GEOLOGIJA 46/2, 307–312, Ljubljana 2003
Mehanske lastnosti vezljivih zemljin v odvisnosti od koli~ine vode
in mineralne sestave Mechanical properties of cohesive soils in dependence on the water quantity and
mineralogical composition
Bojana DOLINAR & Ludvik TRAUNER Univerza Maribor, Fakulteta za gradbeni{vo, Smetanova ulica 17, 2000 Maribor, Slovenija
Klju~ne besede: gline, specifi~na povr{ina, nedrenirana stri‘na trdnost Keywords: clays, specific surface, undrained shear strength
Kratka vsebina
V prispevku je pojasnjeno razmerje med vsebnostjo vode, mineralo{kimi in mehanskimi lastnostmi zasi~enih glin. Ugotovitve, ki temeljijo na teoreti~ni analizi, so bile potrjene eksperimentalno na monomineralnih vzorcih glin. Ugotovljeno je bilo, da je koli~ina medzrnske vode, ki dolo~a nedrenirano stri‘no trdnost in stisljivost glin, sestavljena iz proste porne vode in trdno adsorbirane vode na zunanje povr{ine glinenih zrn. Koli~ina proste porne vode je za razli~ne zasi~ene gline pri enaki nedrenirani stri‘ni trdnosti in enaki efektivni napetosti po konsolidaciji enaka, prav tako pa tudi debelina vodnega filma okoli glinenih zrn. Celotna koli~ina trdno adsorbirane vode je odvisna od specifi~ne povr{ine glin. Rezultat tega dela je analiti~no podana odvisnost med vsebnostjo vode in mehanskimi lastnostmi glin ob upo{tevanju njihovih mineralo{kih zna~ilnosti.
Abstract
This article explains the relationships between the water content, mineralogical properties and mechanical properties of saturated clays. The findings are based on theoretical analysis and were confirmed experimentally on monomineral clay samples. It was found that the quantity of intergrain water, which determines the undrained shear strength and compressibility of clays, consists of free pore water, and the firmly adsorbed water on the external surfaces of the clay grains. The free water quantity is the same for different saturated clays, at the same undrained shear strength, and same effective stress after consolidation and, likewise, the thickness of the water film around the clay grains. The total quantity of firmly adsorbed water depends on the specific surfaces of the clays. The result of this work is a new analytical formulation that gives the relationship between the water content and the mechanical properties of clays, taking into account their minera-logical characteristics.
Uvod                                          To je tudi razlog, da v tem ~asu ne moremo
na osnovi ugotovljenih mineralo{kih zna~il-Mehanske lastnosti zasi~enih vezljivih         nosti zemljin in pogojev, ki vladajo v okolju, zemljin so odvisne od koli~ine vsebujo~e         napovedati njihovih mehanskih lastnosti, zavode, le ta pa od razli~nih dejavnikov, ki         to se le te dolo~ajo neposredno s pomo~jo izhajajo iz mineralne sestave in okolja. Ta         razli~nih terenskih in laboratorijskih pre-razmerja doslej niso bila sistemati~no pre-         iskav. Na tak na~in preiskane lastnosti so iskana, znane so le posamezne ugotovitve.         odraz trenutnega stanja in dogajanja v oko-
308
lju. Ker ni znano, kako posamezni vplivni dejavniki oblikujejo te lastnosti, tudi ni mo-go~e na tej osnovi preverjati rezultatov preiskav in ne napovedovati obna{anja zemljin v spremenjenih geotehni~nih pogojih, kar je pri gradnji objektov klju~nega pomena.
