|
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. „axis 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 Duhović, mag.ing.aedif. (doktorandica)
- prof. dr. sc. Predrag Miščević (suradnik/savjetnik)
- Stipe Rađa, tehn.
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, prof. dr. sc. Ákos Török
- GG Kiel: (Geomechanics and Geotechnics, Kiel University, Kiel, Germany): dr. sc. Zarghaam Haider Rizvi
- RGNF Zagreb (Sveučilište u Zagrebu, Rudarsko-geološko-naftni fakultet): prof. dr. sc. Biljana Kovačević Zelić, dr. sc. Michaela Hruškova Hasan
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 (usis, 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 usisa 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 (2019.); održavanje softvera za daljnja numerička istraživanja (2019.-2022.)
- Usavršavanje na FGG Ljubljana na temu laboratorijskih i terenskih ispitivanja usisa i značaja karakteristične krivulje sadržaja vode u tlu (2018. i 2020.) te na Fakultetu za građevinarstvo, prometno inženjerstvo i arhitekturu u Mariboru (posebne vrste troosnih pokusa, 2023.)
- Nabava, instalacija i puštanje u rad napredne istraživačke opreme za ispitivanja u nesaturiranim uvjetima – automatski sukcijski edometar proizvođača GDS Instruments (2018.) te WP4 uređaj ("WP4C Water Potential Meter") za određivanje usisa i SWCC (Soil Water Characteristic Curve) metodom točke rosišta (2021.)
- 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., 2021.)
- Nabava potrošnog materijala i sitnog pribora za ispitivanja (2018., 2019., 2020.)
- Uzorkovanje na terenu (istražne jame) za početna ispitivanja i kontinuirano (2018.-2022.); 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.); rad na temu numeričke simulacije eksperimentalnih rezultata jednodimenzionalne konsolidacije u saturiranim i nesaturiranim uvjetima primjenom programskog paketa Plaxis u časopisu International Journal for Engineering Modelling (2021.)
- 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 (axis translation, Split), primijenjene su i evaporacijske, kondezacijske, tenziometarske i indirektne metode mjerenja/kontroliranja usisa: uređaj WP4 (potenciometar rosišta, eng. dewpoint potentiometer / Chilled Mirror Hygrometer; Lisabon, Ljubljana), uređaj HYPROP (Ljubljana), VE (metoda kontrole usisa ekvilibracijom relativne vlažnosti - Vapour Equilibrium; Lisabon), wA - kapacitet adsorpcije vode (metoda Enslin-Neff; Ljubljana), MB (ispitivanje metilenskim modrilom - Methylene Blue; Ljubljana). Analiza rezultata i povezivanje s rezultatima ostalih ispitivanja.
- Uspostavljanje i primjena novih laboratorijskih metoda ispitivanja na FGAG Split: metoda kontrole usisa ekvilibracijom relativne vlažnosti (Vapour Equilibrium), metoda određivanja specifične površine metilenskim modrilom (Methylene Blue) i određivanje kapaciteta adsorpcije vode metodom Enslin-Neff (2021.); metoda točke rosišta primjenom WP4 uređaja (2021.)
- Provođenje svih ostalih ispitivanja (pratećih i dodatnih - fizikalnih, mehaničkih, mineraloških, kemijskih) na FGAG Split i RGNF Zagreb (2019.-2023.)
- 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 za međunarodnu konferenciju ISC'6 - 6th International Conference on Geotechnical and Geophysical Site Characterization (Budapest, September 2021).
- Razvoj novog 2D numeričkog modela za analizu u nesaturiranim uvjetima, odnosno za simulacije raspucavanja i sloma geomaterijala pod utjecajem nesaturiranog tečenja (2019.-2021.); razvoj modela dovršen je u veljači 2021. te je objavljen rad u časopisu Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering (2022.)
- Prijava projektnog prijedloga člana istraživačke grupe na druge izvore financiranja (doc. dr. sc. Mijo Nikolić, prijava novog HRZZ projekta, 2020.; projekt UIP-2020-02-6693 je prihvaćen za financiranje)
- Studentska istraživanja i radovi u vezi s projektom: 3 diplomska rada i jedan završni rad (2021.) te jedan doktorski rad (u tijeku, prihvaćena tema doktorskog rada 2022.)
