Συσχέτιση της Αστράγγιστης ιατµητικής Αντοχής και της Τάσης Προστερεοποίησης Μαργαϊκών Εδαφών

Transcript

1 Συσχέτιση της Αστράγγιστης ιατµητικής Αντοχής και της Τάσης Προστερεοποίησης Μαργαϊκών Εδαφών Corrlation Btwn th Undraind Shar Strngth and Prconsolidation Prssur for Marly Soils ΚΟΝΙΝΗΣ, Γ.Ε. Πολιτικός Μηχανικός, Επιστηµονικός Συνεργάτης, Α.Π.Θ. ΤΙΚΑ, Θ. Μ. Πολιτικός Μηχανικός, Αν. Καθηγήτρια, Α.Π.Θ. ΚΑΛΛΙΟΓΛΟΥ, Π.Α. ρ. Πολιτικός Μηχανικός, Επιστηµονική Συνεργάτιδα, Α.Π.Θ. ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Η εργασία παρουσιάζει αποτελέσµατα δοκιµών συµπιεστότητας, δοκιµών ανεµπόδιστης θλίψης και τριαξονικών δοκιµών (CU και UU) σε µαργαϊκά εδάφη. Τα αποτελέσµατα των δοκιµών επιτρέπουν τη συσχέτιση µεταξύ της τάσης προστερεοποίησης, σ p, και της κανονικοποιηµένης αστράγγιστης διατµητικής αντοχής, s u /, των εδαφών και δείχνει την ισχυρή επίδραση της δοµής στη συµπεριφορά των µαργαϊκών εδαφών. ABSTRACT: Th papr prsnts rsults of comprssibility tsts, as wll as unconfind comprssion and triaxial (CU και UU) tsts on marly soils. Th rsults allow th corrlation btwn th prconsolidation prssur, σ p, and th normalizd undraind shar strngth, s u /, of th soils. This corrlation highlights th strong influnc of structur on th bhaviour of marly soils. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο γεωτεχνικό σχεδιασµό, η τάση προστερεοποίησης θεωρείται από τις πλέον σηµαντικές παραµέτρους και αντιπροσωπεύει µια τάση διαρροής του εδάφους, η οποία διακρίνει την ελαστική από την πλαστική συµπεριφορά του. Είναι γνωστό επίσης ότι η τάση προστερεοποίησης, σ p, όπως αυτή εκτιµάται από δοκιµές µονοδιάστατης συµπίεσης µε σταθερό βήµα φόρτισης ( σ ν/σ ν=1) µε τη µέθοδο Cassagrand, αρκετές φορές είναι υψηλότερη από τη µέγιστη κατακόρυφη τάση, στην οποία το έδαφος έχει υποβληθεί στο πεδίο κατά τη γεωλογική ιστορία. Η διαφορά τούτη οφείλεται σε διάφορα φαινόµενα αποδιδόµενα στη δοµή του εδάφους, όπως η δευτερεύουσα συµπίεση, η γήρανση και η ύπαρξη διαγενετικών δεσµών και συγκολλήσεων µεταξύ των κόκκων κ.ά.. Επιπλέον, η συσχέτιση των παραµέτρων της ιστορίας φόρτισης, όπως η σ p, και εκείνων της αντοχής του εδάφους, όπως η αστράγγιστη διατµητική αντοχή, s u, έχει αποδειχθεί ότι είναι χρήσιµη στο σχεδιασµό (Ladd & Foott, 1974). Τούτο συµβαίνει διότι για δεδοµένο έδαφος µια τέτοιου είδους συσχέτιση µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τη σύγκριση νέων δεδοµένων µε ήδη υπάρχοντα αποτελέσµατα, µπορεί να εµπλουτισθεί προοδευτικά µε περισσότερα δεδοµένα και συνεπώς να οδηγήσει στη µείωση του απαιτούµενου αριθµού νέων δοκιµών. Προς την κατεύθυνση αυτή έχουν προταθεί από διαφόρους ερευνητές σχέσεις της παρακάτω µορφής (Ladd & Foott, 1974 και Jamiolkowski t al., 1985): s u su p = σ σ σ όπου s u NC NC m (1) είναι η τιµή του λόγου s u / για κανονικά στερεοποιηµένο έδαφος, είναι η 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/26 1