Re{itev opisane problematike bo zahtevala, zaradi svoje obse‘nosti in kompleksnosti, ob{irne in sistemati~ne {tudije, ki pa so tako v svetu kot pri nas prakti~no {ele na za~etku. Pomemben prispevek zato predstavljajo rezultati {tudije, ki jih podajamo v prispevku. Ugotovili smo, kako je pri enaki nedrenirani stri‘ni trdnosti in enakih kon-solidacijskih tlakih koli~ina vsebujo~e vode povezana z lastnostmi mineralov v sestavi in to odvisnost izrazili v analiti~ni obliki, ki velja za vse vrste zasi~enih vezljivih zemljin. Pri laboratorijskih raziskavah, s katerimi smo preverili veljavnost postavljene teze, smo uporabili monomineralne vzorce glin, ki pripadajo dobro kristaliziranemu kaoli-nitu (KGa-1), slabo kristaliziranemu kaoli-nitu (KGa-2) in montmorillonitu s Ca iz-menljivim kationom (SAz-1). Gline izhajajo iz nahajali{~ v ZDA. Njihovo pridobivanje in pripravo vodi zdru‘enje Clay Mineral Society v okviru projekta Source Clays, dostopne pa so vsem raziskovalcem. Pri izkopavanju in pripravi glin se uporabljajo tak{ni postopki, ki zagotavljajo nespremenjene lastnosti teh materialov. Ker se sestava naravnih glin na razli~nih delih nahajali{~ nekoliko spreminja, so gline za raziskovalne namene pripravljene tako, da se velike koli-~ine materiala predhodno homogenizirajo in shranijo. Tak na~in omogo~a dolgoletne raz-li~ne raziskave popolnoma enakega materiala in s tem primerjanje in dopolnjevanja rezultatov predhodnih {tudij. Podatki o ke-mi~ni sestavi, mineralni sestavi, strukturni zgradbi, kationski izmenjalni kapaciteti, specifi~ni povr{ini in drugih lastnostih so za omenjene gline objavljeni v literaturi (Con-stanzo & Gugenheim, 2001; Van Olp-hen & Fripiat, 1979).
Na mehanske lastnosti zemljin vplivajo poleg mineralne sestave tudi dejavniki, ki so pogojeni z okoljem. Mednje pri{tevamo temperaturo, kemi~no sestavo vode, organske primesi in predhodni geolo{ki tlak. Prava razmerja med mehanskimi in mineralo{kimi lastnostmi zemljin so vidna le v primeru, ko so ti vplivni dejavniki enaki. Zato smo vse laboratorijske  analize  vr{ili  na  poru{enih
Bojana Dolinar & Ludvik Trauner
vzorcih glin brez organskih primesi pri temperaturi priblji‘no 20°C. Uporabili smo destilirano vodo.
Teoreti~ne osnove
V  vezljivih zemljinah se pojavljajo tako glineni kot neglineni minerali. Znano je, da minerali glin kot tudi voda niso kemi~no inertni, zato med njimi prihaja do interakcije. Nasprotno pa imajo neglineni minerali precej manj{o sposobnost vezanja vode in manj{o specifi~no povr{ino, zato je mogo~e predpostaviti, da je prete‘no vsa voda v zem-ljinah vezana prav na glinena zrna (Mitchell , 1993). To predpostavko potjujejo tudi rezultati preiskav podani v delu Seed et al. (1964), ki so pokazali, da je koli~ina vode na meji ‘idkosti pri enakih glinenih mineralih linearno odvisna od koli~ine neglinenih primesi.
Znano je, da imajo vezljive zemljine z raz-li~no sestavo pri koli~ini vode na meji ‘id-kosti enako nedrenirano stri‘no trdnost (C a -sagrande, 1932) in enako hidravli~no prepustnost (Nagaraj et al., 1991), kar pomeni, da mora biti enaka tudi povpre~na efektivna velikost por med posameznimi zrni ali agregati. Pri vsebnosti vode na meji ‘idkosti je enak tudi podtlak vpijanja porne vode (R u s s e l l & M i c k l e , 1970). Glede na podobno strukturno zgradbo razli~nih glinenih zrn je pri~akovati, da so sile interakcije med njihovimi povr{inami in adsorbira-no vodo enake. To pomeni, da je enaka tudi koli~ina adsorbirane vode na enoto povr{ine zrn, ki ustreza podtlaku vpijanja porne vode 6 kPa (Mitchell , 1993). Ker tudi na meji plasti~nosti zemljine izkazujejo enako ne-drenirano stri‘no trdnost, smo predpostavili, da imajo prav tako enako povpre~no efektivno velikost por med posameznimi zrni ali agregati in enako koli~ino adsorbirane vode na enoto povr{ine zrn. Pri~akovati je, da te predpostavke veljajo tudi za ostale vrednosti nedrenirane stri‘ne trdnosti, ki se pojavljajo pri koli~inah vode znotraj plasti~nega stanja zemljin.
