ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΔΟΚΙΜΗΣ:

Transcript

1 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΔΟΚΙΜΗΣ: Στερεοποίηση Εδαφών Επιστημονικός Συνεργάτης: Δρ. Αλέξανδρος Βαλσαμής, Πολιτικός Μηχανικός Εργαστηριακός Υπεύθυνος: Παναγιώτης Καλαντζάκης, Καθηγητής Εφαρμογών Εργαστηριακοί Συνεργάτες: Δρ. Κωνσταντίνος Θωμάς, Πολιτικός Μηχανικός Δρ. Άννα Μάμου, Πολιτικός Μηχανικός Φωτεινή Λυραντζάκη, Πολιτικός Μηχανικός MSc, Υ.Δ. Πανεπιστημίου Πατρών ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΟ ΕΤΟΣ :

2 ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Όταν σε κορεσμένο έδαφος επιβληθεί φόρτιση παρατηρείται αύξηση της πίεσης του νερού των πόρων (υπερπίεση). Η υπερπίεση αυτή έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία υδραυλικής κλίσης με συνέπεια την εκροή μιας ποσότητας του νερού των πόρων με ταυτόχρονη εκτόνωση της υπερπίεσης και μείωση του όγκου του εδάφους. Για την περιγραφή όλου αυτού του φαινομένου χρησιμοποιείται ο όρος στερεοποίηση. Για το αντίστροφο φαινόμενο (δηλαδή αποφόρτιση-ανάπτυξη υποπίεσης-εισροή νερούαύξηση όγκου) χρησιμοποιείται ο όρος διόγκωση. Στα λεπτόκοκκα εδάφη, λόγω του μικρού μεγέθους των κενών, η ροή του νερού γίνεται με βραδύ ρυθμό με αποτέλεσμα το φαινόμενο της στερεοποίησης να γίνεται χρονικά εξαρτώμενο και να απαιτεί μεγάλο χρονικό διάστημα για την ολοκλήρωσή του. Αντίθετα στα χονδρόκοκκα εδάφη η εκτόνωση της υπερπίεσης και η εκροή του νερού μπορεί να χαρακτηριστεί στιγμιαία

3 ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Οταν ένα κορεσμένο έδαφος υπόκειται σε αύξηση φορτίου, αυτό συνήθως παραλαμβάνεται αρχικά από το νερό των πόρων, το οποίο είναι ασυμπίεστο συγκριτικά με το στερεό σκελετό του εδάφους. Καθώς το νερό στραγγίζει από τους πόρους του εδάφους, το φορτίο μεταβιβάζεται στο στερεό σκελετό του εδάφους. Η μεταβίβαση του φορτίου συνοδεύεται από μεταβολή του όγκου του εδάφους που είναι ίση με τον όγκο του νερού που στραγγίζει. Το φαινόμενο της στερεοποίησης μπορεί να προσομοιωθεί στο εργαστήριο με φόρτιση ενός δείγματος εδάφους από το πεδίο και μέτρηση της μεταβολής του όγκου του με την πάροδο του χρόνου

4 ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ ΥΔΡΟΜΗΧΑΝΙΚΟ ΑΝΑΛΟΓΟ Αρχική κατάσταση (t=0): P o =πίεση υπερκείμενων στρωμάτων u o = υδροστατική πίεση Ελατήριο=εδαφικός σκελετός Νερό=νερό πόρων Βαλβίδα=κενά μεταξύ των κόκκων ή διαπερατότητα

5 ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ ΥΔΡΟΜΗΧΑΝΙΚΟ ΑΝΑΛΟΓΟ (συνέχεια) Ελατήριο=εδαφικός σκελετός Νερό=νερό πόρων Βαλβίδα=κενά μεταξύ των κόκκων ή διαπερατότητα Επιβολή επιφόρτισης 0<t< : Επιβάλλεται επιφόρτιση Δp στο έδαφος Η βαλβίδα είναι αρχικά κλειστή Η επιφόρτιση αυξάνει την πίεση του νερού των πόρων: Δu=Δp Δεν παρατηρείται παραμόρφωση (νερό πρακτικά ασυμπίεστο) αφού δεν παρατηρείται ακόμα διαφυγή νερού (κλειστή βαλβίδα)

