metodikou zkoušky (Pašek, Matula a kol., 1995). Smykové napětí je nerovnoměrné, počítá se pomocí tangenciální složky porušující zatížení (T) a velikosti plochy porušení (A):

·                Mrazuvzdornost a koeficient mrazuvzdornosti v tlaku

Koeficientem mrazuvzdornosti v tlaku KM_c je vyjádřen poměr pevnosti v tlaku stanovený na zmrazeném vzorku a na nemrazeném (Pašek, Matula a kol., 1995). Koeficient se stanovuje především u dekoračního a stavebního kamene a kameniva. V případě kameniva se dále stanovuje mrazuvzdornost, daná úbytkem frakce v hmotnostních procentech po 25 nebo 50 zmrazovacích cyklech. Větší úbytek signalizuje méně kvalitní horninu.

·                Obrusnost

Při zkoušce obrusnosti se měří úbytek objemu a výšky zkušebního vzorku, který je vystaven broušení.

·                Odolnost proti otluku

Otlukovost (Ko) je vyjádřena procentuální ztrátou hmotnosti vzorku po otloukání ve zkušebním bubnu. Počítán je úbytek na sítě s průměrem oka 2 mm (Pašek, Matula a kol., 1995). Méně kvalitní horninu indikuje vyšší hodnota koeficientu, což znamená, že sítem propadlo větší množství zkušebního vzorku.

·                Ohladitelnost kameniva

Důležitou vlastností kameniva, které se má použít pro kryt vozovek, a kriterium bezpečnosti krytu vozovek je ohladitelnost kameniva (fok).

Během provozu se u všech typů krytů vozovek časem objeví snížení odporu proti smýkání, které je způsobeno opotřebením a vyhlazením povrchu vozovky. Proto je důležité, aby kamenivo zajistilo dostatečnou drsnost povrchu vozovky. Odolnost proti ohlazu je dána minerálním složením horniny, její strukturou a rozdílem tvrdostí jednotlivých minerálů horniny. Proto se vhodným materiálem stávají horniny, v nichž se vedle sebe vyskytují minerály s rozdílnou tvrdostí.

Ohladitelnost kameniva se stanovuje přístrojem na urychlené ohlazování, případně na zkušebních úsecích vozovky.

4.2    Vlastnosti zemin

Zeminy jsou tvořeny úlomky hornin i zrny jednotlivých minerálů. Nemají pevné strukturní vazby, jsou tak nezpevněné, případně slabě zpevněné. Jejich vznik je spojen s mechanickým a chemickým zvětráváním. Vlastnosti zemin výrazně ovlivňují jemnější částice. Především chování jílových minerálů  ve vztahu s vodou vlastnosti mění.

K základním (též popisným nebo indexovým) vlastnostem se řadí granulometrické složení, objemová a měrná hmotnost, pórovitost, ulehlost písčitých a štěrkovitých zemin, vlhkost, stupeň saturace, plasticita a konzistence.

·                Granulometrické složení

Klasifikace a zatřídění zemin do klasifikačního systému se realizuje pomocí nejdůležitější charakteristiky -  granulometrického složení (zrnitosti zeminy). Vyjádřeno je graficky zrnitostní křivkou a udává podíl určitých skupin frakcí v celkovém množství zeminy (Pašek, Matula a kol., 1995).

Zrnitost se stanovuje mechanickým rozborem. Zatímco jemné částice se stanovují hustoměrnou zkouškou na základě měření rychlosti usazování zrn ve vodě, štěrková a písková zrna se prosévají sadou normových sít, jejichž otvory mají čtvercový tvar a délka strany u jednotlivých sít je 0,063-0,125-0,25-0,5-1-2-4-8-16-32-63-128 mm (video - Prosévací zkouška).

Z výsledku rozboru se sestavuje zrnitostní křivka, z níž se stanovuje účinná velikost zrna, která odpovídá 10% na křivce (d_e = d₁₀), a číslo nestejnozrnitosti podíl průměrů při 60% a 10% hmotnosti.

