2.Postanak i Vrste Tla

2. POSTANAK I VRSTE TLA Tlo je nastalo kao posljedica raspadanja Zemljine kore pod uticajem tektonskih pomjeranja, djelovanjem vode, temperature i vjetra, te drugih najčešće sporih i dugih procesa i faktora. Faktori koji su doveli do formiranja tla su: a) raspadanje i dezintegracija prvobitnih stijena; b) transport raspadnutog materijala; c) sedimentacija – taloženje transportovanih čestica.

2.1. RASPADANJE MATERIJALA Sva tla koja se nalaze na površini Zemljine kore nastala su raspadanjem čvrstog stijenskog masiva. Zemljina kora sadrži od 25 do 50 km tla i stijene. Tlo se rijetko gdje pojavljuje ispod dubine od oko 300 m. Geološki staro tlo je obično kruto i čvrsto, dok je mlađe tlo meko i slabo te se rijetko pojavljuje ispod dubine od oko 30 m. Raspadanje čvrstog stijenskog masiva se obavlja pod uticajem mehaničkih i hemijskih faktora. U mehaničke faktore spadaju: Tektonske sile uzrokuju pojave geoloških oblika bora, rasjeda i navlačenja. Kod boranja deformacije preoblikuju masiv, pri čemu se stvaraju pukotine koje se otvaraju na mjestima rastezanja, gdje nastupa otkidanje i usitnjavanje materijala, a u zonama pritisaka drobljenje masiva, Slika 2.1 (a). Na rubovima rasjeda i navlaka dolazi do mrvljenja i usitnjavanja čestica, Slika 2.1. (b) i (c). Sva ova mjesta su pogodna za agresivno djelovanje drugih mehaničko-hemijskih faktora te za daljnu dezintegraciju prvobitnog monolitnog stijenskog masiva.

Slika 2.1 Osnovne tektonske jedinice litosfere: (a) boranje, (b) tektonsko smicanje i (c) navlačenje.

Temperaturne promjene se javljaju pri smjeni dana i noći, godišnjih doba, te dugoročnijih klimatskih promjena. Ove promjene izazivaju promjene zapremine stijenskog masiva. Kada su promjene zapremine spriječene, dolazi do unutrašnjih napona koji izazivaju veće ili manje pukotine, a time i postepenu dezintegraciju osnovnog masiva. Led je najrazorniji u prvoj fazi otvaranja pukotina. Voda koja dospije u pukotine stijenskog masiva, ukoliko se zamrzne, izaziva znatne sile, jer je volumen leda veći za 11% od volumena

