Μηχανική Συμπεριφορά Εδαφών. Νικόλαος Σαμπατακάκης Νικόλαος Δεπούντης Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Γεωλογίας

Transcript

1 Μηχανική Συμπεριφορά Εδαφών Νικόλαος Σαμπατακάκης Νικόλαος Δεπούντης Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Γεωλογίας

2 Σκοποί ενότητας Η κατανόηση των βασικών χαρακτηριστικών του εδάφους που οριοθετούν τη μηχανική του συμπεριφορά 2

3 Μηχανική Συμπεριφορά Εδαφών η «αντίδραση» του εδάφους στην επίδραση εξωτερικών τάσεων, δυνάμεων (ορθές & διατμητικές) Τα κύρια χαρακτηριστικά που οριοθετούν τη μηχανική συμπεριφορά του εδάφους είναι: Διατμητική αντοχή (αντοχή σε αστοχία από επιβαλλόμενα φορτία) Παραμόρφωση (μέγεθος επιτρεπτών καθιζήσεων υποχωρήσεων) 3

4 Μετάδοση τάσεων στο έδαφος η μετάδοση της ολικής τάσης σ v γίνεται αποκλειστικά μέσω της επαφής των κόκκων η μετάδοση της ολικής τάσης σ v γίνεται (α) μέσω της επαφής των κόκκων (σ v ) (β) μέσω του νερού των πόρων (u) 4

5 Ενεργές τάσεις Σε κορεσμένο έδαφος: σ v = σ v + u οπότε σ v = σ v - u σ v ολική τάση σ v ενεργή τάση u πίεση πόρων Αρχή ενεργών τάσεων: η διατμητική αντοχή ενός εδαφικού υλικού εξαρτάται μόνο από την τιμή της ενεργής τάσης σ v ' (σ v = σ v - u) και όχι από την ολική τάση σ v τ' = c + σ v εφφ παραμόρφωση έχουμε μόνο όταν επιβληθεί μεταβολή των ενεργών τάσεων 5

6 Γεωστατικές τάσεις τάσεις λόγω ιδίου βάρους του εδάφους Σε κορεσμένα και ακόρεστα εδάφη η μετάδοση όλων των τάσεων γίνεται μόνο μέσω των εδαφικών κόκκων, διότι τα ρευστά δεν μπορούν να αναλάβουν και να μεταδώσουν διατμητικές τάσεις και ως εκ τούτου πάντα λαμβάνεται υπόψη μόνο η ενεργή τάση. Κάθε μεταβολή μιας μηχανικής παραμέτρου του εδάφους (παραμόρφωση, αντοχή) έπεται αντίστοιχη μεταβολή των ενεργών τάσεων και αντίστροφα. Επομένως η διατμητική αντοχή του εδάφους εξαρτάται μόνο από την τιμή της ενεργής τάσης και όχι από την ολική τάση 6

7 Παράδειγμα υπολογισμού γεωστατικών τάσεων 7

8 Διατμητική αντοχή εδαφών Αστοχία εδαφικού υλικού Εντατικές καταστάσεις που προκαλούν αστοχία είναι η ταυτόχρονη επίδραση ορθών (αξονικών και πλευρικών) τάσεων ή ακόμα διατμητικών Σχήμα 1: α) δοκιμή απευθείας διάτμησης, β) δοκιμή τριαξονικής φόρτισης (από Κούκης & Σαμπατακάκης 2002) 8

9 Κριτήρια θραύσης Γενικά, υπάρχει ένας κρίσιμος συνδυασμός των κύριων τάσεων (σ 1 και σ 3 ) που δρουν στο υλικό ( πέτρωμα ή έδαφος) ο οποίος μπορεί να προκαλέσει τη θραύση του. Ο συνδυασμός αυτός αποτελεί στην ουσία και το κριτήριο θραύσης Γενικά, κριτήριο θραύσης (criterion of failure) είναι μια αλγεβρική έκφραση των μηχανικών συνθηκών κάτω από τις οποίες ένα υλικό αστοχεί από θραύση ή παραμορφώνεται μέχρι μερικά σαφώς καθορισμένα όρια. Τα όρια αυτά μπορεί να είναι φορτία, παραμορφώσεις, μετακινήσεις, κ.ά. Το όριο θραύσης εξαρτάται και από τις κύριες τάσεις που δρουν πάνω στο δοκίμιο του εδάφους και από τις εντατικές συνθήκες. σ 1 = f (σ 3 ) 9