6 ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ ΥΔΡΟΜΗΧΑΝΙΚΟ ΑΝΑΛΟΓΟ (συνέχεια) Εκτόνωση υπερπίεσης t= : Ανοιχτή βαλβίδα: προσομοίωση χαμηλής διαπερατότητας λεπτόκοκκων εδαφών Εκροή νερού Κατά την εκροή του νερού η Δp μεταφέρεται στον εδαφικό σκελετό (ελατήριο) Οταν επέλεθει ισορροπία δεν παρατηρείται πλέον εκροή νερού και η πίεση του νερού των πόρων Ελατήριο=εδαφικός σκελετός ισούται με την υδροστατική Νερό=νερό πόρων Παρατηρείται καθίζηση, S Βαλβίδα=κενά μεταξύ των κόκκων ή διαπερατότητα

7 ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Αρχική κατάσταση (t=0): Δσ v = Δu v + Δσ v H = H + H

8 ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Επιβολή επιφόρτισης 0<t< : Δσ v = Δu v + Δσ v H = H + H

9 ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Εκτόνωση υπερπίεσης t= : Δσ v = Δu v + Δσ v H = H + H

10 ΣΥΜΠΙΕΣΤΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗ Συμπιεστότητα οι αλλαγές του όγκου ενός εδάφους, όταν υπόκειται σε πίεση, οι οποίες δίνουν τιμές ΚΑΘΙΖΗΣΗΣ Στερεοποίηση ο ρυθμός της μεταβολής του όγκου με το χρόνο ο οποίος δίνει τον απαιτούμενο ΧΡΟΝΟ για την πραγματοποίηση μιας τιμής καθίζησης

11 ΣΥΜΠΙΕΣΗ ΕΔΑΦΩΝ Τυπική καμπύλη Φόρτισης-Αποφόρτισης-Επαναφόρτισης εδάφους

12 ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗ ΑΡΓΙΛΩΝ

13 ΤΑΣΗ ΠΡΟΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Τι ακριβώς είναι η τάση προστερεοποίησης, P c Είναι η μέγιστη τιμή της ενεργού κατακόρυφης τάσης που έχει εξασκηθεί σε ένα συγκεκριμένο εδαφικό υλικό (αργιλικό) κατά τη διάρκεια της γεωλογικής ιστορίας του

14 ΘΕΩΡΙΑ ΜΟΝΟΔΙΑΣΤΑΤΗΣ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ

15 ΘΕΩΡΙΑ ΜΟΝΟΔΙΑΣΤΑΤΗΣ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Προϋποθέσεις εφαρμογής θεωρίας Terzaghi 1. Η συμπίεση και η ροή είναι μονοδιάστατες 2. Ισχύει ο νόμος του Darcy 3. Δεν υπάρχει δευτερογενής συμπίεση 4. Το φορτίο εφαρμόζεται ακαριαία

16 ΘΕΩΡΙΑ ΜΟΝΟΔΙΑΣΤΑΤΗΣ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Βασική διαφορική εξίσωση στερεοποίησης c v : συντελεστής στερεοποίησης m v : συντελεστής συμπιεστότητας k : συντελεστής διαπερατότητας

17 Η δοκιμή στερεοποίησης εκτελείται με βάση το πρότυπο ASTM D2435 και με βάση τις διαδικασίες που περιγράφονται στις Προδιαγραφές Εργαστηριακών Δοκιμών Εδαφομηχανικής (Ε105-86, Κεφ. 13) Το φαινόμενο της στερεοποίησης μπορεί να προσομοιωθεί στο εργαστήριο με φόρτιση ενός δείγματος εδάφους από το πεδίο και μέτρηση της μεταβολής του όγκου του με την πάροδο του χρόνου Άμμος ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Επιφόρτιση Άργιλος Άμμος

18 ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Μέθοδος Λογαρίθμου του Χρόνου (Casagrande)

19 ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Μέθοδος Τετραγωνικής Ρίζας του Χρόνου (Taylor)

20 ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Απαραίτητες Συσκευές και Υλικά Κυψέλη δείγματος Μηκυνσιόμετρο Συσκευή φόρτισης δείγματος Χρονόμετρο Εξοπλισμός διαμόρφωσης δείγματος