vode. Na taj način led dalje produbljuje i proširuje postojeće pukotine i izaziva dalje raspadanje i dezintegraciju stijenskog masiva. Abrazija je pojava usitnjavanja komadića osnovne stijene u procesu premještanja. Komadići osnovne stijene stružu, udaraju i lome se preko podloge čvrste stijene po kojoj se kreću, ili međusobno i na taj način usitnjavaju. Učinci ovoga faktora su posebno vidljivi u dužem vremenskom periodu. Atmosferske padavine svojim mehaničkim i dinamičkim djelovanjem utiču na raspadanje osnovne stijenske mase, te usitnjavanje već raspadnutih komada stijene. Vegetacija svojim korijenjem pronalazi postojeće pukotine u stijeni, u kojima uvijek ima vlage koja pogoduje rastu korijenja. Na taj način korijen postepeno proširuje pukotine, te se proces raspadanja ubrzava i širi. Minerali stijena stupaju pod određenim uslovima u hemijske reakcije sa vodom, vodenom parom, kisikom, ugljičnom kiselinom, organskim kiselinama nastalim raspadanjem vegetacije i sl. Ovi hemijski procesi su spori, ali kroz duga geološka razdoblja oni izazivaju znatne efekte. U hemijske faktore koji uzorkuju raspadanje osnovnog stijenskog masiva spadaju: oksidacija, karbonizacija, hidratacija, desilikacija i vulkanska djelovanja. 2.2. TRANSPORT RASPADNUTIH MATERIJALA Nakon što je došlo do raspadanja prvobitnog stijenskog masiva, raspadnuti materijal može ostati na mjestu nastajanja (rezidualna tla) ili dolazi do njegovog transporta pod uticajem slijedećih faktora: Gravitacija pomjera dijelove raspadnutog stijenskog masiva sa višeg na niži nivo putem slobodnog pada, kotrljanjem niz kosinu ili klizanjem velikh komada niz padinu. Efekat gravitacije često je kombinovan sa djelovanjem vode niz padinu za vrijeme velikih kiša. Voda je najvažniji faktor prenosa raspadnutih fragmenta stijenskog masiva. Ona, zavisno od nagiba terena i količine padavina može nositi krupne komade kamena, zatim zrna šljunka i pijeska, te sitnije suspendovane čestice praha i gline. Nakon što voda izgubi svoju vučnu silu, dolazi do taloženja čestica koje je ona sa sobom nosila, te nastaju aluvijalna tla. Vjetar u nekim područjima i u nekim geološkim razdobljima velikom snagom može prenositi velike količine sitnijih čestica. Veličina čestica zavisi od brzine i snage vjetra, pri čemu su na mjestu taloženja one gotovo iste veličine. Nakon što oslabi brzina i snaga vjetra nastaje nanos čvrstih čestica koji predstavlju eolska tla. Ledenjaci (glečeri) koji se kreću sa viših prema nižim područjima, u kojima se tope, sa sobom nose kamenje i na svom putu ga drobe i usitnjavaju. Naslage koje nastaju nakon topljenja glečera nazivaju se morene, a tla glečerska tla. Rezidualna tla nastaju u posebnim klimatskim i tektonskim uslovima kada je brzina raspadanja osnovne stijene veća od brzine trasnporta raspadnutog materijala. Ovakva tla ostaju na mjestu na kome su nastala. U ovim slučajevima se osnovna stijena obično raspada pod uticajem hemijskih faktora. Najveći efekti raspadanja se mogu uočiti u površinskoj zoni,

dok je stepen raspadanja u nižim zonama manji, ali te zone mogu biti obogaćene produktima raspadanja iz gornjih zona. U našim područjima rezidualna tla su rjeđa i nalaze se na manjim dubinama. Rezidualna tla većih dubina, i preko 100 m, se susreću u tropskom pojasu, južne Azije, Afrike, Centralne i Južne Amerike. Može se zaključiti da se rezidualna tla najviše rasprostiru u vlažnim i toplim područjima, u područjima sa gustom i teško prohodnom vegetacijom koja onemogućuju trasport osnovne raspadnute stijene. Rezidualna tla su manje istražena u okviru mehanike tla, upravo zbog ekonomske nerazvijenosti područja u kojima se susreću, za razliku od trasnportovanih tla koja su rasprostranjena u naseljenim i industrijski razvijenim zemljama. 2.3. SEDIMENTACIJA – TALOŽENJE TRANSPORTOVANIH ČESTICA Na kraju pocesa transporta tla dolazi do sedimentacije ili taloženja te se kao konačni proizvod pojavljuje tlo odnosno nevezani sedimenti. Aluvijalna tla, nastaju taloženjem čestica u vodi na mjestima gdje su transportne sile vode previše male za daljnje prenošenje materijala, ili su one potpuno iščezle. Pri velikim brzinama vode talože se krupniji sastojci, dok se sitniji transportuju prema ušću rijeke. Prema tome, krupnije čestice se talože u gornjim, sitnije u srednjim, a najsitnije u donjim tokovima rijeka. U mirnim vodama se talože najsitnije čestice, npr. u poplavljenim područjima, na ušću rijeka, ili na mjestima gdje je rijeka vještački pregrađena. Eolska tla nastaju od nanosa transportovanih vjetrom. Najpoznatiji primjeri eolskih tala su dine i les. Dine nastaju u pustinjama i predstavljaju pokretne brežuljke od nevezanog pijeska koje vjetar veoma često pokreće i stvara nove dine. Les se sastoji od čestica jednozrne krupnoće oko 0,05 mm, slijepljenih kalcijum karbonatom. Zbog toga je u suhom stanju čvrst, dok ako se raskvasi gubi čvrstoću i lako se pokreće. Poznate su naslage lesa u sjevernoj Srbiji, a oko 10% kopnenog dijela planete zemlje čini les. Glečerska tla nastaju nanosom zrna tla koje je trasportovano pokretima ledenih masa. Ledenjaci, pod uticajem gravitacije, polako putuju na niže dijelove doline i pri tome premještaju i usitnjavaju sve što im je na putu. Na kraju puta led se otapa, a naneseni materijal ostaje u obliku morena. Njihov sastav je drugačiji od sastava aluvijalnoga tla i sadrže čestice od najkrupnijih blokova do koloida. 2.4.