V zemljinah, ki vsebujejo nabrekljive glinene minerale se poleg medzrnske vode pojavlja tudi medpaketna voda. Adsorbirana je na notranje povr{ine glinenih zrn in izme-njalne katione. Kadar so slednji dvo ali ve~ valentni povezujejo pakete med seboj tako
Mehanske lastnosti vezljivih zemljin v odvisnosti od koli~ine vode in mineralne sestave                 309
zunanja površina zrn
medpaketaavodawi      trdno adsorbirana voda weo
¦  ' / /   prosta porna voda wep
mo~no, da njihova cepitev ni mogo~a in tako tudi ne iztiskanje ali dodatno adsorbiranje medpaketne vode. Njena vsebnost je ne glede na koli~ino medzrnske vode stalna (Mad-sen & Vonmoos, 1989). Iz podanih dejstev sklepamo, da medpaketna voda ne more vplivati na mehanske lastnosti zemljin. Pri standardizirani metodi dolo~evanja vla‘no-sti zemljin se, zaradi su{enja pri temperaturi 1050 C, vedno dolo~a skupna koli~ina tako medzrnske kot medpaketne vode.
S sintezo na{tetih ugotovitev in predpostavk smo postavili naslednje trditve:
– Voda je v vezljivih zemljinah vezana samo na glinena zrna.
– Mehanske lastnosti zasi~enih zemljin so odvisne samo od koli~ine medzrnske vode.
– Skupna koli~ina medzrnske vode je sestavljena iz dele‘a, ki je adsorbiran na glinena zrna in dele‘a proste porne vode.
– Koli~ina proste porne vode je pri enaki nedrenirani stri‘ni trdnosti in enaki efektivni napetosti po konsolidaciji razli~nih zemljin glede na dele‘ glinenih zrn enaka. Njena koli~ina se spreminja linearno z dele‘em ne-glinenih primesi.
– Debelina plasti trdno adsorbirane vode na glinena zrna je pri enaki nedrenirani stri‘ni trdnosti in enaki efektivni napetosti po konsolidaciji razli~nih zemljin enaka, skupna koli~ina adsorbirane vode pa odvisna od povr{ine glinenih zrn v sestavi zemljin.
Podane trditve je mogo~e izraziti v anali-ti~ni obliki
We = P(wep + 4.^5ec)
(1)
kjer je we [cm3 vode /g BUhe gline] količina med-zrnske vode pri enaki nedrenirani strižni trdnosti in enaki efektivni napetosti po konsolidaciji različnih zasičenih vezijivih Zem-
Slika 1. Razporeditve vode v glinah.
Fig. 1. Disposition of water in clays.
ljin, p je masni delež glinenih zrn v sestavi zemljin (0 < p < 1), wep [cm3 vode /g BUlle giine] je količina proste porne vode, da [nm = 10"7 cm] je debelina plasti trdno adsorbirane vode in ^seC [mVg suhe gime = 104 cmVg] je specifična površina glinenih zrn (A$ec = A^elp, ASe je specifična površina Zemljine). Ker sta wep in da v izrazu (1) konstanti, je na tak način opredeljena odvisnost med količino medzrn-ske we vode in tistimi lastnostmi mineralov (količina p in specifična površina glinenih zrn) ASeC, ki jo določajo. Razporeditev vode v glinah je ponazorjena na sliki 1.