21 ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Συσκευές φόρτισης δείγματος Κυψέλη δείγματος

22 ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Κυψέλη δείγματος

23 ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Διαδικασία Εκτέλεσης 1. Μόρφωση δοκιμίου εντός του μεταλλικού δακτυλίου και υπολογισμός διαστάσεων και φυσικών ιδιοτήτων εδαφικού δείγματος 2. Συναρμολόγηση δακτυλίου με δοκίμιο και πορόλιθους (υγρούς) 3. Τοποθέτηση κυψέλης δείγματος στη συσκευή φόρτισης και εφαρμογή μικρής πίεσης. Ρύθμιση μηκυνσιομέτρου 4. Εφαρμογή πρώτης φορτιοβαθμίδας και διαβροχή δοκιμίου. Καταγραφή κατακόρυφης μετακίνησης σε τακτά χρονικά διαστήματα όπως ορίζονται από τις προδιαγραφές 5. Εφαρμογή επόμενης φορτιοβαθμίδας 6. Μετά την επιβολή της τελικής φορτιοβαθμίδας γίνεται σταδιακή αποφόρτιση 7. Αποσυναρμολόγηση συσκευής και εξαγωγή δοκιμίου από τον δακτύλιο 8. Προσδιορισμός φυσικών ιδιοτήτων στο τέλος της δοκιμής

24 Προετοιμασία δοκιμίου ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Διαμόρφωση δοκιμίου

25 Προετοιμασία δοκιμίου ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Διαμόρφωση δοκιμίου Τοποθέτηση δείγματος στην κυψέλη

26 ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Μηκυνσιόμετρο μέτρησης κατακόρυφης μετακίνησης Τοποθέτηση κυψέλης δείγματος στη συσκευή φόρτισης Πλήρωση κυψέλης με νερό

27 ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Υπολογισμοί 1. Με βάση τις μετρήσεις που γίνονται στο εργαστήριο, κατασκευάζονται τα διαγράμματα Συμπίεση Δείγματος-Λογάριθμος Χρόνου για κάθε φορτιοβαθμίδα. Από αυτά προσδιορίζεται για κάθε φορτιοβαθμίδα ο συντελεστής στερεοποίησης, C v, με τη μέθοδο λογαρίθμου του χρόνου κατά Casagrande ΠΡΟΣΟΧΗ: Στις συσκευές στερεοποίησης που χρησιμοποιούνται στο εργαστήριο η στράγγιση του δείγματος είναι διπλή. Επομένως, σαν Η στους τύπους προσδιορισμού του C v χρησιμοποιείται το ½ του μέσου πάχους του δείγματος για τη συγκεκριμένη φορτιοβαθμίδα. Το πάχος του δείγματος μεταβάλλεται από φορτιοβαθμίδα σε φορτιοβαθμίδα λόγω της συμπίεσης που δέχεται το δείγμα

28 ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Μέθοδος Λογαρίθμου του Χρόνου (Casagrande) α. Προεκτείνονται τα ευθύγραμμα τμήματα των καμπυλών κύριας και δευτερεύουσας στερεοποίησης και ορίζεται το σημείο τομής τους. Η τεταγμένη του σημείου τομής είναι a 100 και αντιπροσωπεύει τη συμπίεση στο τέλος της κύριας στερεοποίησης β. Επιλέγονται δύο τιμές του χρόνου t 1 και t 2 στο αρχικό καμπύλο τμήμα του διαγράμματος, έτσι ώστε t 2 =4*t 1. Μετράται η κατακόρυφη απόσταση, x, των σημείων Α και Β της καμπύλης που αντιστοιχούν στους χρόνους t 1 και t 2. Σχεδιάζουμε μια οριζόντια ευθεία σε απόσταση x πάνω από το σημείο Α. Η τεταγμένη του σημείου τομής της ευθείας αυτής με τον κατακόρυφο άξονα είναι a o και αντιπροσωπεύει το σημείο μηδενικής στερεοποίησης γ. Η τεταγμένη που αντιστοιχεί στο 50% της στερεοποίησης είναι a 50 =(a o +a 100 )/2. Η αντίστοιχη τετμημένη προσδιορίζεται από την καμπύλη στερεοποίησης και συμβολίζεται με t 50 δ. Η τιμή του συντελεστή στερεοποίησης υπολογίζεται από τη σχέση: C v =0.197*H 2 / t 50 (H=1/2 πάχους δοκιμίου για διπλή στράγγιση!!!)