MINERALOŠKI SASTAV TLA

Mineraloški sastav tla bitno određuje fizičke i hemijske osobine tla. Krupne čestice tla nastale su procesima mehaničkog raspadanja stijena, pa je njihov mineraloški sastav isti kao kod matične stijene od koje su postali. Njihove fizičke osobine zavise od granulometrijskog sastava, oblika zrna i teksture površine zrna. Mineraloški sastav krupnih čestica može biti važan u slučajevima kada ih koristimo kao agregat u prozvodnji građevinskog materijala ili za izgradnju nasutih objekata. Krupne čestice šljunka i pijeska se u hemijskom smislu smatraju prilično inertnim. Sitnije čestice nastale su kao produkt i mehaničkog i hemijskog raspadanja, pa njihov mineraloški sastav bitno utiče na njihove geotehničke karakteristike. Kao što je ranije rečeno hemijski procesi izazivaju promjene minerala osnovne stijene usljed dejstva vode, vodene pare, kisika, ugljične kiseline ili organskih kiselina. Na taj način nastaju novi minerali koji su

obično mehanički slabiji i veće zapremine od minerala matične stijene. Posebno značajni za izučavanje karakteristika tla su minerali gline. Nastaju raspadanjem feldspata, najrasprostranjenijeg minerala u vulkanskim stijenama, pod uticajem vode i ugljendioksida. Ovim hemijskim procesom nastaju silikati i grupa kristalnih čestica koloidne veličine, sa zrnima manjim od 0,002 mm, koje čine minerale gline. Orijentaciono, veliki broj minerala u zemljinoj kori može se svrstati u četiri velike grupe: 1. Relativno čvrsti i postojani minerali su kvarc i feldspati, koji najčešće grade šljunkove i pijeskove. 2. Manje čvrsti, ali stabilni silikati – olivin, augit, hornblenda i silikati sa magnetnim svojstvima. 3. Meki ljuspasti aluminosilikati koji se lako mrve – liskuni, biotit i muskovit. 4. Veoma meki minerali gline sa slabijom ljuspastom i listastom strukturom, kao što su kaolinit i ilit, uz montmorilonit su aluminosilikati. Tvrdoća ovih minerala je jako mala, a rijetko možemo naći zrna reda veličine veća od 10-3 mm i reda debljine 10-5 mm. Može se zaključiti da su veća zrna (šljunak i pijesak, a pretežno i prah) čvršća i mineral je najčešće kvarc. Kvarc je sastavljen od silikatnih tetraedara, to jest istostraničnih piramida s četiri vrha u kojima je po jedan atom kisika, dok se u težištu piramide nalazi jedan atom silicija. Ovakva tetraedarska struktura vrlo je stabilna, što objašnjava veliku prisutnost kvarca u zrnatim tlima. Sitnija zrna gline su slabija, meka su i skoro sunđerasta. Ona su često ploče (ljuspasti i listasti oblik), debljine dvadesetak prečnika atoma i mogu se vidjeti samo pomoću elektronskog mikroskopa, Slika br. 2.2. Minerali gline su aluminijevi hidrosilikati složene kristalne strukture, listastog ili ljuspastog oblika, a sastoje se od kristalne mreže u kojoj su jednoliko raspoređeni tetraedri silicija, silicijevog dioksida i oktaedri aluminijevog ili magnezijevog hidroksida, Slika br. 2.3.

Slika br. 2.2 Minerali gline (ilit) snimljeni elektronskim mikroskopom

Iz gore rečenog proizilaze i razlike u mehaničkom ponašanju. Zrna pijeska koja su pretežno građena od minerala kvarca su manje stišljiva od gline. Sva tla koja se sastoje od krupnijih zrna imaju osobinu trenja, koja zavisi od tipa minerala i najmanja je kod glina. Trenje između zrna, i jednim dijelom efekat uzglobljavanja zrna, jedini su faktori koji omogućuju stabilne uslove za konstrukcije od tla. U suprotnom tlo bi se ponašalo kao tečnost.