- Završna istraživanja na FGAG Split kombiniranjem više metoda i nove opreme – ispitivanje i modeliranje SWCC/SDSWCC za lapore u intaktnom i rekonstituiranom stanju te istraživanje veze usisa i rastrošbe ispitivanjem SWCC laporovitog materijala u različitim fazama laboratorijski simulirane rastrošbe (2021.-2023.)
- Primjena stečenih znanja: povezivanje usisa i pojave odrona (rad na kongresu, Atena, 2021.) te usisa i nastajanja velikog broja novih urušnih vrtača nakon potresa 29.12.2020. u blizini Petrinje (rad na kongresu, SAD, 2021.; rad objavljen u časopisu Earthquake Spectra, 2022./2023.; rad na konferenciji 2CroCEE - 2nd Croatian Conference on Earthquake Engineering, 2023.; rad na 9. Savjetovanju Hrvatskog geotehničkog društva, 2023.)
- Povezivanje baza podataka i analiza svojstava lapora: rad u časopisu Symmetry, 2022.
- Promoviranje provedenih istraživanja i daljnje sudjelovanje na skupovima: 10th ICCSM - International Congress of Croatian Society of Mechanics (novi numerički model, 2022.); 5th Symposium of the Macedonian Association for Geotechnics (eksperimentalna istraživanja studenata povezana s projektom, 2 rada, 2022.)
Publikacije
- 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
- 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
- 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-2019-0878; https://www.bib.irb.hr/1021187
- 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. 26.-29. rujna 2021., Budimpešta, Mađarska (paper ID: ISC2020-196). http://isc6.org/images/Cikkek/Sessions/ISC2020-196.pdf; https://www.bib.irb.hr/1176311
- Raič, A. Štambuk Cvitanović, N. Vlastelica, G. The effect of suction on differential weathering and stability of soft rock cliffs on the example of Zenta Bay cliff (Split, Croatia). Zbornik međunarodnog skupa EUROENGEO - 3rd European Regional Conference of IAEG - Leading to Innovative Engineering Geology Practices. 7.-10. listopada 2021., Atena, Grčka; Volume 1, Extended abstracts, 193-194. https://euroengeo2020.org/wp-content/uploads/2021/10/PROCEEDINGS-ABSTRACTS_20211014.pdf; https://www.bib.irb.hr/1176638
- Raič, A. Nikolić, M. Štambuk Cvitanović, N. Galić, M. Numerical simulation of saturated and unsaturated consolidation behaviour of marl residual soil. International Journal for Engineering Modelling 34 (2021) 1, 31-47. doi: 10.31534/engmod.2021.1.ri.03b
- Tomac, I. Vlahović, I. Parlov, J. Matoš, B. Matešić, D. Kosović, I. Pavičić, I. Frangen, T. Terzić, J. Pavelić, D. Kovačević Zelić, B. Perić, D. Domitrović, D. Vučenović, H. Štambuk Cvitanović, N. Pham N. Extensive Post-Seismic Cover-Collapse Sinkhole Opening During 2020–2021 Petrinja Earthquake Sequence (Croatia): a Unique Local Geological, Geotechnical and Hydrological Setting. Rad na međunarodnom skupu - American Geophysical Union Fall Meeting, 13-17 December 2021, New Orleans, LA & Online Everywhere. https://agu2021fallmeeting-agu.ipostersessions.com/Default.aspx?s=DF-AD-26-27-6C-B8-5A-4C-69-2A-2F-8B-71-49-BB-FC&pdfprint=true&guestvie%E2%80%A6; https://www.bib.irb.hr/1165513
- Nikolic, M. Discrete element model for the failure analysis of partially saturated porous media with propagating cracks represented with embedded strong discontinuities. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 390 (2022) 114482. https://doi.org/10.1016/j.cma.2021.114482
