Eksperimentalna i numerička istraživanja mehanizama u nesaturiranim geomaterijalima

 

Experimental
and numerical investigations
of mechanisms in unsaturated geomaterials

 

Ovaj projekt je financirala Hrvatska zaklada za znanost pod brojem UIP-2017-05-3429.
Projekt je također sufinancirao i FGAG u iznosu 15% učešća HRZZ-a.
Članovi istraživačke grupe zahvalni su na potpori.


Sažetak projekta

Rastrošba, kao degradacija ili razlaganje materijala stijene pod izravnim djelovanjem uvjeta okoliša i ljudske aktivnosti u razdoblju inženjerske skale vremena, je ključan proces koji nadzire geomorfološke i ekološke procese, a preko njih utječe i na društvena zbivanja. Meke stijene poput lapora, vrlo rasprostranjene u području Mediterana (npr. naslage Eocenskog fliša), posebno su podložne rastrošbi. Taj utjecaj se očituje u razlaganju veziva iz strukture glinovitih stijena te u razlamanju materijala u manje fragmente uslijed istovremenih procesa fizikalne i kemijske rastrošbe. Pod djelovanjem čimbenika rastrošbe meke stijene se degradiraju sve do sitnozrnog materijala, uz što su vezani problemi održivosti okoliša (ubrzana erozija, efekti klimatskih promjena, klizišta, odroni i dr. geohazardi) te stabilnosti, nosivosti i trajnosti (promjene čvrstoće i deformacijskih svojstava u vremenu).

Prema novijim znanstvenim spoznajama, značajan doprinos razvoju rastrošbe daje proces diferencijalnog usisa i njime izazvanog diferencijalnog bubrenja, koji se javlja u nesaturiranim uvjetima. Usis je posljedica kapilarnog efekta u sitnim porama materijala i usko je povezan s procesom raspucavanja ili kalanja materijala. Odnosno, posljedica diferencijalnog bubrenja je razvoj vlačnih i posmičnih naprezanja koja dovode do kalanja i rastrošbe. Stoga je cilj ovog projekta istražiti i modelirati mehanizme rastrošbe s aspekta usisa, te povezati dobivene spoznaje s brojnim istraživanjima čimbenika rastrošbe prikupljenim sustavnim radom na Fakultetu u prethodnom razdoblju.

Posmična čvrstoća i deformabilnost u nesaturiranim uvjetima za zadano stanje usisa, kao i karakteristične krivulje sadržaja vode u tlu ovisno o naprezanju (SDSWCC-Stress Dependent Soil Water Characteristic Curve), odredit će se eksperimentalno sofisticiranom istraživačkom opremom na još neispitanim materijalima meke stijene iz obalnog područja RH (lapori varirajućeg sadržaja CaCO3). Planirana su ispitivanja posmične čvrstoće (laboratorij Rijeka) i jednodimenzionalne konsolidacije (nova oprema, laboratorij Split) u nesaturiranim uvjetima pri određenom stanju usisa, kao i određivanje SDSWCC krivulja za različite materijale. Istovremeno će se provesti i sva popratna fizikalno-mehanička i mineraloško-petrografska ispitivanja te povezati nova i postojeća baza podataka. Puni ispitni program provest će se na približno 30 uzoraka i dopuniti ovisno o rezultatima.

Dobiveni rezultati ugradit će se u postojeći numerički model (Plaxis), uz testiranje i kalibriranje modela. Dodatno će se razviti i novi 2D numerički model temeljen na diskretnom pristupu koji može obuhvatiti mehanizam loma u geomaterijalima u nezasićenim uvjetima protoka. Navedenim aktivnostima i diseminacijom rezultata unaprijedilo bi se područje poznavanja mehanizama rastrošbe u geomaterijalima općenito i posljedično omogućila održiva projektna rješenja.

Novu vrijednost predstavlja i formirana istraživačka grupa s potrebnim resursima i potencijalom za daljnji razvoj.


Sudionici na projektu

Projektni tim sačinjavaju:

  • izv. prof. dr. sc. Nataša Štambuk Cvitanović
  • dr. sc. Mijo Nikolić
  • doc. dr. sc. Goran Vlastelica
  • Ana Raič, mag.ing.aedif.
  • prof. dr. sc. Predrag Miščević (suradnik/savjetnik)

Izv. prof. dr.sc. Nataša Štambuk Cvitanović, voditeljica projekta, stručnjak je i istraživač u području geotehničkog inženjerstva. Bavi se znanstveno-istraživačkim radom i rješavanjem problema vezanih uz geotehničke istražne radove i projektiranje pomoću in situ i laboratorijski dobivenih parametara, a posebno mehanikom tla i stijena te laboratorijskim/terenskim ispitivanjima, opažanjima i istraživanjima.

Dr. sc. Mijo Nikolić, istraživač na projektu, bavi se razvojem numeričkih modela (npr. metoda konačnih elemenata s ugrađenim diskontinuitetima) te njihovom primjenom u mehanici stijena i konstrukcija (mehanizmi loma uz različite uvjete protoka i dr.).