Slika br. 2.3. a) Tetraedarska (silicij) i oktaedarska (aluminij ili magnezij) jedinica minerala glina; b) listićava struktura minerala glina (kaoilinit, ilit, montmorilonit)

Površina zrna tla je u načelu negativno naelektrisana. Intezitet električnog naboja zavisi od vrste minerala i može biti modifikovan prisustvom elektrolita u pornoj vodi. Ovi površinski efekti su uzrok pojave sila između zrna, kojima treba dodati i sile usljed sopstvene težine zrna tla. Za dati mineral i elektrolit veličine površinskih sila su proporcionalne površinama zrna, dok je sopstvena težina zrna proprocionalna njihovoj zapremini. Ako se smanjuje veličina zrna onda veličina površinskih sila opada sa kvadratom efektivnog prečnika zrna, a sila sopstvene težine opada sa kubom. Znači, efekti površinskih sila su važniji u sitnozrnom tlu nego u krupnozrnom. Značaj površinskih sila se može kvalitativno izraziti specifičnom površinom koja se definiše kao odnos površine nekog tijela i njegove zapremine ili kao odnos ukupnih površina svih zrna u jedinici mase (m2/ g). Zrna minerala tla su različitih specifičnih površina. Ukoliko su zrna sitnija njihova specifična površina je veća. Zato je ovaj efekat posebno značajan kod minerala gline čija su zrna najčešće listastog ili ljuspastog oblika, tj. dvije dimenzije zrna su znatno veće od treće dimenzije (debljine). Specifična površina čestica minerala gline je relativno velika u odnosu na tipične minerale pijeska: montmorinolit do 840 m2/g, ilit 65 – 200 m2/g, kaolinit 10-20 m2/g, kvarc 0,0002 m2/g. Veća specifična površina zrna gline uzrokuje to da minerali glina imaju mogućnost vezanja velikih količina vode na svoju kristalnu rešetku. Molekule vode prijanjaju uz površinu čestica minerala gline hidrogenskom vezom. Molekule vode su dipolarne i privlačnim elektrohemijskim silama prijanjanju na negativno naelektrisanu površinu zrna, tako da su zrna omotana slojem apsorbovane („vezane“) vode. Dio ove vode je sastavni dio kristalne rešetke i ne može se isušiti u laboratorijskim uslovima sušenjem na 105 ˚C. Molekuli vode koji su najbliži površini zrna prijanjaju tako da se relativno lako mogu kretati paralelno sa površinom čestica, ali je pomjeranje upravno na površinu relativno ograničeno. Voda u ovom području ima relativno visok viskozitet, koji opada sa rastojanjem od zrna. Dalje od zrna, u porama tla, se nalazi tkz. slobodna voda. Ovakvo ponašanje vode u interakciji sa česticama gline makroskopski se odražava u obliku ponašanja materijala koji pokazuje plastična svojstva, odnosno gline imaju osobinu da mijenjaju konzistentno stanje pri promjeni vlažnosti. Sa slike 2.3. vidimo da su karakteri veza među listićima minerala gline različiti. Kada su te veze slabe (montmorilonit i ilit), među listiće se uvlače molekule vode i minerali povećavaju svoj volumen, odnosno oni bujaju. Najveći potencijal bujanja ima montmorilonit, dok kaolinit koji kakarakterišu jake vodikove veze, ne buja. Vrlo bujajući glinoviti materijali mogu izazvati velike probleme u geotehnici, posebno kada se radi o porodičnim kućama izgrađenim na temeljnom tlu koji sadrži montmorilonit. Takve kuće mogu doživjeti velika oštećenja tokom bujanja montmorilonita.

2.5.

STRUKTURA SEDIMENTNOG TLA

Pod strukturom tla kao trofaznog sistema podrazumijevamo raspored čvrste faze (zrna) u sedimentiranom tlu. Tlo se u osnovi sastoji od čvrstih čestica i šupljina (pora) ispunjenih vodom i zrakom, a najčešće vodom i zrakom.