29 ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Μέθοδος Λογαρίθμου του Χρόνου (Casagrande)

30 ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Υπολογισμοί (συνέχεια) 2. Συμπλήρωση του Πίνακα Υπολογισμών ως εξής: Στήλη [1]: Φορτίο, P (kpa) (10, 25, 50, ) Στήλη [2]: ΔΗ= το a 100 για κάθε φορτιοβαθμίδα (cm) Στήλη [3]: Δe=ΔΗ/Η s, όπου Η s =ύψος στερεών στο δείγμα από το διάγραμμα φάσεων Στήλη [4]: e=e o -Δe, όπου e o =αρχικός δείκτης κενών του δείγματος Στήλη [5]: Μέσο ύψος δείγματος = Η i -(ΔΗ i-1 +ΔH i )/2 όπου: ΔΗ i-1 =Μεταβολή ύψους προηγούμενης φορτιοβαθμίδας, (cm) ΔΗ i =Μεταβολή ύψους συγκεκριμένης φορτιοβαθμίδας, (cm) Στήλη [6]: Η=1/2 μέσου ύψους δείγματος Στήλη [7]: t 50 : από διάγραμμα συμπίεσης λογάριθμου χρόνου Στήλη [8]: C v =συντελεστής στερεοποίησης: προκύπτει με βάση τη διαδικασία που περιράφηκε παραπάνω C v =0.197*H 2 / t 50 (H=1/2 πάχους δοκιμίου για διπλή στράγγιση!!!)

31 ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Υπολογισμοί (συνέχεια) 3. Κατασκευάζεται το διάγραμμα e-p και προσδιορίζονται ο συντελεστής συμπιεστότητας, α v, ο συντελεστής συμπιεστότητας όγκου, m v, και το μέτρο ελαστικότητας, Ε s, από τις ακόλουθες σχέσεις: α v =Δe/ΔP (συνήθως αγνοείται το αρνητικό πρόσημο) (kpa -1 ) m v =α v /(1+e o ) (kpa -1 ) E s =1/m v 4. Κατασκευάζεται το διάγραμμα e-logp. Από το γραμμικό τμήμα του διαγράμματος προσδιορίζεται ο δείκτης συμπίεσης, C c, από τη σχέση: C c =Δe / log (P 2 /P 1 ) (αγνοείται το αρνητικό πρόσημο) Αν το γραμμικό τμήμα του διαγράμματος είναι μεγαλύτερο από ένα λογαριθμικό κύκλο, τότε για διευκόλυνση τίθεται log(p 2 /P 1 )=log10=1 και είναι απαραίτητος μόνο ο προσδιορισμός του Δe για ένα λογαριθμικό κύκλο για να προσδιοριστεί ο δείκτης συμπίεσης 5. Από το διάγραμμα e-logp προσδιορίζεται και ο δείκτης διόγκωσης Cs που συμπίπτει με την κλίση του διαγράμματος για P<Pc Από το ίδιο διάγραμμα προσδιορίζεται και η τάση προστερεοποίησης Pc

32 ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Υπολογισμός C c, C s Υπολογισμός α v, m v

33 ΔΟΚΙΜΗ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ Υπολογισμός τάσης προστερεοποίησης, P c 1. Επιλογή σημείου με τη μέγιστη καμπυλότητα (σημείο Α) 2. Σχεδιάζεται οριζόντια ευθεία γραμμή από το σημείο Α 3. Σχεδιάζεται η εφαπτομένη της καμπύλης στο σημείο Α 4. Βρίσκεται η διχοτόμος της γωνίας που προκύπτει από τα βήματα 2 και 3 5. Σχεδιάζεται η εφαπτομένη του β κλάδου της καμπύλης 6. Το σημείο τομής Β της ευθείας (βήμα 5) με τη διχοτόμο της γωνίας (βήμα 4) έχει τετμημένη (άξονας x) την P c