Doc. dr. sc. Goran Vlastelica, istraživač na projektu, bavi se geotehničkim istraživanjima, posebno problematikom meke stijene u pogledu rastrošbe (degradacije), promjene svojstava u vremenu i stabilnosti/trajnosti zasjeka u flišu.


Ciljevi projekta

  • Istražiti literaturne podatke i proširiti bazu spoznaje
  • Uspostaviti istraživačku grupu i laboratorij za nesaturirano tlo
  • Provesti odgovarajuća početna (uvodna) eksperimentalna i numerička istraživanja uz odgovarajuću diseminaciju i usavršavanje te odrediti konačnu metodologiju ispitivanja i iskoristivost raspoloživog softvera (Plaxis)
  • Provesti glavna eksperimentalna i numerička istraživanja mehanizama u nesaturiranim geomaterijalima (sukcija, degradacija) na primjeru meke stijene (puni ispitni program na uzorcima lapora) te razviti novi numerički model koji može obuhvatiti mehanizam loma u nezasićenim uvjetima protoka
  • Na temelju dobivenih spoznaja, kroz daljnje usavršavanje i diseminaciju unaprijediti poznavanje ponašanja nezasićenih geomaterijala; povezati dosadašnja i nova istraživanja (jedinstvena baza podataka) i uspostaviti kriterije za korištenje sukcije kao dijela laboratorijskih i terenskih istraživanja
  • Prijaviti projektne prijedloge istraživačke grupe na druge izvore financiranja


Aktivnosti

  • Analiza dodatne literature i dopuna/analiza postojeće baze podataka (2018.)
  • Nabava računala i softvera (Plaxis) za početna numerička istraživanja (2018.)
  • Usavršavanje na GF u Ljubljani na temu laboratorijskih i terenskih ispitivanja sukcije i značaja karakteristične krivulje sadržaja vode u tlu (2018.)
  • Sinteza i diseminacija saznanja - rad prihvaćen za objavljivanje na međunarodnom kongresu ISSMGE u Reykjaviku 2019. (2018./2019.)
  • Nabava, instalacija i puštanje u rad napredne istraživačke opreme za ispitivanja u nesaturiranim uvjetima – automatski sukcijski edometar proizvođača GDS Instruments (2018.)
  • Provođenje javnog natječaja i zapošljavanje doktoranda (2018. i ponovljeno 2019.)
  • Servisiranje i umjeravanje postojeće opreme koja se koristi u istraživanjima (2018./2019.)
  • Nabava potrošnog materijala za ispitivanja (2018.)
  • Uzorkovanje na terenu (istražne jame) za početna ispitivanja (2018./2019.)
  • Provođenje početnih laboratorijskih ispitivanja (FGAG-Split, GF-Rijeka i Hrvatski geološki institut-Zagreb) i analiza rezultata - uspostavljena metodologija za eksperimentalna istraživanja (2018./2019.)
  • Početna numerička istraživanja u Plaxis-u za nesaturirano stanje i provjera faze u razvoju modela - rad prihvaćen za objavljivanje u časopisu Granular Matter (2018./2019.)


Publikacije

  1. Vlastelica, G., Štambuk Cvitanović, N., Miščević, P, Nikolić, M., Raič, A.: The role of unsaturated condition and suction in the weathering mechanisms in flysch marls; rad prihvaćen za objavljivanje u zborniku međunarodnog skupa “The XVII European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering”, Reykjavik, Island, 1.-6. rujna 2019.
  2. Rizvi, Z.H., Nikolić, M. Wuttke, F.: Lattice element method for simulations of failure in bio-cemented sands; rad prihvaćen za objavljivanje u časopisu Granular Matter, Springer Berlin Heidelberg (veljača 2019.).


Fotogalerija


Kick-off sastanak 21/03/2018


Terenski posjet klizištu Slano Blato u Sloveniji (18/10/2018); A. Petkovšek (FGG-Ljubljana) i N. Štambuk Cvitanović (FGAG-Split) pokraj dubokih AB bunara za sanaciju klizišta


Familija karakterističnih krivulja sadržaja vode u tlu (SWCC) s naznačenim područjem ispitivanih lapora; wPI – umnožak udjela čestica <0,075 mm (decimalna vrijednost) i indeksa plastičnosti (%) (prilagođeno prema Zapata et al., 2000.)


Mehanizam degradacije: diferencijalno bubrenje uslijed gradijenata usisa (prema Alonso et al., 2010.)


Primjer degradacije uslijed usisa na uzorku lapora


Instalacija automatskog sukcijskog edometra


Postolje ćelije s posebnom poroznom pločicom za nesaturirana ispitivanja (HAEPD - High-Air-Entry Porous Disk)


Ćelija s uzorkom pripremljena za ispitivanje


Nova automatska ispitna oprema: preša, ćelija s uzorkom, kontroleri za tlak/volumen vode i zraka, ‘data logger’ s priključenim pretvornicima sile, pomaka, pornog tlaka i tlaka zraka


Rezultati mjerenja volumenskih promjena uslijed usisa

________________________

Mišljenja, nalazi i zaključci ili preporuke navedene u ovom materijalu odnose se na autora i ne odražavaju nužno stajališta Hrvatske zaklade za znanost.