hrvatski

Utjecaj sušenja na ponašanje bubrive stijene

Bubrive stijene koje u svom sastavu sadrže minerale iz smektitske skupine glina pokazuju svojstva bubrenja i rasprostranjene su diljem svijeta. Uslijed promjene sadržaja vode mijenjaju svoj volumen. Promjene volumena (bubrenje ili stezanje) izazivaju deformacije i dodatna opterećenja konstrukcije koja je temeljena ili izgrađena u takvoj stijeni, te mogu uzrokovati ozbiljne štete, ako pri projektiranju ovi rizici nisu uzeti u obzir. Za racionalno projektiranje u takvim uvjetima potrebno je dobro razumjeti mehanizme koji dovode do promjene volumena, te imati mogućnost realne prognoze ponašanja stijene tijekom izvedbe i kasnije tijekom eksploatacije objekta. Uočeno je da stijena s visokim potencijalom bubrenja, ako se nalazi u potpuno saturiranom stanju, neće bubriti pri izlaganju vodi, te da će potencijal biti aktiviran samo ako se stijena desaturira (Vrkljan, 1997). Do desaturacije u prirodnim uvjetima najčešće dolazi zbog sušenja. Sušenje je realna pojava bez obzira na to radi li se o površinskim ili podzemnim iskopima. Problem promjene volumena bubrive stijene istovremeno uključuje fenomen tečenja vode u nesaturiranom poroznom mediju i fenomen promjene stanja naprezanja i deformacije uslijed promjene vlažnosti i saturacije medija. U teoretskom modelu razmatra se ponašanje tzv. reprezentativnog elementarnog volumena bubrive stijene koji se sastoji od mikro i makro strukture. Fizikalno-kemijska djelovanja unutar mikro i makro domene, kao i njihova međudjelovanja, određuju ponašanje stijene tijekom sušenja i vlaženja. Glavna hipoteza ovog istraživanja je da se primijećeno ponašanje bubrive stijene može opisati kvantitativnim modelom. Ponašanje treba kvantificirati kako bi se poboljšalo razumjevanje utjecaja sušenja na pojavu, intenzitet i razvoj bubrenja, te omogućilo racionalnu prognozu dubine desaturirane zone pod pretpostavljenim ili očekivanim uvjetima okoliša. Za kvantitativni opis ponašanja bubrive stijene potrebno je definirati njene hidrauličke karakteristike: krivulje retencije vode u sušenju i vlaženju, funkciju hidrauličke provodljivosti, te krivulju stezanja u sušenju odnosno krivulje bubrenja u vlaženju. Međutim, eksperimentalno određivanje ovih karakteristika nije jednostavan zadatak. Na temelju iskustava dobivenih u ovom istraživanju definiran je program eksperimentalnih i analitičkih postupaka koji su primjenjivi za zadovoljavajuće definiranje navedenih hidrauličkih karakteristika bubrive stijene. Za istraživanje je odabrana bubriva stijena koja se nalazi na lokalitetu zvanom Muvrinski Jarak kod Popovače, koja je donedavno eksploatirana za proizvodnju bentonita. Istraživanja su provedena na razini laboratorijskog uzorka, odnosno na neporemećenim i poremećenim uzorcima bubrive stijene. Saturirani uzorci su podvrgnuti sušenju na zraku u laboratorijskim uvjetima. Definirane su krivulje stezanja neporemećenog i poremećenog materijala. Inicijalno saturirani uzorci, različitih početnih suhih gustoća, imali su gotovo usporedne krivulje stezanja u tzv. rezidualnom dijelu. Zaključak je da nagib tzv. rezidualnog dijela krivulje predstavlja specifičnu karakteristiku materijala, koji se ne mijenja znatnije sa stupnjem prekonsolidacije ili promjenom varijable normalnog naprezanja. Desaturirani uzorci su podvrgnuti pokusima vlaženja. Uočeno je da iznos bubrenja i stupanj raspadanja bubrive stijene rastu s opadanjem vrijednosti saturacije na početku vlaženja. Postupnim (sporim) vlaženjem uzorci su navlaženi do visokih saturacija bez značajnije destrukcije materijala iako su prethodno bili potpuno desaturirani. Zaključak je da ponašanje bubrive stijene u vlaženju ne ovisi samo o stupnju desaturacije već i o količini infiltrirane vode u jedinici vremena. Konsolidacijom suspenzije od drobljenog materijala bubrive stijene u visokom cilindru pripremljeni su homogeni saturirani uzorci koji su podvrgnuti pokusima jednodimenzionalnog sušenja i vlaženja. Prikupljeni podaci iskorišteni su kao baza za verifikaciju kvantitativnog modela. U kvantitativnom modelu sušenje i vlaženje su tretirani kao kombinirani hidrauličko-mehanički procesi koji uključuju jednodimenzionalno tečenje vode i promjenu volumena. Tečenje je opisano na osnovi Richard-ove (1931) jednadžbe odnosno njene modificirane verzije (Garnier i dr., 1997a) za deformabilni medij koja omogućuje istovremenu simulaciju tečenja vode i deformacije medija. Simulacije pokusa jednodimenzionalnog sušenja pokazale su da je ponašanje bubrive stijene realno opisano kvantitativnim modelom na temelju eksperimentalno i analitički određenih svojstava materijala, čime je u potpunosti potvrđena glavna hipoteza istraživanja. Verificiranim modelom provedena je analiza utjecaja sušenja na razvoj desaturirane zone. Analize su jasno pokazale da dubina desaturirane zone najviše ovisi o brzini sušenja i hidrauličkoj provodljivosti bubrive stijene. Dubina zone raste s opadanjem brzine sušenja i povećanjem hidrauličke provodljivosti. Za interpretaciju promjene volumena iz profila vlažnosti dobivenih simulacijom vlaženja, razvijen je originalni model bubrenja na temelju hipoteze da će dijelovi iste bubrive stijene koji se na početku vlaženja razlikuju u sadržaju vlage imati zasebne krivulje bubrenja. Hipoteza također uključuje postojanje najmanje dviju faza bubrenja, a pod odgovarajućim uvjetima i treće faze, koje se mogu uočiti na tipičnoj krivulji bubrenja. Razvijenim modelom dobivena je realna slika bubrenja u simulaciji vlaženja.

bubrive stijene; bubrenje; krivulja retencije vode; funkcija hidrauličke provodljivosti; krivulja stezanja; krivulja bubrenja

nije evidentirano