- Tomac, I. Kovačević Zelić, B. Perić, D. Domitrović, D. Štambuk Cvitanović, N. Vučenović, H. Parlov, J. Stipčević, J. Matešić, D. Matoš, B. Vlahović, I. Geotechnical reconnaissance of an extensive cover- collapse sinkhole phenomena of 2020–2021 Petrinja earthquake sequence (Central Croatia). Earthquake spectra 39 (2023) 1, 653-686. https://journals.sagepub.com/doi/pdf/10.1177/87552930221115759
- Relota, M. Duhović, A. Vlastelica, G. Analiza globalne stabilnosti zasjeka unutar napuštenog gradilišta: primjer sa lokacije u Bračkoj ulici u Splitu. Zbornik međunarodnog skupa Engineering problems in soft rocks - 5th Symposium of the Macedonian Association for Geotechnics. 23.-25. lipnja 2022., Ohrid, Sjeverna Makedonija; Volume 1, Skopje: Macedonian Association for Geotechnics, 2022., 264-273. https://drive.google.com/file/d/1MHfRdn2mtUSwSNxrC6ySfYinBeXv2rmv/view
- Duvnjak, S. Duhović, A. Vlastelica, G. Laboratorijska ispitivanja fizičko-mehaničkih svojstava lapora za potrebe proračuna slijeganja jednostavnog homogenog nasipa. Zbornik međunarodnog skupa Engineering problems in soft rocks - 5th Symposium of the Macedonian Association for Geotechnics. 23.-25. lipnja 2022., Ohrid, Sjeverna Makedonija; Volume 1, Skopje: Macedonian Association for Geotechnics, 2022., 363-371. https://drive.google.com/file/d/1MHfRdn2mtUSwSNxrC6ySfYinBeXv2rmv/view
- Nikolić, M. Fully coupled hydro-mechanical model for failure of unsaturated soils and desiccation cracking. Knjiga sažetaka međunarodnog skupa 10th International Congress of Croatian Society of Mechanics. 28.-30. rujna 2022., Pula, Hrvatska; Hrvatsko društvo za mehaniku (HDM), 2022., 209-210 (prošireni sažetak izlaganja sa skupa).
- Duhović, A. Štambuk Cvitanović, N. Vlastelica, G. Török, Á. Görög, P. Marly Soft Rocks: Correlation of Physical and Mechanical Properties—Examples from Dalmatia (Croatia) and Budapest (Hungary). Symmetry, 2022 (2022) 14; 2170, 19. https://doi.org/10.3390/sym14102170
- (GEER) Tomac, I. Kovačević Zelić, B. Perić, D. Domitrović, D. Štambuk Cvitanović, N. Vučenović, H. Parlov, J. Stipčević, J. Matešić, D. Matoš, B. Vlahović, I. Geotechnical reconnaissance of cover-collapse sinkhole area following Petrinja 2020 earthquake. Zbornik međunarodnog skupa 2nd Croatian Conference on Earthquake Engineering - 2CroCEE. 22.-24. ožujka 2023., Zagreb, Hrvatska; Sveučilište u Zagrebu, Građevinski fakultet, 2023. 57-68. https://doi.org/10.5592/CO/2CroCEE.2023.84
- Kovačević Zelić, B. Domitrović, D. Štambuk Cvitanović, N. Perić, D. Vučenović, H. Parlov, J. Matešić, D. Matoš, B. Vlahović, I. Tomac, I. Geotechnical site characterization of the biggest cover-collapse sinkhole in Mečenčani village following 2020 Petrinja earthquake. Zbornik međunarodnog skupa 9. Savjetovanje Hrvatskog geotehničkog društva, SISAK 2023 Geotehnika u epicentru - Petrinja 2020. 4.-6. svibnja 2023., Sisak, Hrvatska; Zagreb: Kerschoffset Zagreb, 2023., 141-148.
Radovi u postupku objavljivanja
- Duhović, A. Štambuk Cvitanović, N. Experimental study on water retention behaviour of Eocene flysch marls from the region of Dalmatia (Croatia). Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2023.
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
Kontrola usisa primjenom metode ekvilibracije relativne vlažnosti (Vapour Equilibrium) (IST Lisabon)
Mjerenje usisa WP4 uređajem (FGG Ljubljana)
Mjerenje usisa uređajem HYPROP (FGG Ljubljana)
Određivanje kapaciteta adsorpcije metodom Enslin-Neff (FGG Ljubljana)