Slika br. 2.4. Zrna tla i šupljine (pore) u tlu

Prostorni raspored čvrstih čestica u tlu i način njihovog međusobnog povezivanja određuje njegovu strukturu. Strukture nevezanog i vezanog tla bitno se međusobno razlikuju. Po vrsti i načinu taloženja čestica razlikujemo istaložena tla od: (a) nevezanih krupnih čestica šljunka i pijeska kod kojih prije taloženju dominiraju sile gravitacije i (b) vezanih sitnih prašinastih i koloidnih čestica koje se talože uz dejstvo gravitacionih i molekularnih sila, Nevezana krupna zrna formiraju zrnastu strukturu koja može biti rahla, gusta i vrlo gusta. Ako se okrugla zrna, približno iste veličine, talože bez uklapanja tako da je svako zrno tačno iznad onog ispod njega, dobije se rahla struktura sa koeficijentom poroznosti od oko 0,9 (Slika br. 2.5.-a). Ako se okrugla zrna talože tako da se zrna svakog narednog sloja uklapaju između zrna nižeg sloja dobije se gusta struktura sa koeficijentom poroznosti oko 0,35 (Slika br. 2.5.-b). Ukoliko imamo dvije vrste okruglih zrna, ali takve veličine da manja okrugla zrna popunjavaju prostor između primarnih većih kugli, onda se dobije najgušća struktura (Slika br. 2.5.-c). Između ovih ekstrema pojavljuju se u prirodi različite gustoće nataloženog tla ovisno o oblicima, veličini zrna, načinu i uslovima taloženja (Slika br. 2.5.-d).

Slika br. 2.5. Struktura krupnozrnog tla: a) najrahlija, b) gusta, c) najgušća, d) uobičajen raspored raznolikog oblika čestica.

Struktura sitnozrnog tla sa znatnim učešćem gline uslovljena je oblikom veoma malih pločastih zrna i pratećim površinskim efektima. Na čestice gline u vodi djeluju kompleksni sistemi sila, od kojih neke, ukuljučujući privlačne molekularne sile i međusobno privlačenje

pojedinih jona, imaju tendenciju da privuku čestice jednu uz drugu, dok s druge strane, električni naboji zrna i električni naboji apsorbovanih kationa izazivaju međusobno odbijanje čestica. Neke od ovako nastalih struktura mogu biti relativno stabilne u svim okolnostima, dok druge imaju sklonost omekšavanju pri manjim poremećajima strukture. Pojednostavljene strukture sitnozrnog tla prikazane su na Slici 2.6. Prvu dispergovanu strukturu (Slika br.2.6a) karakteriše relativno stabilan razmještaj gusto složenih čestica, a karakteristična je za sitnozrna tla taložena u slatkoj vodi koja je siromašna kationima. Flokuliranu strukturu, na slici br. 2.6.-b), karakteriše relativno nestabilan i rahli razmještaj čestica, koji podsjeća na kulu od karata i koji se lako može narušiti pod opterećenjem. Ova je struktura karakteristična za taloženja u moru, u vodi bogatoj kationima. Na slici 2.6.-c prikazana je složena struktura koja se sastoji od nakupina čestica gline koje sliče zrnima. Naime, interakcija između pojedinačnih zrna minerala gline je rijetka, a tendencija je fomiranje pojedinačnih grupa čestica koje imaju „lice-u-lice“ orijentaciju. Ove pojedinačne nakupine se povezuju i formiraju veće grupe.

Slika 2.6. a) Dispergovana, b) flokulirana i c) složena struktura tla

Na ušćima rijeka u mora zbog djelovanja morske soli na koloidne čestice nastaje koagulacija ili flokulacija, pa se osim krupnijih prašinastih čestica brže talože i pahuljice minerala gline (Slika br. 2.7.).

Slika br.2.7. Istaložena zrna različite krupnoće

2.6. OSNOVNE VRSTE TLA Najčešće se koristi podjela tla prema krupnoći (granulaciji) zrna, što je i razumljivo s obzirom da krupnoća zrna bitno utiče na fizičko-mehaničke karakteristike tla. Pored ove karakteristike, savremeni načini podjele tla u obzir uzimaju i druge osobine, prvenstveno plastičnost tla. Prema kriteriju krupnoće zrna tlo se može podijeliti na slijedeće vrste: (a) drobine i obluci veličine 60-200 mm; (b) krupnozrna, nekoherentna ili nevezana tla: - šljunak, veličine 2-60 mm; - pijesak, veličine 0,06 -2 mm; (c) sitnozrna, koherentna ili vezana tla: - prah (prašina), veličine 0,002-0,06 mm;

- glina, veličine