2 ενεργή κατακόρυφη τάση στο πεδίο και η παράµετρος m.7 είναι σταθερά. Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται αποτελέσµατα εργαστηριακών δοκιµών, που πραγµατοποιήθηκαν σε µαργαϊκά εδάφη από την Ελλάδα και την Κύπρο στο Εργαστήριο Εδαφοµηχανικής, Θεµελιώσεων και Γεωτεχνικής Σεισµικής Μηχανικής Α.Π.Θ, και τα οποία επιτρέπουν τη συσχέτιση της s u και της σ p. Ως γνωστόν, οι µάργες αποτελούν ιζηµατογενή σχηµατισµό ενδιάµεσο µεταξύ της σχιστής αργίλου και του ασβεστόλιθου µε ιδιαίτερο χαρακτηριστικό τη σηµαντική παρουσία ανθρακικών ορυκτών. Η παρουσία των κόκκων του ασβεστίτη ως πρωτογενούς συστατικού σε σηµαντικό ποσοστό και µε οµοιόµορφη κατανοµή στο στερεό σκελετό του εδάφους δηµιουργεί συνδετικούς δεσµούς µεταξύ των εδαφικών κόκκων. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα οι µάργες να εµφανίζονται συχνά ως υπερστερεοποιηµένες και να κατατάσσονται στην κατηγορία των σκληρών εδαφών µαλακών βράχων (αστράγγιστη διατµητική αντοχή, s u >15kPa). 2. ΜΕΛΕΤΗΘΕΝΤΑ Ε ΑΦΗ Μελετήθηκαν συνολικά δώδεκα δείγµατα µαργών από την περιοχή της Πάφου (Π1 έως Π5) και της Μαυροπηγής Κοζάνης (Μ1 έως Μ7), οι φυσικές ιδιότητες των οποίων παρουσιάζονται στον Πίνακα 1. Τα εδάφη προερχόταν από βάθος κυµαινόµενο από 11µ. έως 95µ. και ήταν υπερστερεοποιηµένες άργιλοι ή ιλείς, µε αρχικό δείκτη πόρων µεταξύ του.751 και του 1.677, µε δείκτη πλαστικότητας µεταξύ του 17.8% και του 34.3% και µε ποσοστό ανθρακικών µεγαλύτερο του 3%. Η µέθοδος δειγµατοληψίας που χρησιµοποιήθηκε ήταν τύπου φραγµού (µε διάµετρο 8-9 cm) για τα εδάφη Π1 έως Π5 και τύπου Shlby (µε πλαστικό σωλήνα διαµέτρου 1cm) για τα Μ1 έως Μ7. 3. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΟΚΙΜΕΣ Για τον προσδιορισµό της σ p διεξήχθησαν δοκιµές συµπιεστότητας σε οιδήµετρα σταθερού δακτυλίου µε σταθερό βήµα φόρτισης ( σ ν/σ ν 1). Κάθε στάδιο φόρτισης διήρκεσε 24h και η µέγιστη κατακόρυφη τάση κατά τη στερεοποίηση ήταν της τάξης των 5kPa. Τα αποτελέσµατα των δοκιµών συµπιεστότητας παρουσιάζονται στα Σχήµατα 1 έως 3, ως διαγράµµατα µεταβολής του δείκτη πόρων µε την ενεργή κατακόρυφη τάση. Τα διαγράµµατα επιτρέπουν τον υπολογισµό του λόγου υπερστερεοποίησης, OCR= σ p/. Για τον προσδιορισµό της s u πραγµατοποιήθηκαν δοκιµές ανεµπόδιστης Πίνακας 1. Tabl 1. Έδαφος Φυσικές Ιδιότητες Μελετηθέντων Εδαφών Physical Proprtis of Tstd Soils Όριο Όριο Ειδική Υδαρότηταςκότητας, Πλαστι- Βαρύτητα Στερεών WL (%) PI (%) Κόκκων, * είκτης Πόρων, o + Υγρασία w + (%) Αργιλικό Κλάσµα %<2µm CC** (%) USCS Gs Π CH Π CH Π CH Π CH Π CH Μ >85 MH Μ >85 CL Μ >85 CL Μ >85 MH M >85 MH M >85 MH M >85 MH * Ενεργή κατακόρυφη τάση πεδίου, όπως υπολογίστηκε θεωρώντας γ=18kn/m 3 και γ=2kn/m 3 πάνω και κάτω από τη στάθµη του υδροφόρου ορίζοντα αντίστοιχα, όπου δεν υπήρχαν στοιχεία γεωτρήσεων, και γ w =9.81kN/m 3 + Όπως προσδιορίστηκαν στη δοµική συµπιεστότητας **Ποσοστό ανθρακικών ορυκτών, όπως προσδιορίστηκε µε τη µέθοδο του υδροχλωρικού οξέος 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/26 2