·                Měrná a objemová hmotnost

Měrná hmotnost (r_s) je hmotnost jednotkového objemu pevné fáze zeminy. Vypočítá se z poměru hmotnosti zrn zeminy k jejich objemu.

Objemovou hmotností se rozumí hmotnost jednotkového objemu zeminy, složené ze všech fází zeminy (pevné fáze, pórů a jejich výplně). Objemová hmotnost, jako měřítko ulehlosti, může být podle podmínek, při kterých se stanovuje, v přirozeném stavu (r), vysušené zeminy (r_d), zeminy nasycené vodou (r_sat) a zeminy pod vodou (r^´).

Tabulka 4.2.1 ukazuje orientační hodnoty měrné a objemové hmotnosti některých zemin.

Tab. 4.2.1  Orientační hodnoty hmotnosti zemin (Pašek, Matula a kol., 1995)

·                Pórovitost

Pórovitost  (n) je definována jako poměr objemu pórů zeminy k celkovému objemu a udává se v procentech. Vypočítává se stejně jako v případě skalních hornin pomocí hmotností:

Pórovitost se často vyjadřuje také pomocí čísla pórovitosti (e), které se vyjadřuje poměrem objemu pórů k objemu zrn zeminy.

Tabulka 4.2.2 ukazuje orientační hodnoty pórovitosti a čísla pórovitosti některých zemin.

Tab. 4.2.2  Orientační hodnoty pórovitosti a čísla pórovitosti zemin (Pašek, Matula a kol., 1995)

Hodnota pórovitosti v přírodě kolísá v závislosti na tvaru zrn, způsobu uložení, vlhkosti zeminy, proto se v případě písčitých a štěrkovitých zemin popisuje charakteristikou, která tyto aspekty zohledňuje, relativní ulehlostí. Ke stanovení indexu relativní ulehlosti (I_D; tab. 4.2.3) je potřeba laboratorně stanovit maximální a minimální pórovitost, a pak lze použít vztahu:

Tab. 4.2.3  Ulehlost písčitých a štěrkovitých zemin

·                Vlhkost

Přirozenou vlhkostí zeminy (w_V; udává se v %) se rozumí množství vody, které lze odstranit vysoušením při 105°C po dobu 24 hodin. Lze ji vypočítat z poměru hmotnosti vody v hornině k hmotnosti pevné fáze.

Stupeň saturace (S_r; tab. 4.2.4) udává, jakou část pórů vyplňuje voda. Popsán je poměrem objemu pórů s vodou k celkovému objemu pórů.

Tab. 4.2.4  Stupeň nasycení písků (Myslivec, Eichler, Jesenák, 1970 in Pašek, Matula a kol., 1995)

·                Konzistence a plasticita

Konzistence se definuje jako stav soudržné zeminy v závislosti na vlhkosti. Sytí-li se jemnozrnná zemina vodou, mění tato svůj stav (konzistenční) od pevného, přes plastický a kašovitý až po tekutý (viz. video - Příklad tečení jílů). Vzhledem k tomu, že mezi jednotlivými konzistenčními stavy neexistují ostré hranice, jsou zavedeny tzv. hraniční vlhkosti, stanovené laboratorně nejčastěji podle Atterberga. Mezi pevným a plastickým stavem je vlhkost na mezi plasticity (w_P), mezi plastickým a kašovitým stavem leží vlhkost na mezi tekutosti (w_L, video - Určení meze tekutosti).

Rozdílem mezi vlhkostí na mezi tekutosti a vlhkostí na mezi plasticity se získá index plasticity (I_P). Udává, o kolik vody se musí zemina obohatit, aby přešla z vlhkosti na mezi plasticity do vlhkosti na mezi tekutosti.

Konzistenci lze číselně vyjádřit pomocí indexu konzistence (I_C, tab. 4.2.5).

Tab. 4.2.5  Konzistence zemin (ČSN 72 1001)

ZPĚT NAHORU        ZPĚT NA TEXTOVOU MULTIMEDIÁLNÍ ČÁST        ZPĚT NA ÚVODNÍ STRANU