Preizkus veljavnosti teze
Veljavnost teze, zapisane v obliki izraza (1), smo preverili eksperimentalno z dolo~it-vijo odvisnosti med nedrenirano stri‘no trdnostjo in koli~ino medzrnske vode ter ko-li~ino medzrnske vode po konsolidaciji in efektivno napetostjo. Vsebnost medzrnske vode, ki se je pri razli~nih glinah pojavila pri enakih vrednostih nedrenirane stri‘ne trdnosti in enakih efektivnih napetostih smo razdelili v posamezne dele‘e tako, da je veljala ena~ba (1). Zaradi predpostavke, da so mehanske lastnosti odvisne samo od koli~i-ne medzrnske vode, je bilo potrebno v primeru Ca-montmorillonita celotno merjeno koli~ino vode zmanj{ati za dele‘ medpaket-ne vode. Opis postopka izra~una medzrnske vode in medpaketne vode je za omenjeni mineral prikazan v prispevku avtorice D o lin a r (2002). Pri kaolinitih je koli~ina med-zrnske vode enaka celotni vsebnosti vode, dolo~ene po standardiziranem postopku.
Nedrenirano stri‘no trdnost izbranih vzorcev glin smo dolo~ili s pomo~jo preiskave s konusnim penetrometrom. Slednje omo-go~a ugotovitev (Hansbo , 1957), da je ne-
310
Bojana Dolinar & Ludvik Trauner
drenirana stri‘na trdnost zemljin obratno sorazmerna kvadratu globine penetracije.
K
W
(2)
vode we[%], nedrenirano stri‘no trdnostjo cu [kPa] in dele‘em p ter specifi~no povr{ino glinenih zrn ASeC [m2/g]. V primeru preiskovanih vzorcev je dele‘ glinenih mineralov p = 1.
V izrazu (2) je K konstanta, odvisna od vrste uporabljenega konusa, W pa je masa konusa. V primeru Britanskega konusa je teoreti~no dolo~ena vrednost konstante K = 1.33 (Koumoto & Houlsby, 2001) in masa konusa W = 80 g. Koli~ino medzrnske vode smo pri vseh vzorcih dolo~ili pri enakih ugrezkih konusa, ki ustrezajo nedreniranim stri‘nim trdnostim cu = 2.66 kPa, 10.6 kPa, 42.5 kPa in 266 kPa. Vsebnost medzrnske vode smo nato ra~unsko razdeliti na dele‘ proste porne vode in dele‘ trdno adsorbirane vode tako, da sta bili pri razli~nih glinah in enaki nedrenirani stri‘ni trdnosti da in w konstanti. Rezultati izra~unov v preglednici 1 ka‘ejo, da je skupno koli~ino medzrnske vode res mogo~e razdeliti v posamezne dele‘e tako, da velja izraz (1).
Iz rezultatov v preglednici 1 je razvidno, da se tako koli~ina proste porne vode wm [%] kot tudi debelina plasti trdno adsorbirane vode da [nm] spreminjata v odvisnosti od vrednosti nedrenirane stri‘ne trdnosti cu [kPa]. Slika 2 ka‘e, da sta ti razmerji linearni, kadar sta spremenljivki prikazani v logaritemskem merilu, zato veljata izraza (3) in (4)
wep = fp cu   p [%]   fp = 34.34 in Sp = 0.07 (3)
"a = fa cu   '   [nm] fa = 10.42 ing'a= 0.23. (4)
Z izrazi (1), (3) in (4) je na tak na~in opredeljeno razmerje med koli~ino medzrnske
p (34.34c„- 007 + 1.042c„
;) [%] (5)
Po enakem postopku smo, skladno z (1), koli~ino proste porne vode in debelino plasti trdno adsorbirane vode izra~unali tudi iz koli~ine medzrnske vode po konsolidaciji zemljin pri efektivnih osnih napetostih cy' = 50 kPa, 100 kPa in 200 kPa. Preiskave smo vr{ili v edometru. Ker v nabrekljivih mineralih medpaketne vode pri obi~ajnih obremenitvah zemljin ni mogo~e iztisniti (Madsen & Vonmoos, 1989) in je zato pomembna samo koli~ina medzrnske vode, je bilo potrebno v primeru Ca-montmorillo-nita celotno merjeno koli~ino vode >V zmanj{ati za dele‘ medpaketne vode Wt. Koli~ina medzrnske vode we ter rezultati izra~una dele‘ev proste porne vode w in debelin plasti trdno adsorbirane vode da so podani v preglednici 2.
