Παραμετρική Διερεύνηση της Αποτελεσματικότητας Ενέσεων Εμποτισμού Εδαφών με Αιωρήματα Λεπτόκοκκων Τσιμέντων

Transcript

1 Παραμετρική Διερεύνηση της Αποτελεσματικότητας Ενέσεων Εμποτισμού Εδαφών με Αιωρήματα Λεπτόκοκκων Τσιμέντων Parametric Investigation of Permeation Grouting Effectiveness in Soils using Microfine Cement Suspensions ΔΡΟΥΔΑΚΗΣ, Α.Ι. ΜΑΡΚΟΥ, Ι.Ν. ΧΡΙΣΤΟΔΟΥΛΟΥ, Δ.Ν. Δρ. Πολιτικός Μηχανικός Δρ. Πολιτικός Μηχανικός, Επίκουρος Καθηγητής, Δ.Π.Θ. Δρ. Πολιτικός Μηχανικός ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Για τη διερεύνηση της αποτελεσματικότητας των ενέσεων εμποτισμού με αιωρήματα λεπτόκοκκων τσιμέντων, εκτελέστηκαν δοκιμές ανεμπόδιστης θλίψης και διαπερατότητας σε τέσσερεις εμποτισμένες άμμους. Χρησιμοποιήθηκε τσιμέντο CEM II/B-M (EN 197-1) σε τέσσερεις κοκκομετρίες και αιωρήματα με λόγους νερού προς τσιμέντο (Ν/Τ) ίσους με 1:1, 2:1 και 3:1. Η αντοχή σε ανεμπόδιστη θλίψη του εμποτισμένου εδάφους φθάνει τα 13 MPa και η διαπερατότητά του είναι ως και 5 τάξεις μεγέθους μικρότερη από αυτή του καθαρού εδάφους. Οι δύο ιδιότητες του εμποτισμένου εδάφους επηρεάζονται ουσιωδώς από το μέγεθος κόκκων εδάφους και το λόγο Ν/Τ αιωρήματος και λιγότερο από τη λεπτότητα τσιμέντου και από χρόνους ωρίμανσης πάνω από 28 ημέρες. ABSTRACT : For the investigation of the effectiveness of permeation grouting with microfine cement suspensions, unconfined compression and permeability tests were conducted in four grouted sands. Four gradations of CEM II/B-M (EN 197-1) cement and suspensions with water to cement ratios equal to 1:1, 2:1 and 3:1, by weight, were used. Unconfined compression strength of grouted soil reaches 13 MPa and permeability of grouted soil is up to 5 orders of magnitude lower than that of ungrouted soil. These two properties of grouted soil are affected substantially by the grain size of soil and the water to cement ratio of suspension and in a lower degree by the fineness of cement and curing times longer than 28 days. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι ενέσεις εμποτισμού αποτελούν μια ελκυστική λύση με την οποία επιτυγχάνεται αποτελεσματική βελτίωση των μηχανικών και υδραυλικών χαρακτηριστικών των εδαφών. Κατά κύριο λόγο, η αποτελεσματικότητα της μεθόδου των ενέσεων εμποτισμού ποσοτικοποιείται προσδιορίζοντας τη μείωση της διαπερατότητας και την αύξηση της αντοχής του εδάφους που επιτυγχάνεται, σε σχέση με τις αρχικές ιδιότητές του. O τύπος του έργου και τα χαρακτηριστικά του εδάφους είναι αυτά που καθορίζουν την καταλληλότητα του ενέματος που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί (Dupla et al., 2004). Τα αιωρήματα τσιμέντου θεωρούνται κατάλληλα για τη βελτίωση κοκκωδών εδαφών, όμως η μικρή ικανότητα διείσδυσης που παρουσιάζουν, περιορίζει το πεδίο εφαρμογής τους σε εδάφη με κοκκομετρία χονδρής ως μέσης άμμου. Από την άλλη πλευρά, η χρήση χημικών διαλυμάτων εγγυάται τον εμποτισμό ακόμη και χονδρόκοκκων ιλύων, αλλά εμφανίζουν μικρή διάρκεια ζωής και θεωρούνται εξαιρετικά επικίνδυνα για το περιβάλλον και τον άνθρωπο. Τελευταία, έχουν πραγματοποιηθεί αρκετές έρευνες με στόχο την ανάπτυξη νέων υλικών που θα επιτρέπουν τον εμποτισμό λεπτόκοκκων εδαφών και, ταυτόχρονα, δεν θα παρουσιάζουν τα μειονεκτήματα των χημικών διαλυμάτων. Αποτέλεσμα των ερευνών αυτών ήταν η εμφάνιση τσιμέντων με κοκκομετρική διαβάθμιση λεπτότερη έως πολύ λεπτότερη από εκείνη των κοινών τσιμέντων, τα οποία ονομάστηκαν λεπτόκοκκα. Στην παρούσα 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/ , Βόλος 1