10 Κριτήριο θραύσης Mohr - Coulomb Κύκλος Mohr : γραφική παράσταση της εντατικής κατάστασης τη στιγμή της αστοχίας στο επίπεδο αστοχίας κέντρο κύκλου: (σ 1 +σ 3 )/2 ακτίνα κύκλου: (σ 1 - σ 3 )/2 περιβάλλουσα Mohr: τ = f(σ) Σχήμα 2: Γραφική απεικόνιση του κριτηρίου θραύσης Mohr-Coulomb (από Κούκης & Σαμπατακάκης 2002) 10

11 "νόμος" Mohr Coulomb τ = f(σ) (γραμμική) Σχήμα 3: Γραφική απεικόνιση του κριτηρίου θραύσης Mohr-Coulomb (από Κούκης & Σαμπατακάκης 2002) τ = c + σ v. εφφ (ολικές τάσεις) τ' = c + σ v. εφφ (ενεργές τάσεις) c: συνοχή φ: γωνία εσωτερικής τριβής κοκκώδη εδάφη (άμμοι): c =0 11

12 Παράμετροι διατμητικής αντοχής Γωνία εσωτερικής τριβής και Συνοχή 12

13 Γωνία εσωτερικής τριβής Σχήμα 4: Δυνάμεις μεταξύ των κόκκων εδαφικού υλικού α) μεταξύ δυο κόκκων σε επαφή και β) κατά μήκος του επιπέδου θραύσης (από Κούκης & Σαμπατακάκης 2002) Σχήμα 5: Συνιστώσες αντοχής (γωνία τριβής) μεσόκοκκης αμμου σε σχέση με τη σχετική πυκνότητσ D r (ROWE, 1962 από Κούκης & Σαμπατακάκης 2002) 13

14 Συνοχή Ελκτικές δυνάμεις μεταξύ αργιλικών πλακιδίων «Τσιμέντωση» των κόκκων (π.χ. διαγέννεση) Μόνο σε αργιλικά εδάφη 14

15 Υπολογισμός παραμέτρων διατμητικής αντοχής εδαφών Εργαστηριακές δοκιμές Εδαφομηχανικής & επιτόπου δοκιμές Σχήμα 6: Επιβαλλόμενη εντατική κατάσταση και τρόπος παραμόρφωσης α) τριαξονικής δοκιμής, β) δοκιμής απλής διάτμησης και γ) δοκιμής απευθείας διάτμησης (από Κούκης & Σαμπατακάκης 2002) 15

16 Παραμόρφωση εδαφών - Παραμόρφωση εδάφους εξαρτάται από. δομή γεωλογική ιστορία φυσικές ιδιότητες κ.λπ. στερεοποίηση Εργαστηριακή προσέγγιση Εικόνα 1: Μονοδιάστατη συμπίεση (από Κούκης & Σαμπατακάκης 2002) «καθίζηση» εδάφους εύρος καθιζήσεων + χρόνος ολοκλήρωσης καθιζήσεων Εικόνα 2: Συσκευή για δοκιμή στερεοποίησης (από Κούκης & Σαμπατακάκης 2002) 16

17 Παραμόρφωση συνεκτικών εδαφών στερεοποίηση (consolidation) το φαινόμενο της βαθμιαίας συμπίεσης ενός συνεκτικού εδάφους με παράλληλη αργή διαφυγή του νερού των πόρων κάτω από την επίδραση εξωτερικού φορτίου κορεσμένο αργιλικό έδαφος το νερό των πόρων αναλαμβάνει το μεγαλύτερο ποσοστό του φορτίου υδατική υπερπίεση μείωση των ενεργών τάσεων με την πάροδο του χρόνου το νερό διαφεύγει η πίεση πόρων μειώνεται αυξάνει το μέρος του φορτίου που αναλαμβάνεται από τον εδαφικό σκελετό (αύξηση ενεργών τάσεων) 17

18 Παραμόρφωση σε κοκκώδη (αμμώδη) εδάφη Επίδραση τάσης σε κοκκώδη εδάφη (κορεσμένα) Υψηλή διαπερατότητα Απομάκρυνση νερού Ανάληψη φορτίων από σκελετό Παραμόρφωση πυκνή δομή Σχήμα 7 : Μονοδιάστατη συμπίεση άμμου και προσδιορισμός του Μέτρου Συμπίεσης (D) (από Κούκης & Σαμπατακάκης, 2002) 18

19 Διακύμανση Μέτρου Συμπίεσης σε κοκκώδη εδάφη 19

20 Μονοδιάστατη συμπίεση εδαφών Σχήμα 8 : Συγκριτική θεώρηση καμπυλών μονοδιάστατης συμπίεσης για αμμώδες και αργιλικό έδαφος (από Κούκης & Σαμπατακάκης 2002) 20

21 Τέλος Ενότητας