Ker sta tudi v tem primeru razmerji med koli~ino proste porne vode we„ [%] in efektivno napetostjo cj' [kPa] ter debelino plasti trdno adsorbirane vode da [nm] in efektivno napetostjo a' [kPa] v logaritemskem merilu linearni (slika 2), je to odvisnosti mogo~e izraziti s funkcijama (6) in (7)
w   =k o' p [%]  k,    = 36.06,  l„  = 0.07 (6)
d   =k CT1 " [nm] ka = 14.39,   la  = 0.22, (7)
razmerje med koli~ino medzrnske vode  we [%], efektivno napetostjo cj' [kPa], dele‘em p
Preglednica 1. Dele‘i proste porne vode in adsorbirane vode pri enakih nedreniranih stri‘nih
trdnostih.
Table 1. Portions of free pore water and adsorbed water at equal undrained shear strengths.
Vzorec
KGa-1
KGa-2
SAz-1
ISeC
[m2/g]
10.05
23.50
97.42
c„  [kPa]      2.66      10.6     42.5     266      2.66      10.6     42.5     266      2.66      10.6     42.5     266
we [%]         40.0     35.0     30.8     25.8     50.9     43.3     36.8     29.8     110.8   87.2      68.7     50.0
w„„ [%]         31.9     29.1     26.5     23.1     31.9     29.3     26.7     23.3     31.9     29.1     26.9     23.1
ep
da  [nm]       8.1        5.9       4.3       2.7       8.1        5.9       4.3       2.7       8.1        5.9       4.3       2.7
VV   [%]         8.1        5.9       4.3       2.7        19.0     14.0     10.1      6.5       78.9     58.1     41.8     26.9
Opomba: -w    in we [%] = 100 x cm3 vode /g suhe gline
W^j [%] = 100 x (da  [10-7 cm] x Asec [104 cm2/g
suhe gline
] )
Mehanske lastnosti vezljivih zemljin v odvisnosti od koli~ine vode in mineralne sestave                 311
Preglednica 2. Dele‘i proste porne vode in adsorbirane vode po konsolidaciji zemljin pri enakih
efektivnih napetostih.
Table 2. Portions of free pore water and adsorbed water after consolidation at equal effective
stresses.
Vzorec			KGa-1			KGa-2			SAz-1	
ASeC [m2/g]			10.05			23.50			97.42	
cu  [kPa]		50	100	200	50	100	200	50	100	200
cj' [%]		33.3	31.1	29.2	41.3	38.1	35.1	86.2	76.6	67.8
we [%]		27.2	25.9	24.7	27.1	25.9	24.7	27.2	25.9	24.5
da  [nm]		6.05	5.20	4.45	6.05	5.20	4.45	6.05	5.20	4.45
wea = daASeC	[%]	6.1	5.2	4.5	14.2	12.2	10.4	58.9	50.7	43.3
ter specifi~no povr{ino glinenih zrn ASeC [m2/ g] pa z izrazom (8).
w =p (36.06a'~°'m+ 1.439ct'~0'22 Asc) [%] (8)
Iz izrazov (3) in (6), ki ka‘eta razmerje med koli~ino proste porne vode in nedrenirano stri‘no trdnostjo oziroma efektivno napetostjo je razvidno, da je naklon obeh premic enak. To lahko trdimo tudi za odvisnost, izra‘eno s (4) in (7). Zelo majhno odstopanje je v tem primeru najverjetneje posledica napak pri prakti~nih preizkusih.
Zaključek
smo dolo~ili na osnovi citiranih ugotovitev drugih raziskovalcev. Nismo pa jih potrdili eksperimentalno, saj so bili v {tudiji uporabljeni samo monomineralni vzorci glin, kjer je p = 1. V nadaljevanju raziskav bo zato potrebno preveriti veljavnost izrazov (1), (5) in (8) v primerih manj{ih dele‘ev glinenih mineralov v zemljinah (0 < p < 1).