2 εργασία παρουσιάζονται αποτελέσματα που προέκυψαν από μια εκτεταμένη εργαστηριακή διερεύνηση που είχε ως στόχο την ανάπτυξη μιας νέας σειράς λεπτόκοκκων τσιμέντων Ελληνικής προέλευσης και την ποσοτικοποίηση της αποτελεσματικότητας των ενέσεων με αιωρήματα αυτών, σε συνάρτηση με ορισμένες παραμέτρους που θεωρούνται βασικές για τη σύνθεση του εμποτισμένου εδάφους. Ποσοστό λεπτότερο (%) d max : 100 μm : 40 μm : 20 μm : 10 μm Τσιμέντο: CEM II/B-M 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ Για τις ανάγκες της έρευνας χρησιμοποιήθηκε το κοινό τσιμέντο CEM II/B-M (EN 197-1) από το οποίο, με κατάλληλη λειοτρίβηση σε ειδικό εργαστηριακό μύλο, προήλθαν ένα λεπτό και δύο λεπτόκοκκα τσιμέντα με ονομαστικό μέγιστο μέγεθος κόκκου, d max, ίσο με 40 μm, 20 μm και 10 μm, αντίστοιχα. Η λειοτρίβηση πραγματοποιήθηκε με τη διαδικασία της ξηρής μεθόδου στα εργαστήρια της Α.Ε. Τσιμέντων ΤΙΤΑΝ. Οι κοκκομετρικές καμπύλες όλων των τσιμέντων δίδονται στο Σχήμα 1. Για την παρασκευή των αιωρημάτων χρησιμοποιήθηκε νερό βρύσης, το οποίο θεωρείται κατάλληλο για την προετοιμασία αιωρημάτων τσιμέντου. Τα αιωρήματα που παρασκευάστηκαν, είχαν λόγο νερού προς τσιμέντο (Ν/Τ) ίσο με 1:1, 2:1 και 3:1 κατά βάρος. Αιωρήματα με λόγο Ν/Τ μικρότερο του 1:1 δεν χρησιμοποιήθηκαν, λόγω της περιορισμένης ενεσιμότητας που εμφανίζουν, η οποία δεν θα επέτρεπε την πραγματοποίηση όλων των συγκρίσεων που επιβάλλει η παρούσα έρευνα Μέγεθος κόκκου (μm) Σχήμα 1. Κοκκομετρικές Καμπύλες Τσιμέντων Figure 1. Grain Size Distributions of Cements Αιωρήματα με λόγο Ν/Τ μεγαλύτερο του 3:1 δεν παρασκευάστηκαν δεδομένης της χαμηλής αποτελεσματικότητάς τους σε προγράμματα ενέσεων εμποτισμού. Για τη βελτίωση της ρεολογικής συμπεριφοράς και τη μείωση του ιξώδους των αιωρημάτων λεπτού και λεπτόκοκκων τσιμέντων χρησιμοποιήθηκε υπερρευστοποιητής (GLENIUM 11) συμβατός με τον συγκεκριμένο τύπο τσιμέντου, σε δόση ίση με 1.4% κατά βάρος ξηρού τσιμέντου. Οι ιδιότητες των αιωρημάτων που τεκμηριώθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διερεύνησης είναι το ιξώδες, η εξίδρωση, οι χρόνοι αρχικής και τελικής πήξης και η αντοχή σε ανεμπόδιστη θλίψη. Από τις τιμές των ιδιοτήτων που παρουσιάζονται στον Πίνακα 1, γίνεται αντιληπτό ότι τα αιωρήματα λεπτού και 1 Πίνακας 1. Ιδιότητες Αιωρημάτων Τσιμέντου Table 1. Cement Suspension Properties Μέγιστο μέγεθος κόκκου, d max Λόγος Ν/Τ Φαινόμενο ιξώδες (cp) Εξίδρωση (%) Χρόνοι πήξης (hrs) Αντοχή σε ανεμπόδιστη θλίψη (MPa) 60 rpm* 3 rpm* Αρχικός Τελικός 7 ημέρες 28 ημέρες 1: μm 2: : : μm 2: : : μm 2: : : μm 2: : * Ταχύτητα περιστροφής ιξωδομέτρου, Τιμές ιξώδους έπειτα από χρόνο t = 0 min 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/ , Βόλος 2

