Temeljenje

Uporeba CPTU-a za određivanje potencijala likvefakcije

Likvefakcija tla je čest i nerijetko vrlo razoran događaj koji se javlja tijekom seizmičkih evenata.
Predviđanje ovog fenomena predstavlja značajan izazov za inženjere, a ključno je u izgradnji potresno otpornih građevina u trusnim područjima.
Cilj ovog bloga je prikazati kako se uz pomoć geotehničkih parametara dobivenih CPTU-om može utvrditi potencijal likvefakcije temeljnog tla prilikom potresa.  

Što je likvefakcija?

Likvefakcija je fenomen u kojem tlo, u kratkom vremenskom razmaku gubi čvrstoću i krutost uslijed djelovanja dinamičkih opterećenja. Kada opteretimo tlo, bilo dinamički ili statički, dolazi do zbijanja strukture tla te porasta pornog tlaka (tlak vode u pornom prostoru), što zauzvrat smanjuje efektivna naprezanja unutar tla.

U donjem izrazu vidimo kako je posmična čvrstoća tla funkcija efektivnih naprezanja, stoga gubitkom istih dolazi do značajnog smanjenja čvrstoće i krutosti.

Gdje je:

τ – posmična čvrstoća tla
c – kohezija
σ’ – efektivno naprezanje
φ – unutarnji kut trenja

Važno je naglasiti da nisu sva tla podjednako sklona likvefakciji. Na temelju brojnih empirijskih dokaza ostavljenih nakon potresa i opsežnog teorijskog izučavanja ovog fenomena, utvrđeno je da su rahla, slabo graduirana pjeskovita tla, s niskim udjelom sitnozrnatih čestica te visokim stupnjem saturacije najpodložnija likvefakciji. S druge strane, kod zbijenih, dobro graduiranih tala, s većim udjelom čestica manjeg promjera, a time i manjim volumenom pora (slika 2.), mogućnost zbijanja strukture tla i razvoja pornih tlakova značajno je manja u odnosu na slabo graduirana tla, stoga je i potencijal likvefakcije manji.

Nadalje, kako je u slabo graduiranim pjeskovitim tlima iznos kohezije zanemariv, potpunim izostankom efektivnih naprezanja tlo gubi čvrstoću i krutost te prelazi u tekuće stanje, iz čega proizlazi pojam „likvefakcija“.  

Određivanje potencijala likvefakcije pomoću CPTU

Statički penetracijski pokus s mjerenjem pornog tlaka (CPTU) je geotehnička ispitna metoda koja se redovito koristi u svrhu procjene potencijala likvefakcije tla. Ispitivanje se provodi utiskivanjem konusne sonde u tlo konstantnom brzinom uz kontinuirano mjerenje otpora na šiljku sonde (q_t), trenja na plaštu sonde (f_s) te tlaka vode u porama (u₂) na različitim dubinama (z). Navedeni podaci se dalje koriste za procjenu potencijala likvefakcije, pri čemu je potrebno izračunati dva koeficijenta: koeficijent cikličkog naprezanja (CSR) i koeficijent cikličke otpornosti (CRR). Ukratko, ako je CSR veći od CRR, može se zaključiti da je potencijal likvefakcije ispitivanog tla velik, dok u slučajevima gdje je CSR manji od CRR, mogućnost pojave likvefakcije tla je minimalna.

Određivanje koeficijenta cikličkog naprezanja (CSR)

Uz osnovne podatke dobivenih CPTU ispitivanjem (q_t, f_s i u_s) za svaku promatranu dubinu (z), potrebno je odrediti i sljedeće geotehničke parametre: zapreminska težina tla (γ), ukupna vertikalna i efektivna vertikalna naprezanja (σ_v) i (σ’_v), normalizirani pokazatelj trenja (F_r), normalizirani otpora na šiljku (Q_tn), te indeks ponašanja (I_c). Koeficijent cikličkog naprezanja (CSR) koristi u svrhu opisivanja uvjeta tla podvrgnutog cikličkim opterećenjima a određuje se sljedećim izrazom:

Gdje je:

amax – maksimalno vršno seizmičko ubrzanje tla
g – ubrzanje sile teže
γ – zapreminska težina tla
σ’v – vertikalno efektivno naprezanje
rd – koeficijent redukcije naprezanja
rd=1,00 – 0,00765∙z, gdje je z < 9,15 m
rd=1,174 – 0,0267∙z, gdje je 9,15 m < z < 23 m
z – dubina tla

U svrhu boljeg opisivanja karakteristika tla, Roberston je 2016. godine razvio dijagram ponašanja tla, odnosno, „Soil behaviour type“ dijagram (SBT). Na temelju ovog dijagrama, tlo se klasificira u sedam kategorija, kako je prikazano na priloženoj slici.