Razdelitev skupne koli~ine medzrnske vode v dele‘ proste porne vode in dele‘ adsor-birane vode pri enakih nedreniranih stri‘-nih trdnostih in enakih efektivnih napetostih smo dolo~ili ra~unsko. Potrebno bi bilo poiskati ustrezen na~in, s katerim bi tako dolo~ene vrednosti potrdili {e eksperimental-
V prispevku je pojasnjeno, zakaj in na kak{en na~in so mehanske lastnosti zasi~e-nih vezljivih zemljin odvisne od lastnosti mineralov v sestavi. Na osnovi teoreti~nih dognanj in prakti~nih preizkusov smo ugotovili, da na mehanske lastnosti vezljivih zemljin vpliva samo dele‘ medzrnske vode medtem ko medpaketna voda v nabrekljivih mineralih z omejenim nabrekanjem pri tem ni pomembna. Pri enaki nedrenirani stri‘ni trdnosti in enaki efektivni napetosti pri konsolidaciji zemljin je koli~ina proste porne vode glede na dele‘ glinenih mineralov enaka, koli~ina adsorbirane vode na povr{ine glinenih zrn pa odvisna od njihove velikosti (ena~ba (1)). Razmerje med koli~ino proste porne vode in nedrenirano stri‘no trdnostjo ter efektivno napetostjo pri konsolidaciji je v logaritemskem merilu linearno in se zato lahko izrazi v obliki (3) in (6). Enako velja tudi za debelino filma adsorbirane vode na glinena zrna (ena~be (4) in (7)).
Vpliv koli~ine glinenih mineralov na preiskane fizikalno mehanske lastnosti zemljin
Slika 2. Koli~ina proste porne vode wep in
debelina plasti trdno adsorbirane vode da kot
funkciji nedrenirane stri‘ne trdnosti c„ in
efektivne napetosti a'.
Fig. 2. The free pore water quantity w™ and
the firmly adsorbed water thickness da as a
function of undrained shear strength c„ and
effective stress a'.
no.
312
Bojana Dolinar & Ludvik Trauner
Raziskave so bile izvedene z majhnim {te-vilom vzorcev. Razlog je v te‘avnosti pridobitve ~istih mineralnih substanc, ki bi v celoti izpolnjevale ‘eljene pogoje. Kljub temu pa je bil dose‘en osnovni namen raziskav. Dokazana je bila pravilnost postavljene teze, kar daje dobra izhodi{~a za nadaljne raziskave na tem podro~ju.
Literatura
C a s a g r a n d e , A. 1932: Research on the At-terberg limits of soils - Public Roads.
Constanzo, P.M. & Gugenheim, S. 2001: Clay minerals Society Source Clays. - Clays and Clay minerals, Vol. 49, No. 5, 371-453, Aurora.
D o l i n a r , B. 2002: Vloga mineralogije v mehaniki zemljin - Geologija 45/2, 347-352, Ljubljana.
H a n s b o , S. 1957: A new approach to the determination of the shear strength of clay by the fall-cone test - R. Swedish Geotech. Inst. Proc. No.14, 7-47.
T. Koumoto , T. & Houlsby, G.T. 2001: Theory and practice of the fall cone test - Geotech-nique, Vol. LI, No. 8, 701-712, London.
Madsen, F.T. & Müller-Vonmoos M. 1989: The swelling behaviour of clays – Applied Clay Science, 4, 143-156, Zürich.
M i t c h e l l , J.K. 1993: Fundamentals of Soil Behaviour, 2nd ed., Wiley Interscience, 437 pp., New York.
Nagaraj, T.S, Pandian , N.S. & Narasim-h a R a j u , P.S.R. 1991: An approach for prediction of compressibility and permeability behaviour of sand-bentonite mixes - Indian Geotechni-cal Journal, 21, No.3, 271-282, Mumbai.
R u s s e l l , E.R. & M i c k l e , J.L. 1970: Liquid limit values of soil moisture tension - Journal of soil mechanics and Foundations Division, A.S.C.E., 96, 967-987, Reston.
Seed, H.B.,Woodward, R.J. & Lundgren, R. 1964: Clay mineralogical aspects of Atterberg limits. - Journal of Soil Mechanics and Foundations Division, A.S.C.E., Vol. 90, No. SM 4, 107-131, Reston.
V a n O l p h e n , H. & F r i p i a t , J. J. 1979: Data handbook for clay minerals and other nonmetallic materials, Pergamon press, 346 pp.