3 Έδαφος: Π1 OCR=2.9 (δ) Έδαφος: Π4 OCR= (ε) Έδαφος: Π2 OCR=9.2 Έδαφος: Π5 OCR= p' c Έδαφος: Π3 OCR=7.8.4 Σχήµα 1. Αποτελέσµατα δοκιµών συµπιεστότητας για τα εδάφη Π1 έως Π5 Figur 1. Comprssibility tst rsults for soils Π1 to Π5 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/26 3

4 Έδαφος: M1 OCR= Έδαφος: M3 OCR= Έδαφος: M2 OCR= Έδαφος: M4 OCR=3.5 (δ).7.7 Σχήµα 2. Αποτελέσµατα δοκιµών συµπιεστότητας για τα εδάφη Μ1 έως Μ4 Figur 2. Comprssibility tst rsults for soils Μ1 to Μ4 θλίψης (Π1 έως Π5) και τριαξονικές δοκιµές UU (Μ1 έως Μ4) και CU (Μ5 έως Μ7). Και στους δύο παραπάνω τύπους δοκιµών οι ονοµαστικές διαστάσεις των δοκιµίων ήταν D/L=3.5/7. cm (D: διάµετρος και L:µήκος). Η ταχύτητα διάτµησης ήταν.5mm/min στις δοκιµές ανεµπόδιστης θλίψης και.2mm/min στις τριαξονικές δοκιµές. Τα αποτελέσµατα των δοκιµών ανεµπόδιστης θλίψης παρουσιάζονται στo Σχήµα 4 για τα εδάφη Π1 έως Π5, ως διαγράµµατα µεταβολής της αντοχής σε ανεµπόδιστη θλίψη, q u, µε την αξονική παραµόρφωση, ε. Στα διαγράµµατα αυτά αναγράφεται επίσης το µέγεθος της αστράγγιστης διατµητικής αντοχής, s u =q u max /2, και της αντίστοιχης ενεργοποιηθείσης αξονικής παραµόρφωσης. Τα αποτελέσµατα των τριαξονικών δοκιµών UU παρουσιάζονται στο Σχήµα 5 για τα εδάφη Μ1 έως Μ4, ως κύκλοι του Mohr. Στα αποτελέσµατα αυτά αναγράφεται επίσης το µέγεθος της συνοχής, c u, και της γωνίας τριβής, φ u. Από τα µεγέθη αυτά, υπολογίζεται για την τάση πεδίου η αστράγγιστη διατµητική αντοχή, s u. Τα αποτελέσµατα των τριαξονικών δοκιµών CU παρουσιάζονται στο Σχήµα 6 για τα εδάφη Μ5 έως Μ7, ως διαγράµµατα µεταβολής της εκτροπικής τάσης, q=σ 1 -σ 3, µε την αξονική παραµόρφωση, ε. Ως γνωστόν, η s u δεν έχει µοναδική τιµή αλλά εξαρτάται από τον τρόπο µε τον οποίο το έδαφος οδηγείται σε αστοχία. Στις εργαστηριακές δοκιµές η µέτρηση της s u επηρεάζεται από τη διατάραξη την οποία έχει υποστεί το έδαφος κατά τη δειγµατοληψία, τη µεταφορά και την αποθήκευση στο εργαστήριο 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/26 4