Gdje je:

Fr – normalizirani pokazatelj trenja

Qt – normalizirani otpor na šiljku

Kako bi pojednostavili korištenje klasifikacijskog dijagrama, uvodi se indeks ponašanja (I_c) koji predstavlja granicu između pojedinih SBT zona (Jurić i Zovko, 2021), a određuje se sljedećim izrazom:

Određivanje koeficijenta cikličke otpornosti (CRR)

Za proračun koeficijenta cikličke otpornosti (CRR), uz već navedene parametre, potrebno je odrediti vrijednosti normalizirane otpornosti na šiljku korigirane za nadsloj (q_c1N)te faktora korelacije CPT-a na karakteristike zrna (K_c).
Normalizirana otpornost na šiljku korigirana za nadsloj iznosi:

Dok se faktor korekcije CPT-a na karakteristike zrna određuje sljedećim izrazom:

Umnoškom q_c1N i K_c dobiva se vrijednost modificirane normalne otpornosti na šiljku korigirane za nadsloj (q_c1Ns). Koeficijent cikličke otpornosti izračunava se za magnitudu potresa M=7,5 te se u daljnjem proračunu korigira za mjerodavnu magnitudu za predmetnu lokaciju kako bi se dobio podatak o faktoru sigurnosti FS.

Na sljedećem dijagramu prikazane su vrijednosti koeficijenta cikličkog naprezanja CSR i koeficijenta cikličke otpornosti CRR_7.5. Prikazani su rezultati CPTU ispitivanja provedenih na jednom građevinskom projektu u priobalnom dijelu grada Rijeke. Općenito, ako je vrijednost koeficijenta cikličke otpornosti manja od koeficijenta cikličkog naprezanja, znači da je područje podložno likvefakciji.

Na temelju priloženih rezultata CPTU-a, vidljivo je da ispitivano tlo većim dijelom nije podložno likvefakciji jer je CSR manji od CRR_7.5.  Na dijagramu je uočena potencijalna likvefabilnost na dubini od oko 8 m, što se provjerava daljnjim proračunima.

Određivanje faktora sigurnosti FS i likvefabilnosti PL

Koeficijent cikličke otpornosti proračunat je za magnitudu potresa M=7,5 te ga je potrebno korigirati. Korekcija se vrši za magnitudu (M) koja je uzeta kao najveća zabilježena magnituda potresa zabilježena na području ispitivanja.
Faktor optimizacije magnitude potresa (MSF) iznosi:

Gdje je:

M – najveća magnituda na području ispitivanja

Pomoću faktora magnitude potresa MSF, koeficijenta cikličkog naprezanja CSR i koeficijenta cikličke otpornosti, dobiva se vrijednost faktora sigurnosti FS za pojedinu dubinu.

Općenito, ako je faktor sigurnosti veći od FS=1,0, tlo se nalazi u zoni stabilnosti. Na sljedećem dijagramu prikazane su vrijednosti faktora sigurnosti FS za dubine (z). Vidljivo je da se profil tla generalno nalazi u zoni stabilnosti s faktorima sigurnosti većim od FS=1,0, osim oko dubine od 9,0 m gdje je faktor sigurnosti manji od 1,0.

Potencijal likvefakcije proračunava se putem faktora sigurnosti i parametara CPTu pokusa A i B koji ovise o vrsti provedenog ispitivanja (Jurić i Zovko 2021.).

Potencijal likvefakcije PL iznosi:

Iz priloženog dijagrama vidljivo je da se kritično područje gledanog profila nalazi na dubini od oko devet metara, odnosno, vjerojatnost pojave likvefakcije na toj dubini iznosi oko 96%.

Zaključak

Upotreba CPTU-a za procjenu potencijala likvefakcije predstavlja značajan napredak u geotehničkom inženjerstvu. Ova sofisticirana metoda ispitivanja pruža sveobuhvatan uvid u stanje temeljnog tla, te omogućuje učinkovitu i pouzdanu procjenu rizika te odgovarajuću provedbu mjera zaštite građevina od potresa.  

*Reference:
Jurić I., Zovko I. (2021) Evaluacija likvefakcijskog potencijala tla primjenom metode statičkog penetracijskog pokusa. Diplomski rad. Zagreb: Sveučilište u Zagrebu, Građevinski fakultet
Robertson P., Cone penetration test (CPT)-based soil behavior type (SBT) classification system – an update, Canadian Geotechnical Journal, 2016

Pročitajte više: Likvefakcija tla, Utjecaj lokalnog tla i visine građevina na potresni odziv