3 λεπτόκοκκων τσιμέντων που περιέχουν υπερρευστοποιητή είναι κατάλληλα για την εκτέλεση ενέσεων εμποτισμού. Για την παρασκευή του εμποτισμένου εδάφους χρησιμοποιήθηκε γωνιώδης ασβεστολιθική άμμος, η οποία έπειτα από κατάλληλη επεξεργασία διαχωρίστηκε σε τέσσερα επιμέρους καθαρά κλάσματα με μεγέθη κόκκων μεταξύ των κόσκινων (κατά ASTM E11): Νο. 5 και Νο. 10, Νο. 10 και Νο. 14, Νο. 14 και Νο. 25 και Νο. 25 και Νο. 50. Οι ιδιότητες των κλασμάτων άμμου (που στη συνέχεια θα καλούνται 5-10, 10-14, και 25-50, αντίστοιχα) δίδονται στον Πίνακα 2. Τα επιμέρους κλάσματα άμμου χαρακτηρίζονται ως ομοιόμορφα, καθώς έχουν συγκρίσιμους και χαμηλούς συντελεστές ομοιομορφίας (κυμαίνονται από 1.19 ως 1.56), ενώ δεν περιέχουν συστατικά μικρότερα των mm. Πριν την έναρξη των εμποτισμών, τα κλάσματα άμμου βρίσκονταν σε ξηρή και πυκνή κατάσταση (μέση τιμή σχετικής πυκνότητας, D r = 98±1%). Η γωνία εσωτερικής τριβής των κλασμάτων άμμου κυμαινόταν από 44 ο ως 45 ο και ο προσδιορισμός της έγινε με εκτέλεση δοκιμών τριαξονικής φόρτισης χωρίς στερεοποίηση χωρίς στράγγιση σε πυκνά και ξηρά δοκίμια. Για την εκτέλεση των ενέσεων εμποτισμού χρησιμοποιήθηκε ειδικά κατασκευασμένη εργαστηριακή διάταξη (Σχήμα 2), με την οποία (α) επιτυγχανόταν επαρκής προσομοίωση των συνθηκών που επικρατούν στο πεδίο σε πραγματικές εφαρμογές και (β) προσφερόταν η δυνατότητα διερεύνησης της επίδρασης της απόστασης από το σημείο ένεσης στις ιδιότητες του εμποτισμένου εδάφους. Οι στήλες εντός των οποίων τοποθετούνταν το έδαφος ήταν κατασκευασμένες από PVC και είχαν συνολικό ύψος και εσωτερική διάμετρο 144 cm και 7.5 cm, αντίστοιχα. Κατά μήκος των στηλών (Σχήμα 2) τοποθετούνταν ειδικά αισθητήρια με τη βοήθεια των οποίων ήταν δυνατή η καταγραφή της πίεσης του Πίνακας 2. Table 2. Άμμος G s Ιδιότητες Άμμων Sand Properties Δείκτες κενών e min e max Συντελεστής διαπ/τας, k 20 * (cm/sec) * Άμμοι σε πυκνή κατάσταση Σχήμα 2. Εργαστηριακή Διάταξη Εμποτισμού Στηλών Άμμου Figure 2. Laboratory Equipment for Grouting Sand Columns αιωρήματος κατά τη διάρκεια των ενέσεων. Παρόμοιες πειραματικές διατάξεις για τη διενέργεια εργαστηριακών ενέσεων εμποτισμού έχουν χρησιμοποιηθεί επιτυχώς και παλαιότερα (Schwarz and Krizek, 1994, Dupla et al., 2004). Η διαδικασία της ένεσης ολοκληρωνόταν είτε όταν ο όγκος του εισπιεσμένου αιωρήματος γινόταν ίσος με το διπλάσιο του όγκου κενών του εδάφους στη στήλη είτε όταν η πίεση εμποτισμού γινόταν ίση με 700 kpa. Μετά την πάροδο 28 ή 90 ημερών, οι στήλες με το εμποτισμένο έδαφος κόβονταν σε δοκίμια ύψους 16 cm και 9 cm. Τα δοκίμια ύψους 16 cm εξετάζονταν σε δοκιμές ανεμπόδιστης θλίψης υπό σταθερό ρυθμό αξονικής παραμόρφωσης ίσο με 0.05%/min, ενώ τα δοκίμια ύψους 9 cm εξετάζονταν σε δοκιμές διαπερατότητας σταθερού φορτίου υπό πίεση. Για την εκτέλεση των δοκιμών διαπερατότητας χρησιμοποιήθηκε ειδική πειραματική διάταξη που επέτρεπε την εξέταση των δοκιμίων εντός των μητρών PVC και επιτάχυνε τη διαδικασία κορεσμού των εμποτισμένων δοκιμίων (Σχήμα 3). Η διάταξη αποτελούνταν από ένα κεντρικό πίνακα κατανομής πιέσεων, μια δεξαμενή παροχής νερού, ένα αεροσυμπιεστή, δύο κυψέλες αέρα νερού και δύο διαπερατόμετρα. Πριν την έναρξη κάθε δοκιμής, οι θάλαμοι των κυψελών πληρώνονταν µε νερό διαμέσου της δεξαμενής απομακρύνοντας όλο τον αέρα που βρισκόταν εντός των μεμβρανών στις κυψέλες. Το απαραίτητο υδραυλικό φορτίο για την εκτέλεση 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/ , Βόλος 3

