Eksperimentalna i numerička istraživanja mehanizama u nesaturiranim geomaterijalima

 

Eksperimentalna
i numerička istraživanja mehanizama
u nesaturiranim geomaterijalima

 

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. Osim spomenutih početno planiranih ispitivanja u nesaturiranom stanju tehnikom „translacije“ pornog tlaka (eng. „axial translation“), sukladno dobivenim spoznajama i mogućnostima istraživanja će se proširiti i unaprijediti kroz nove međunarodne suradnje i metode ispitivanja.

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
  • doc. dr. sc. Mijo Nikolić
  • doc. dr. sc. Goran Vlastelica
  • Ana Raič, mag.ing.aedif. (doktorandica)
  • 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.

Doc. 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.

Uz istraživače s FGAG Split (Sveučilište u Splitu, Fakultet građevinarstva, arhitekture i geodezije), u istraživanja su uključeni i istraživači s drugih institucija u RH i inozemstvu:

  • FGG Ljubljana (University of Ljubljana, Faculty of Civil and Geodetic Engineering, Slovenia): izv. prof. dr. sc. Ana Petkovšek, doc. dr. sc. Matej Maček, dr. sc. Jasna Smolar
  • IST DECivil Lisabon (University of Lisbon, Department of Civil Engineering, Architecture and Georresources, Portugal): izv. prof. dr. sc. Rafaela Cardoso
  • GF Rijeka (Sveučilište u Rijeci, Građevinski fakultet): dr. sc. Josip Peranić, doc. dr. sc. Vedran Jagodnik
  • BUTE Budimpešta (Budapest University of Technology and Economics, Department of Engineering Geology and Geotechnics, Budapest, Hungary): izv. prof. dr. sc. Péter Görög
  • GG Kiel: (Geomechanics and Geotechnics, Kiel University, Kiel, Germany): dr.sc. Zarghaam Haider Rizvi
     

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.); nabava prijenosnog računala i održavanje softvera za daljnja numerička istraživanja (2019.)
  • Usavršavanje na FGG Ljubljana na temu laboratorijskih i terenskih ispitivanja sukcije i značaja karakteristične krivulje sadržaja vode u tlu (2018. i 2020.)
  • Nabava, instalacija i puštanje u rad napredne istraživačke opreme za ispitivanja u nesaturiranim uvjetima – automatski sukcijski edometar proizvođača GDS Instruments (2018.)
  • Sinteza i diseminacija početnih saznanja - rad objavljen na međunarodnom kongresu ISSMGE u Reykjaviku 2019. 
  • 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 i sitnog pribora za ispitivanja (2018., 2019./2020.)
  • Uzorkovanje na terenu (istražne jame) za početna ispitivanja (2018./2019.); uzorkovanje na terenu (istražno bušenje) za daljnja ispitivanja (2020.)
  • 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 objavljen u časopisu Granular Matter (2018./2019.)
  • Implementacija početnih rezultata u Plaxis - analiza mogućnosti i ograničenja rada u Plaxis-u, dane smjernice daljnje eksperimentalne i numeričke metodologije za nesaturirano stanje (2019.)
  • Nastavak razvoja novog modela i diseminacija: sudjelovanje na međunarodnoj konferenciji ECCOMAS/CM4P „Computational Methods in Multi-scale, Multi-uncertainty and Multi-physics Problems”, Porto 2019. (sažetak u zborniku i prezentacija, 2019.)
  • Provođenje glavnih laboratorijskih ispitivanja i istraživanja u nesaturiraninom stanju na uzorcima lapora, uz međunarodnu suradnju (IST DECivil Lisabon, FGG Ljubljana) i proširenje metoda ispitivanja (2019./2020.). Osim translacije pornog tlaka - „axial translation“, primijenjene su i evaporacijske, kondezacijske, tenzometarske i indirektne sukcijske metode: uređaj WP4 (potenciometar rosišta, eng. dewpoint potentiometer / Chilled Mirror Hygrometer; Lisabon, Ljubljana), uređaj HYPROP (Ljubljana), VE (metoda pomoću kalibriranih otopina soli - Vapour Equilibrium; Lisabon), wA - kapacitet apsorpcije vode (metoda Enslin-Neff; Ljubljana), MB (ispitivanje metilenskim modrilom - Methylene Blue; Ljubljana). Analiza rezultata i povezivanje s rezultatima ostalih ispitivanja.
  •  Provođenje svih ostalih ispitivanja (pratećih i dodatnih - fizikalnih, mehaničkih, mineraloških, kemijskih) na FGAG Split i RGN Zagreb (Rudarsko-geološko-naftni fakultet) (2019./2020.)
  • Proširenje međunarodne suradnje; uz već postojeću suradnju s FGG Ljubljana i GG Kiel, uspostavljene suradnje s IST DECivil Lisabon i BUTE Budimpešta. U sklopu zadnje navedene suradnje napisan zajednički rad (u postupku objavljivanja) za međunarodnu konferenciju ISC'6 - 6th International Conference on Geotechnical and Geophysical Site Characterization (Budapest, September 2020).
  • Razvoj novog 2D numeričkog modela za analizu u nesaturiranim uvjetima, uz korištenje eksperimentalnih rezultata (2019./2020.)
  • Prijava projektnog prijedloga člana istraživačke grupe na druge izvore financiranja (doc. dr. sc. Mijo Nikolić, prijava novog HRZZ projekta, 2020.)


Publikacije

  1. Rizvi, Z.H., Nikolić, M., Wuttke, F. Lattice element method for simulations of failure in bio-cemented sands. Granular Matter 21, 18 (2019) https://doi.org/10.1007/s10035-019-0878-6
  2. Nikolic, M., Ibrahimbegovic, A. Modelling of shear bands in fluid saturated poroplastic solids with embedded strong discontinuities. Knjiga sažetaka međunarodnog skupa „CM4P - Eccomas Thematic Conference – Computational Methods in Multi-scale, Multi-uncertainty and Multi-physics Problems”. 15.-17. srpnja 2019., Porto, Portugal (rad 234). https://www.bib.irb.hr/102492
  3. 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. Zbornik međunarodnog skupa “The XVII European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering - Geotechnical Engineering foundation of the future”. 1.-6. rujna 2019., Reykjavik, Island. doi: 10.32075/17ECSMGE-2019-0878https://www.bib.irb.hr/1021187

    Radovi u postupku objavljivanja
  4. Nikolić, M. Discrete lattice model for hydro mechanical analysis in unsaturated soils. Knjiga sažetaka međunarodnog skupa „14th World Congress in Computational Mechanics (WCCM),  ECCOMAS Congress 2020“. 19.-24. srpnja 2020., Pariz.
  5. Raič, A., Štambuk Cvitanović, N., Vlastelica G., Török, A., Görög, P. Marly soft rocks from Dalmatia (Croatia) and Budapest (Hungary) – correlation of intact rock physical and mechanical properties. Zbornik međunarodnog skupa „ISC'6 - 6th International Conference on Geotechnical and Geophysical Site Characterization“. 7.-11. rujna 2020., Budimpešta.


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 Cardoso, 2009.) i primjer degradacije uslijed usisa na uzorku lapora


Instalacija automatskog sukcijskog edometra


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

 

     

Ispitivanje sukcije primjenom metode "vapour equilibrium" (IST Lisabon)

 

     

Ispitivanje sukcije pomoću uređaja WP4 (FGG Ljubljana)

 

     

Ispitivanje sukcije pomoću uređaja HYPROP (FGG Ljubljana)

 

     

Određivanje granice adsorpcije metodom Enslin-Neff (FGG Ljubljana)

 

________________________

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