1. Základní pojmy kurzu. Cíle a cíle kurzu. Složení, struktura, stav a fyzikální vlastnosti půd.
1.1. Základní pojmy kurzu.
Mechanika půdy studuje fyzikální a mechanické vlastnosti zemin, metody výpočtu napjatosti a deformací základů, hodnocení stability zemních hmot a tlaku zeminy na konstrukce.
půda se vztahuje na jakoukoli horninu používanou ve stavebnictví jako základ stavby, prostředí, ve kterém je stavba postavena, nebo materiál pro stavbu.
Skála nazýváme přirozeně vytvořený soubor minerálů, který se vyznačuje složením, strukturou a texturou.
Pod složení implikovat seznam minerálů, které tvoří horninu. Struktura – jedná se o velikost, tvar a kvantitativní poměr částic tvořících horninu. textura – prostorové uspořádání půdních prvků, které určuje její strukturu.
Všechny půdy se dělí na přírodní – vyvřelé, sedimentární, metamorfované – a umělé – zhutněné, fixované v přirozeném stavu, objemné a aluviální.
1.2. Cíle předmětu mechanika zemin.
Hlavním cílem kurzu je naučit studenta:
– základní zákony a základní principy mechaniky zemin;
– vlastnosti zemin a jejich charakteristiky – fyzikální, deformační, pevnostní;
– metody výpočtu napjatého stavu zemního masivu;
– metody výpočtu pevnosti a sedání půdy.
1.3. Složení a struktura půd.
Půda je třísložkové médium skládající se z pevné, kapalné a plynné Komponenty. Někdy jsou izolovány v zemi biota – Živá hmota. Pevné, kapalné a plynné složky jsou v neustálé interakci, která se aktivuje v důsledku konstrukce.
Částice půdy se skládají z horninotvorných minerálů s různými vlastnostmi:
– minerály inertní vůči vodě;
– minerály rozpustné ve vodě;
Kapalný složka je přítomna v půdě ve 3 stavech:
Plynný složkou v nejsvrchnějších vrstvách půdy je atmosférický vzduch, dole – dusík, metan, sirovodík a další plyny.
1.4. Struktura a textura půdy, strukturální pevnost a vazby v půdě.
Souhrn pevných částic tvoří kostru půdy. Tvar částic může být hranatý nebo kulatý. Hlavní charakteristikou půdní struktury je známkování, který ukazuje kvantitativní poměr frakcí částic různých velikostí.
Textura půdy závisí na podmínkách jejího vzniku a geologické historii a charakterizuje heterogenitu tloušťky půdy ve formaci. Existují následující hlavní typy složení přírodních jílovitých půd: vrstvené, souvislé a složité.
Hlavní typy strukturálních spojení v půdách:
1) krystalizace spojení je vlastní kamenitým půdám. Energie krystalických vazeb je úměrná intrakrystalické energii chemických vazeb jednotlivých atomů.
2) koloidní voda vazby jsou určeny silami elektromolekulární interakce mezi minerálními částicemi na jedné straně a vodními filmy a koloidními obaly na straně druhé. Velikost těchto sil závisí na tloušťce filmů a slupek. Vodo-koloidní vazby jsou plastické a reverzibilní; s rostoucí vlhkostí rychle klesají na hodnoty blízké nule.
1.5. Fyzikální vlastnosti půd.
Představme si určitý objem třísložkové zeminy o hmotnosti, rozdělené na jednotlivé složky, kde. jsou respektive objem a hmotnost pevné, kapalné a plynné složky zeminy (obr. 1.1). Potom ;, protože hmotnost plynné složky je zanedbatelná a neovlivňuje výsledky stanovení.
Hustota půdy (g/cm3, t/m3) – poměr hmoty půdy k jejímu objemu:
Měrná hmotnost půdy (kN/m3): . (1.2)
Půdní vlhkost – poměr hmotnosti vody k hmotnosti pevných částic, vyjádřený ve zlomcích jednotky, někdy v procentech:
Hustota půdních částic (g/cm3, t/m3) je definován jako poměr hmotnosti pevných částic půdy k jejich objemu:
Hustota suché půdy (hustota půdního skeletu) – poměr hmotnosti suché půdy (půdních částic) k objemu celé půdy:
Pórovitost půdy – poměr objemu pórů k celkovému objemu půdy, který odpovídá objemu pórů na jednotku objemu půdy:
Relativní obsah pevných látek na jednotku objemu půdy:
Koeficient pórovitosti půdy – poměr objemu pórů k objemu pevných částic:
Stupeň vlhkosti (stupeň nasycení vodou) – poměr objemu vody v pórech půdy k objemu pórů a odpovídá poměru vlhkosti půdy k její celkové vláhové kapacitě:
Na základě konzistence existují tři stavy jílovité půdy: pevná, plastická a tekutá. Hranicemi mezi těmito stavy jsou charakteristické hodnoty vlhkosti, tzv rolovací limit (spodní plastový limit) иmez výtěžnosti (horní plastická mez) .