4 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΕΝΕΣΕΩΝ 3.1 Μέγεθος κόκκων εδάφους Σχήμα 3. Εργαστηριακή Διάταξη για τον Προσδιορισμό της Διαπερατότητας των Εμποτισμένων Δοκιμίων Figure 3. Laboratory Equipment for the Determination of Permeability of Grouted Sand Specimens των δοκιμών παρεχόταν επιτρέποντας σε αέρα υπό σταθερή πίεση να διοχετευθεί από τον αεροσυμπιεστή στο εσωτερικό των μεμβρανών προκαλώντας την σταδιακή διόγκωσή τους. Η διόγκωση αυτή απομάκρυνε το νερό από τους θαλάμους των κυψελών δημιουργώντας ροή προς τα δύο διαπερατόµετρα. Η κίνηση αυτή του νερού πραγματοποιούταν υπό καθεστώς σταθερής πίεσης, η τιμή της οποίας ρυθμιζόταν µε τη βοήθεια ρυθμιστών πίεσης και ελεγχόταν από τις ενδείξεις ενός µανοµέτρου. Στα πλαίσια της παρούσας εργαστηριακής διερεύνησης το μέγεθος της πίεσης κυμάνθηκε από 10 kpa ως 200 kpa. Η ροή του νερού από τις κυψέλες στα διαπερατόµετρα γινόταν διαμέσου κατάλληλα διαμορφωμένου συστήματος βαλβίδων και πλαστικών σωληνώσεων ώστε να επιτρέπεται η ταυτόχρονη εκτέλεση δύο δοκιμών διαπερατότητας που ωστόσο παρέμεναν ανεξάρτητες μεταξύ τους. Η ροή του νερού κατά τη διάρκεια των δοκιμίων είχε φορά από κάτω προς τα πάνω ώστε να επιτυγχάνεται ο κορεσμός των δοκιμίων, ο οποίος θεωρούνταν πλήρης όταν η παροχή του νερού εκροής λάμβανε σταθερή τιμή. Ο προσδιορισμός του συντελεστή διαπερατότητας των εμποτισμένων δοκιμίων βασίστηκε στις μετρήσεις και στους κλασσικούς υπολογισμούς που αναφέρονται στο πρότυπο ASTM D2434. Στο Σχήμα 4 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα δοκιμών ανεμπόδιστης θλίψης σε δοκίμια ηλικίας 28 ημερών που προήλθαν από εμποτισμούς άμμων με αιώρημα τσιμέντου με μέγιστο μέγεθος κόκκου ίσο με 20 μm και λόγο Ν/Τ ίσο με 2:1. Παρατηρείται ότι η μείωση του μεγέθους των κόκκων του εδάφους οδηγεί σε σημαντική αύξηση της αντοχής του μετά τον εμποτισμό, καθώς υπολογίστηκε ότι ο μέσος όρος της αντοχής που προκύπτει από τα δοκίμια της κάθε στήλης είναι ίσος µε 1.07 MPa, 1.36 MPa, 1.93 MPa και 2.49 MPa για τις άμμους 5-10, 10-14, και 25-50, αντίστοιχα. Η αύξηση της αντοχής χαρακτηρίζεται ως σημαντική, καθώς από τις συγκρίσεις μεταξύ γειτονικών κλασμάτων άμμου αναδεικνύονται αυξήσεις που γενικά ξεπερνούν το 20% και είναι δυνατό να φτάσουν ως και το 45%. Η επίδραση αυτή της λεπτότητας των εδαφών επιβεβαιώνεται και από άλλες βιβλιογραφικές πηγές (Zebovitz et al., 1989, Dano et al., 2004) και αποδίδεται στο γεγονός, ότι ένα λεπτότερο έδαφος έχει μεγαλύτερη ειδική επιφάνεια κόκκων µε αποτέλεσμα να παρουσιάζει περισσότερα σημεία επαφής μεταξύ των κόκκων του και κατ επέκταση μεγαλύτερη ικανότητα κατακράτησης κόκκων τσιμέντου στις περιοχές αυτές κατά τη Απόσταση από το σημείο ένεσης (cm) Άμμος d max : 20 μm, Ν/Τ = 2: Αντοχή σε ανεμπόδιστη θλίψη (kpa) Σχήμα 4. Επίδραση του Μεγέθους Κόκκων του Εδάφους στην Αντοχή του Εμποτισμένου Εδάφους Figure 4. Effect of Soil Grain Size on the Strength of Grouted Soil 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/ , Βόλος 4

5 διάρκεια της ροής του αιωρήματος διαμέσου της εδαφικής μάζας. Η κατακράτηση περισσότερων κόκκων τσιμέντου έχει ως άμεση συνέπεια την καλύτερη τσιμέντωση των άμμων που οδηγεί στη βελτίωση της αντοχής τους. Δεδομένου ότι το εμποτισμένο έδαφος αποτελεί τη σύνθεση αιωρήματος και εδάφους, έγινε προσπάθεια συσχέτισης της αντοχής του σε ανεμπόδιστη θλίψη με την αντοχή σε ανεμπόδιστη θλίψη του αιωρήματος και το μέγεθος κόκκων του εδάφους με τη χρήση μιας μαθηματικής σχέσης που προτάθηκε από τους Ozgurel και Vipulanandan (2005) και δίνεται στη συνέχεια: s d10 * ( ) (1) d σ 0 g όπου σ s είναι η αντοχή του εµποτισµένου εδάφους, σ g είναι η αντοχή αιωρήματος, d 10 είναι το χαρακτηριστικό μέγεθος κόκκου από το οποίο είναι μικρότερο το 10% κατά βάρος των κόκκων του εδάφους, d o είναι το μέγεθος κόκκου ίσο µε 1 mm και α, β είναι παράμετροι που εξαρτώνται από τα χαρακτηριστικά του χρησιμοποιούμενου αιωρήματος για τον εμποτισμό του εδάφους. Αν και η Εξίσωση 1 προέκυψε εμπειρικά από πειραματικά δεδομένα που αναφέρονται σε χημικά ενέματα, φαίνεται ότι ταιριάζει (Σχήμα 5) ίσως και Αντοχή εμπ.