5 Έδαφος: M5 OCR= Έδαφος: M6 OCR= Έδαφος: M7 OCR=1.1 Σχήµα 3. Αποτελέσµατα δοκιµών συµπιεστότητας για τα εδάφη Μ5 έως Μ7 Figur 3. Comprssibility tst rsults for soils Μ5 to Μ7 καθώς και τη διαµόρφωση των δοκιµίων για τις δοκιµές. Ο πλέον σοβαρός µηχανισµός διατάραξης είναι η λόγω διάτµησης παραµόρφωση και αλλαγή της δοµής του εδάφους. Άλλοι µηχανισµοί διατάραξης, οι οποίοι λαµβάνουν χώρα κατά την αποθήκευση σε µεγάλα χρονικά διαστήµατα, περιλαµβάνουν ανακατανοµή της υγρασίας από την εξωτερική προς την εσωτερική λιγότερο διαταραγµένη περιοχή του δοκιµίου, το οποίο χρησιµοποιείται στις δοκιµές, και χηµικές αλλαγές περιλαµβανοµένης της οξείδωσης. Επιπλέον, υπάρχουν τρεις βασικές διαφορές µεταξύ της s u από δοκιµές ανεµπόδιστης θλίψης και της αντίστοιχης αντοχής από τριαξονικές δοκιµές (CU & UU): Η δοκιµής ανεµπόδιστης θλίψης αρχίζει υπό ισότροπη ενεργή τάση ίση µε την πίεση του νερού των πόρων, η οποία προκαλείται από το µηδενισµό των αρχικών τάσεων του δοκιµίου (, k ) κατά τη διαδικασία o δειγµατοληψίας. Στη δοκιµή ανεµπόδιστης θλίψης το έδαφος οδηγείται συνήθως σε αστοχία µε µεγαλύτερους ρυθµούς παραµόρφωσης. Τούτο σηµαίνει ότι η αστράγγιστη αντοχή από δοκιµές ανεµπόδιστης θλίψης µπορεί να είναι 5-15 % µεγαλύτερη από την αντίστοιχη από δοκιµές τριαξονικής συµπίεσης σε µικρότερους ρυθµούς παραµόρφωσης. Λόγω της απουσίας περιβάλλουσας τάσης, η ενδεχόµενη ύπαρξη ασυνεχειών ή ζωνών µειωµένης διατµητικής αντοχής, µπορεί να οδηγήσει στον πρόωρο τερµατισµό τους. 4. ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΟΚΙΜΩΝ Το Σχήµα 7 δείχνει τη σχέση µεταξύ της κανονικοποιηµένης s u / και του λόγου OCR. Από τη συσχέτιση των αποτελεσµάτων προκύπτει η παρακάτω σχέση: s =.797 OCR u (2) Η παραπάνω εξίσωση δίνει µεγαλύτερες τιµές συγκριτικά µε αυτές που υπολογίζονται για υπερστερεοποιηµένα µη-µαργαϊκά εδάφη, από αντίστοιχες σχέσεις, όπως η παρακάτω (Jamiolkowski t al., 1985): 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/26 5