Číslo plasticity půdy – rozdíl mezi hranicí výnosu a pohyblivou hranicí:
Míra obratu jílovitá půda:
Ve stavebnictví se horniny, které se vyskytují převážně v zóně zvětrávání zemské kůry, nazývají zeminy. Zeminy se používají ve stavebnictví jako základové materiály pro budovy a stavby; prostředí, ve kterém jsou stavby stavěny, a materiály konstrukcí samotných.
Půdy se vyznačují složením, strukturou a texturou. Složení odkazuje na seznam minerálů, které tvoří horninu. Struktura je velikost, tvar a kvantitativní poměr částic, které tvoří půdu. Textura je prostorové uspořádání půdních prvků, které určuje její strukturu. Složení a struktura půd souvisí s podmínkami jejich vzniku.
Všechny půdy se dělí na přírodní – vyvřelé, sedimentární, metamorfní a technogenní – zhutněné, fixované v přirozeném stavu, objemné a aluviální. Horniny vyvřelého, metamorfovaného původu a stmelené sedimentární horniny mají tuhé vazby mezi částicemi a patří do třídy skalnatých půd.
Nezpevněné sedimentární horniny nemají tuhé vazby a patří do třídy neskalnatých nebo rozptýlených půd.
Podle původu a podmínek vzniku se nekamenité půdy dělí na:
1) kontinentální sedimenty: eluviální (ležící v místě jejich původního výskytu); koluviální (umístěné na svazích kopce, kde vznikly); aluviální (dopravované vodními toky na značné vzdálenosti); glaciální (v důsledku působení ledovců); aquaglaciální (písky a oblázky); jezerně-ledovcové (pásové jíly, hlíny a písčité hlíny); eolické (produkty fyzikálního zvětrávání přenášené vzdušnými proudy);
2) mořské sedimenty: vrstvy rozptýlených jílů, organominerální útvary.
Složení neskalnatých zemin do značné míry určuje jejich fyzikální a mechanické vlastnosti. Obecně se půda skládá ze tří fází: pevné, kapalné a plynné. Tyto komponenty jsou v neustálé interakci. Pevné částice půdy se skládají z horninotvorných minerálů s různými vlastnostmi. Kapalnou složkou půd je voda: krystalizační, vázaná a volná. Složitá a pestrá interakce pevných částic půdy s vodou velmi ovlivňuje vlastnosti půdy.
Plyny v půdě mohou být volné nebo rozpuštěné ve vodě. Obsah zachyceného plynu v půdě (nachází se v kontaktech mezi částicemi a filmy vody) a plynu rozpuštěného ve vodě významně ovlivňuje vlastnosti půdy. Vlastnosti zemin tedy závisí na složení, stavu a interakci jejích složek.
Spojení mezi částicemi a agregáty částic v půdě se nazývají strukturní vazby. Vzhledem k vysoké pevnosti samotných částic jsou to právě vazby mezi částicemi, které určují pevnost a deformovatelnost zemin. Skalnaté půdy se vyznačují tuhými strukturními vazbami typu krystalizace nebo cementace. Proto mají vysokou pevnost a nízkou deformovatelnost.
Nekamenité (dispergované) půdy se skládají z jednotlivých minerálních částic různé velikosti, vzájemně slabě vázaných. Nesamenné zeminy se na základě charakteru jejich strukturních vazeb dělí na soudržné a nesoudržné (sypké).
Mezi soudržné půdy patří jílovité půdy (písčitohlinité, hlinité, jílovité); do kyprých půd – hrubozrnné a písčité půdy.
Odolnost proti vzájemnému pohybu částic zrnité zeminy je dána třecími silami dotykových ploch a záběrem mezi nerovnostmi těchto ploch. Tento mechanismus spojení mezi částicemi zrnitých zemin se nazývá vnitřní tření zeminy.
Strukturální vazby v jílovitých půdách jsou složitější povahy a jsou určeny elektromolekulárními silami vzájemné přitažlivosti a odpuzování mezi částicemi. Takové vazby se nazývají koloidní voda. Určují soudržnost jílovitých půd. Síla těchto vazeb je relativně nízká, ale po nějaké době po jejich zničení jsou obnoveny. Cementační vazby v soudržných zeminách jsou křehké a při zničení je nelze obnovit.
Hodnocení každého specifického typu půdy jako fyzického těla se provádí pomocí fyzikálních charakteristik. Kvantitativní hodnoty některých charakteristik jsou vždy stanoveny z laboratorních pokusů, nejčastěji se vzorky půdy (označují se jako základní), jiných (derivátů) – výpočtem na základě hodnot ukazatelů stanovených v pokusech.
Soulad takto získaných charakteristik se stavem zeminy je jednou z nejdůležitějších podmínek pro přesnost inženýrských předpovědí chování zemin při zatížení.