εδάφους / αντοχή αιωρήματος d max : 20 μm, N/T = 3:1 d max : 10 μm, N/T = 2:1 d max : 20 μm, N/T = 2:1 R 2 = 0.99 R 2 = 1.00 R 2 = Χαρακτηριστικό μέγεθος κόκκων εδάφους, d 10 (mm) Σχήμα 5. Συσχέτιση του Λόγου της Αντοχής του Εµποτισµένου Εδάφους προς την Αντοχή του Αιωρήματος µε το Χαρακτηριστικό Μέγεθος Κόκκων d 10 των Άμμων Figure 5. Correlation between Grouted Soil Strength to Grout Strength Ratio and the Characteristic Grain Size d 10 of Sands περισσότερο από ικανοποιητικά στα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας. Για τα αιωρήματα τσιμέντου με d max =20 μm και λόγους Ν/Τ ίσους με 2:1 και 3:1, οι παράμετροι α, β παίρνουν τις τιμές 0.461, 0.58 και 0.942, 0.37, αντίστοιχα. Για το αιώρημα με d max =10 μm και λόγο Ν/Τ ίσο με 2:1, οι τιμές των α, β είναι ίσες με και 0.42, αντίστοιχα. Όσον αφορά στη διαπερατότητα των εμποτισμένων άμμων, προκύπτει ότι αυτή μειώνεται µε την μείωση του μεγέθους των κόκκων εδάφους (Σχήμα 6). Όμως, οι παρατηρούμενες διαφορές μεταξύ των συντελεστών διαπερατότητας των άμμων θεωρούνται μικρές, καθώς δεν ξεπερνούν τη μισή τάξη μεγέθους. Αντίθετα, η μείωση της διαπερατότητας βελτιώνεται σημαντικά όσο αυξάνεται το μέγεθος των κόκκων του εδάφους, καθώς παρατηρείται ότι ο συντελεστής διαπερατότητας των εμποτισμένων άμμων 5-10, 10-14, και είναι μικρότερος ακόμα και κατά σχεδόν 5, 4.5, 4 και 3 τάξεις μεγέθους, αντίστοιχα, από αυτόν των καθαρών άμμων (Σχήμα 7). 3.2 Χαρακτηριστικά αιωρήματος Η επίδραση της λεπτότητας του τσιμέντου στην αντοχή και τη διαπερατότητα του εµποτισµένου εδάφους διερευνήθηκε πιο εκτεταμένα με αιωρήματα που είχαν λόγο Ν/Τ 2:1 και 3:1, καθώς με αυτά επιτυγχανόταν πιο εύκολα πλήρης εμποτισμός των στηλών. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν, έδειξαν ότι η Συντ/στής διαπ/τας, k20 (cm/sec) 1.82* * * * * *10-05 Ν/Τ=2:1 Ν/Τ=3:1 4.68*10-05 d max : 20 μm Χαρακτηριστικό μέγεθος κόκκων εδάφους, d 10 (mm) Σχήμα 6. Επίδραση του Μεγέθους Κόκκων Εδάφους στη Διαπερατότητα του Εμποτισμένου Εδάφους Figure 6. Effect of Soil Grain Size on the Permeability of Grouted Soil 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/ , Βόλος 5

6 Μείωση συντελεστή διαπερατότητας 1E-2 1E-3 1E-4 d max : 20 μm Ν/Τ=2:1 Ν/Τ=3:1 1E Χαρακτηριστικό μέγεθος κόκκων εδάφους, d 10 (mm) Αντοχή σε ανεμπόδιστη θλίψη (kpa) Τσιμέντο: CEM II/B-M Άμμος: 14-25, Ν/Τ= 2: Άμμος: 10-14, Ν/Τ= 2:1 Άμμος: 14-25, Ν/Τ= 3: Ειδική επιφάνεια κατά Blaine (m 2 /kgr) Σχήμα 7. Λόγος των Συντελεστών Διαπερατότητας Εμποτισμένου και Καθαρού Εδάφους σε Σχέση με το Μέγεθος Κόκκων του Figure 7. Ratio of Permeability Coefficients of Grouted and Ungrouted Soil in Relation to the Grain Size of Soil επίδραση της λεπτότητας του τσιμέντου δεν είναι αυτοδύναμη, αλλά εξαρτάται από την αθροιστική επίδραση και άλλων παραμέτρων. Στα Σχήματα 8 και 9, αντίστοιχα, φαίνεται η επίδραση της λεπτότητας τσιμέντου εκφρασμένη ως προς την ειδική επιφάνεια του τσιμέντου κατά Blaine στην αντοχή και