6 4 q u 3 2 Σύµβολο Έδαφος s u ε(%) Π Π Π Π Π Σχήµα 4. Αποτελέσµατα δοκιµών ανεµπόδιστης θλίψης για τα εδάφη Π1 έως Π5 Figur 4. Unconfind comprssion tst rsults for soils Π1 to Π5 4 4 τ 3 2 Έδαφος: M1 c u =74kPa φ u =19.7 o τ 3 2 Έδαφος: M3 c u =623kPa φ u =7.6 o σ 1, σ σ 1, σ τ 3 2 Έδαφος: M2 c u =918kPa φ u =4.7 o τ 3 2 Έδαφος: M4 c u =137kPa φ u =2.2 o (δ) σ 1, σ σ 1, σ 3 Σχήµα 5. Αποτελέσµατα τριαξονικών δοκιµών UU (κύκλοι Mohr) για τα εδάφη Μ1 έως Μ4 Figur 5. Rsults of triaxial tsts UU (Mohr s cycls) for soils Μ1 to Μ4 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/26 6

7 25 2 Έδαφος: M2 15 Έδαφος: M6 q=σ 1 -σ σ' q=σ 1 -σ σ' Έδαφος: M5 2 Έδαφος: M7 (δ) q=σ 1 -σ σ' q=σ 1 -σ σ' Σχήµα 6. Αποτελέσµατα τριαξονικών δοκιµών CU για τα εδάφη Μ2, Μ5, Μ6 και Μ7 Figur 6. Rsults of triaxial tsts CU for soils Μ2, Μ5, Μ6 and Μ7 su =. 8 (.23 ±.4) OCR (3) Η διαφορά των σταθερών συντελεστών.797 και.23±.4 στις Εξισώσεις (2) και (3) αντίστοιχα δείχνει τη σηµαντική επίδραση της δοµής των µαργαϊκών εδαφών, πλην εκείνης της ιστορίας φόρτισης. Συγκεκριµένα, ο προβλεπόµενος λόγος s u / από την Εξίσωση (2) είναι 3.5 φορές µεγαλύτερος από τον αντίστοιχο της Εξίσωσης (3). 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από τα αποτελέσµατα των εργαστηριακών δοκιµών της εργασίας αυτής προκύπτουν τα παρακάτω συµπεράσµατα: Για µαργαϊκά εδάφη η συσχέτιση της κανονικοποιηµένης s u / και σ p µπορεί να εκφραστεί µε εξίσωση της παρακάτω µορφής: s =.797 OCR u Η παραπάνω εξίσωση δείχνει ότι εκτός από την ιστορία φόρτισης, η δοµή των µαργαϊκών εδαφών έχει επίσης σηµαντική επίδραση στη συµπεριφορά τους. Συγκεκριµένα οι προβλεπόµενοι λόγοι της s u / είναι 3.5 φορές µεγαλύτεροι από τους αντίστοιχα προβλεπόµενους για εδάφη χωρίς δοµή. 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/26 7

8 8 6 οκιµές ανεµπόδιστης θλίψης Τριαξονικές δοκιµές (UU) Τριαξονικές δοκιµές (CU) s u /σ' 4 2 s u /σ' =.797 x OCR OCR 12 Σχήµα 7. Μεταβολή της κανονικοποιηµένης αστράγγιστης διατµητικής αντοχής, s u /, µε το λόγο υπερστερεοποίησης, OCR Figur 7. Variation of normalizd undraind shar strngth, s u /, vrsus ovrconsolidation ratio, OCR 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Jamiolkowski M., Ladd C.C., Grmain J. T. & Lancllota R. (1985), Nw Dvlopmnts in fild and laboratory tsting of soils, Procdings of XI ICSMEFE, San Francisco, pp Ladd C.C. & Foott R. (1974), Nw dsign procdurs for stability of soft clays, ASCE Journal of Gotchnical Enginring Division, Vol. 1, No. GT7, pp ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/26 8