τη διαπερατότητα δύο άμμων που εμποτίστηκαν µε αιωρήματα λόγου Ν/Τ 2:1 και 3:1. Από τα δύο σχήματα απουσιάζουν οι τιμές αντοχής και διαπερατότητας που αφορούν στο αιώρημα τσιμέντου με d max =40 μm, καθώς αυτές προέκυψαν ανεξήγητα πολύ χαμηλές και υψηλές, αντίστοιχα, και θεωρήθηκαν µη αξιόπιστες για συγκρίσεις. Τα αποτελέσματα δοκιμών ανεμπόδιστης θλίψης έδειξαν ότι υπό συνθήκες εύκολης διείσδυσης (χαμηλή πίεση εμποτισμού, <50 kpa) η αντοχή του εμποτισμένου εδάφους είναι ανεξάρτητη (από 1.33 MPa ως 1.36 MPa για άμμο και λόγο Ν/Τ 2:1 και από 0.69 MPa ως 0.73 MPa για την άμμο και λόγο Ν/Τ 3:1) της λεπτότητας τσιμέντου. Θεωρείται ότι σε περιπτώσεις που η ένεση πραγματοποιείται µε ευκολία, η ποσότητα των στερεών αιωρήματος που κατακρατείται στις επαφές μεταξύ των κόκκων εδάφους δεν μεταβάλλεται σημαντικά με τη χρήση τσιμέντων διαφορετικής λεπτότητας. Κατά συνέπεια, η συγκόλληση των κόκκων εδάφους που επιτυγχάνεται λόγω της παρουσίας του αιωρήματος είναι συγκρίσιμης ποιότητας, αποδίδοντας έτσι παρόμοιες τιμές αντοχής. Το φαινόμενο αυτό Σχήμα 8. Επίδραση Λεπτότητας Τσιμέντου στην Αντοχή του Εμποτισμένου Εδάφους Figure 8. Effect of Cement Fineness on the Strength of Grouted Soil Συντελεστής διαπερατότητας, k20 (cm/sec) 1.E-02 1.E-03 1.E-04 1.E-05 1.E-06 Τσιμέντο: CEM II/B-M Άμμος: 14-25, Ν/Τ= 2:1 Άμμος: 10-14, Ν/Τ= 2:1 Άμμος: 14-25, Ν/Τ= 3: Ειδική επιφάνεια κατά Blaine (m 2 /kgr) Σχήμα 9. Επίδραση Λεπτότητας Τσιμέντου στη Διαπερατότητα του Εμποτισμένου Εδάφους Figure 9. Effect of Cement Fineness on the Permeability of Grouted Soil παρατηρείται και στην άμμο όταν εμποτίζεται με τα αιωρήματα λεπτόκοκκων τσιμέντων με λόγο Ν/Τ 2:1. Αντίθετα, κατά τον εμποτισμό της άμμου αυτής, το αιώρημα κοινού τσιμέντου με λόγο Ν/Τ 2:1 υφίσταται ισχυρό φιλτράρισμα, γεγονός που μαρτυρά και η υψηλή πίεση εμποτισμού (600 kpa) που καταγράφηκε. Η παρόμοια τιμή αντοχής που τελικά προσέδωσε το αιώρημα κοινού τσιμέντου (1.79 MPa) στην άμμο αποδίδεται στην συμπίεση που υπέστη το αιώρημα λόγω 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/ , Βόλος 6

7 της υψηλής πίεσης, η οποία βελτίωσε τη συγκόλληση μεταξύ των κόκκων τσιμέντου. Η διαπερατότητα του εµποτισµένου εδάφους φαίνεται συστηματικά να σημειώνει μειώσεις όσο αυξάνεται η λεπτότητα του τσιμέντου του αιωρήματος. Συγκεκριμένα, η άμμος που εμποτίστηκε µε τα αιωρήματα λεπτόκοκκων τσιμέντων (d max =20 μm και d max =10 μm) απέδωσε τιμές συντελεστή διαπερατότητας περίπου ίσες (4.6*10-5 cm/sec και 5.13*10-5 cm/sec, αντίστοιχα), ενώ η αντίστοιχη τιμή µε το αιώρημα κοινού τσιμέντου έφτασε στα 7*10-5 cm/sec. Παρομοίως, η άμμος που εμποτίστηκε µε αιωρήματα λεπτόκοκκων τσιμέντων που είχαν λόγο Ν/Τ 3:1 απέδωσε τιμή συντελεστή διαπερατότητας περίπου ίση µε 3.4*10-4 cm/sec, ενώ η αντίστοιχη τιμή µε το αιώρημα κοινού τσιμέντου έφτασε στα 5.4*10-4 cm/sec. Η βελτίωση της διαπερατότητας µε τη χρήση λεπτόκοκκων αιωρημάτων αποδίδεται στο μειωμένο μέγεθος της εξίδρωσης που αυτά εμφανίζουν σε σχέση µε τα αιωρήματα κοινού τσιμέντου. Η ποσότητα αιωρήματος που συγκεντρώνεται εντός των κενών του εδάφους υπό συνθήκες εύκολης διείσδυσης του αιωρήματος είναι ανεξάρτητη του αιωρήματος που χρησιμοποιήθηκε. Με τη χρήση όμως του αιωρήματος κοινού τσιμέντου δημιουργούνται περισσότερα κενά λόγω της παρουσίας μεγαλύτερης ποσότητας νερού που προκύπτει ως προϊόν της εξίδρωσης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, η πλήρωση των κενών που επιτυγχάνεται µε το συγκεκριμένο αιώρημα να μην είναι το ίδιο αποτελεσματική µε αυτή που επιτυγχάνουν τα αιωρήματα λεπτόκοκκων τσιμέντων, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση του συντελεστή διαπερατότητας. Το φαινόμενο αυτό λαμβάνει ακόμη μεγαλύτερες διαστάσεις όταν ο εμποτισμός πραγματοποιείται υπό υψηλή πίεση εμποτισμού στην άμμο Ο αριθμός των κενών αυξάνεται λόγω του φιλτραρίσματος που υφίσταται το αιώρημα με αποτέλεσμα ο συντελεστής διαπερατότητας να είναι σχεδόν κατά 2 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερος από εκείνους των λεπτόκοκκων τσιμέντων (Σχήμα 9). Η επίδραση της εξίδρωσης του αιωρήματος στην τιμή του συντελεστή διαπερατότητας φαίνεται στο Σχήμα 10. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι τα αιωρήματα λεπτόκοκκων τσιμέντων αποδίδουν βελτιωμένες τιμές αντοχής σε σχέση µε τα αιωρήματα κοινών τσιμέντων µόνο σε περιπτώσεις που η ενεσιμότητα των τελευταίων είναι αρκετά περιορισμένη. Αντίθετα, τα αιωρήματα λεπτόκοκκων Συντελεστής διαπερατότητας, k20 (cm/sec) 1E-2 1E-3 1E-4 1E-5 1E-6 R 2 = E Ανηγμένος όγκος νερού εξίδρωσης, ΔV/V o (%) Σχήμα 10. Επίδραση της Εξίδρωσης των Αιωρημάτων στη Διαπερατότητα του Εμποτισμένου Εδάφους Figure 10. Effect of Suspension Bleeding Capacity on the Permeability of Grouted Soil τσιμέντων θεωρούνται αποτελεσματικότερα ως προς την μείωση της διαπερατότητας λόγω της βελτιωμένης ενεσιμότητας και της μικρότερης εξίδρωσης που εμφανίζουν σε σχέση µε τα αιωρήματα κοινών τσιμέντων. Αυτό αποδεικνύει ότι ο μηχανισμός μείωσης της διαπερατότητας βασίζεται περισσότερο στο ποσοστό μείωσης των κενών εδάφους που επιτυγχάνεται, ενώ η αντοχή εξαρτάται από την ισχύ των δεσμών που αναπτύσσονται μεταξύ των κόκκων εδάφους λόγω της παρουσίας του αιωρήματος (Schwarz and Chirumalla, 2007). Όσον αφορά το λόγο Ν/Τ του αιωρήματος, προκύπτει ότι η αποτελεσματικότητα των ενέσεων εμποτισμού βελτιώνεται σημαντικά µε την χρησιμοποίηση πυκνότερων αιωρημάτων. Το φαινόμενο αυτό αποδίδεται στην ικανοποιητικότερη πλήρωση των κενών που επιτυγχάνουν τα πυκνότερα αιωρήματα λόγω της μικρότερης εξίδρωσης που παρουσιάζουν. Συνολικά, τα αιωρήματα µε λόγο Ν/Τ 1:1 απέδωσαν στα εμποτισμένα εδάφη τιμές αντοχής σε ανεμπόδιστη θλίψη που κυμαίνονται από 11.9 MPa ως 13.3 MPa, τα αιωρήματα µε λόγο Ν/Τ 2:1 αντοχές που κυμαίνονται από 0.7 MPa ως 2.9 MPa και τα αιωρήματα λόγου Ν/Τ 3:1 απέδωσαν αντοχές που κυμαίνονται από 0.5 MPa ως 1.6 MPa. Οι τιμές του συντελεστή διαπερατότητας κυμαίνονται από 1.4*10-5 cm/sec ως 1.3*10-6 cm/sec, από 1.2*10-3 cm/sec ως 2.1*10-5 cm/sec και από 6.4*10-4 cm/sec ως 1.7*10-4 cm/sec για λόγους Ν/Τ 1:1, 2:1 και 3:1, αντίστοιχα. Από αυτές τις 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/ , Βόλος 7

8 τιμές προκύπτει ότι λόγω των ενέσεων, επιτυγχάνεται βελτίωση της διαπερατότητας των άμμων που κυμαίνεται από 4 ως 5, από 3 ως 5 και από 2 ως 3 τάξεις μεγέθους για αιωρήματα με λόγους Ν/Τ 1:1, 2:1 και 3:1, αντίστοιχα. Η επίδραση της αύξησης του χρόνου ωρίμανσης στην αποτελεσματικότητα των ενέσεων εμποτισμού αποτυπώνεται στις τιμές του Πίνακα 3. Παρατηρείται ότι έπειτα από χρόνο ωρίμανσης ίσο µε 90 ημέρες η αντοχή του εµποτισµένου εδάφους παρουσιάζει αυξήσεις το πολύ έως 10% και η διαπερατότητα του εμποτισμένου εδάφους παρουσιάζει μειώσεις ως και 43%, σε σχέση µε τις αντίστοιχες τιμές που αφορούν σε χρόνο ωρίμανσης ίσο µε 28 ημέρες. Οι διαφορές αυτές είναι μικρές και αποδεικνύουν ότι χρονικό διάστημα ίσο με 28 ημέρες είναι αρκετό για να εκδηλωθεί ικανοποιητική βελτίωση στο εμποτισμένο έδαφος. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Με βάση τα αποτελέσματα που προέκυψαν και τις παρατηρήσεις που έγιναν στο πλαίσιο αυτής της εργαστηριακής διερεύνησης, μπορούν να εξαχθούν τα εξής συμπεράσματα: Ενέσεις εμποτισμού με αιωρήματα λεπτόκοκκων τσιμέντων είναι δυνατό να επιφέρουν μείωση του συντελεστή διαπερατότητας έως 5 τάξεις μεγέθους και θλιπτική αντοχή στο έδαφος έως 13 MPa. Η αντοχή σε ανεμπόδιστη θλίψη του εµποτισµένου εδάφους αυξάνεται µε τη μείωση του λόγου Ν/Τ του αιωρήματος και τη μείωση του μεγέθους κόκκων του εδάφους. Η χρήση λεπτόκοκκων τσιμέντων δρα ευεργετικά ως προς την αντοχή μόνο σε περιπτώσεις που με αυτά βελτιώνεται η ενεσιμότητα των αιωρημάτων. Πίνακας 3. Αντοχή και Διαπερατότητα Εμποτισμένων Δοκιμίων Ηλικίας 28 και 90 Ημερών Table 3. Strength and Permeability of Grouted Specimens after Curing for 28 and 90 Days Μέγιστο μέγεθος κόκκου d max 20 μm Άμμος Αντοχή σε ανεμπόδιστη θλίψη (MPa) 28 ημέρες 90 ημέρες Συντελεστής διαπ/τας, k 20 (x10-5 cm/sec) 28 ημέρες 90 ημέρες μm Η διαπερατότητα του εµποτισµένου εδάφους μειώνεται µε τη χρήση λεπτόκοκκων τσιμέντων και τη μείωση του λόγου Ν/Τ του αιωρήματος. Αν και η διαπερατότητα βελτιώνεται με τη μείωση του μεγέθους κόκκων του εδάφους, η αποτελεσματικότητα των αιωρημάτων ως προς τη διαπερατότητα αυξάνεται με την αύξηση του μεγέθους των κόκκων του εδάφους. Χρόνος ωρίμανσης μεγαλύτερος των 28 ημερών επιφέρει σχετικά μικρή αύξηση στην αποτελεσματικότητα των αιωρημάτων. 5. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε στο πλαίσιο εκτέλεσης του Ερευνητικού Έργου 03ΕΔ527 του ΠΕΝΕΔ 2003 που συγχρηματοδοτήθηκε κατά 75% της Δημόσιας Δαπάνης από την Ευρωπαϊκή Ένωση ΕΚΤ, 25% της Δημόσιας Δαπάνης από το Ελληνικό Δημόσιο ΥΠ.ΑΝ. Γ.Γ.Ε.Τ. και από τον Ιδιωτικό Τομέα. 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Dano C., Hicher P.Y. and Tailliez S., (2004), "Engineering properties of grouted sands", Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 130, No. 3, pp Dupla J-C., Canou J. and Gouvenot D., (2004), An advanced experimental set-up for studying a monodirectional grout injection process, Ground Improvement, Thomas Telford, Vol. 8, No. 3, pp Ozgurel H.G. and Vipulanandan C., (2005), "Effect of grain size and distribution on permeability and mechanical behavior of acrylamide grouted sand", Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 131, No. 12, pp Schwarz L.G. and Chirumalla M., (2007), Effect of injection pressure on permeability and strength of microfine cement grouted sand, Grouting for Ground Improvement: Innovative Concepts and Applications, Geo- -Denver 2007, ASCE, G.S.P Schwarz L.G. and Krizek R.J., (1994), "Effect of preparation technique on permeability and strength of cement-grouted sand", Geotechnical Testing Journal, GTJODJ, Vol. 17, No.4, pp Zebovitz S., Krizek R.J. and Atmatzidis D.K., (1989), "Injection of fine sands with very fine cement grout", Journal of Geotechnical Engrg., Vol. 115, No. 12, pp ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/09 1/ , Βόλος 8